井眼清潔技術在東海超深大斜度井中的應用

謝中成,曹明輝,王 濤,李 進,宮吉澤,雷新超

1中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司 2中海石油(中國)有限公司上海分公司3中海石油(中國)有限公司天津分公司

0 引言

近年來，國際油價呈現斷崖式下跌，居高不下的鉆完井成本制約著油氣田的勘探開發。東海諸多油氣田主力含油氣層大多位于HG組、PH組及其下部地層，埋深超過4 000 m，單個油氣田整體儲量規模較小，單獨建設導管架及生產平臺進行鉆完井開發無法達到經濟開發門檻。而借助現有海上生產設施對這些邊際油氣田進行勘探開發成為必然選擇，既能有效開發部分邊際油氣田，提高油氣產量，又能提高現有生產設施的利用效率，提高油氣田生產效益。

然而高穩斜角井眼中，巖屑主要靠翻滾作用運移，由于環空返速沿重力方向分量隨井斜增加而減小，鉆井液攜巖能力大幅降低，致使巖屑在環空下井壁沉積，形成巖屑床[1-2];在層流狀態下高黏切的鉆井液致使井壁附近黏滯阻力增大，加劇了巖屑床的形成[3-4],導致超深大斜度井鉆井過程中井眼清潔困難。為此，通過摩阻扭矩及鉆井液當量循環密度(ECD)監控，配合水力參數和鉆井參數的優化，優選鉆具配置等技術措施，形成了適合東海超深大斜度井的井眼清潔技術。

1 大斜度井井眼清潔難點分析

1.1 巖屑沉降在井眼底邊形成堆積

在大斜度井中，隨著井斜的變化，巖屑的運移規律比垂直井段復雜，更容易產生井眼清潔難的問題[5-6]。如圖1所示，巖屑在環空中，受重力的作用而下滑。在直井中，巖屑的下滑方向與井眼軸線平行，只要提高鉆井液動塑比，達到平板層流，就能滿足攜巖要求。但在大斜度井中，巖屑的沉降方向仍沿重力方向，但環空返速沿重力方向分量卻隨井眼斜度增大而減小；在井斜達到水平時，環空流速的垂直分量為零。另外，在大位移井中，隨著斜度增大，鉆柱偏心并躺向下側井壁，上側環空變大，流動容易，下側環空變小，流動困難，如圖2所示。

圖1 巖屑在直井、大斜度井及水平井中的沉降情況

圖2 大斜度井鉆柱偏心下的巖屑流動狀態

1.2 易形成厚度較大的穩定巖屑床

為了盡可能釋放產能、簡化井身結構、提升邊際油氣田的經濟性，目的層采用?215.9 mm井眼以增加泄油面積，致使?311.15 mm井眼段平均裸眼長度超過 4 000 m。長穩斜延伸井段使環空流速分層加劇，巖屑在重力作用下易偏離井眼高邊的流體高速區，沉至井眼低邊形成厚度較大的巖屑床，使井眼清潔更困難。

以A1井為例，?311.15 mm井眼裸眼井段長達4 462.61 m，其中，井深1 752.39～5 890 m以74.84°穩斜，5 890～6 215 m井段連續降斜至56.15°，非常容易產生巖屑床。A1井井身結構相關數據見表1。

表1 A1井井身結構相關數據

2 井眼清潔技術

2.1 ECD控制技術

2.1.1 ECD計算模型

鉆井液當量循環密度(以下簡稱ECD)定義為鉆井液當量靜態密度與鉆井液流動的環空壓耗當量密度之和。現場情況下當量循環密度表達式為：

(1)

式中：ρ—鉆井液密度，g/cm3；ρs—巖屑密度，g/cm3；Ca—環空巖屑濃度，%；Δp—環空壓耗，MPa；H—垂深，m。

超深井環空壓耗按以下原則計算：

(1)鉆鋌段按同心環空壓耗計算。

(2)直井段和造斜段按正弦偏心環空壓耗來計算。

(3)井斜角小于40°的穩斜段按正弦偏心環空壓耗計算。

(4)井斜角大于或等于40°的穩斜段按完全偏心環空壓耗計算。

根據建立的深井、超深井水力參數優化設計，巖屑濃度的計算方法如下：

(1)巖屑床層的巖屑濃度。巖屑床層認為是巖屑顆粒的緊密堆積。根據經驗值，深井、超深井水平段、大斜度段顆粒的體積濃度約為0.52。

(2)擴散懸浮層的巖屑濃度。擴散懸浮層某一高度y處的巖屑濃度的計算公式為：

(2)

式中：CB—積分常數，無量綱；Vp—巖屑自由沉降速度，m/s；εp—巖屑擴散系數；h—巖屑床的厚度，m。

(3)

式中：h—巖屑床的厚度，m；do—井眼直徑，m。

擴散系數εp的計算公式為[7]：

εp=0.014ε0dpVSReS

(4)

式中：ε0—巖屑顆粒擴散系數；dp—鉆桿外徑，m；Vs—懸浮流體流速，m/s；ReS—擴散懸浮層流體雷諾數，無因次。

當CS>0.05時:

(5)

當CS<0.05時:

(6)

2.1.2 ECD監測與控制

ECD 監測采用了井下工具監測及利用模型實時模擬計算相結合的方式[8]，井下監測通過井下隨鉆測量工具攜帶的 ECD 監測模塊進行監測，通過井下監測和實時模擬井下 ECD 計算攜巖效率，為超深大斜度井鉆井工程井眼清潔作業提供了合理的鉆井液流變性能和鉆井參數[9]。如圖3所示，在井深1 800～3 900 m范圍，鉆井液密度未發生變化的情況下，部分井段實測ECD呈現快速上升趨勢,超過模擬ECD，同時觀察鉆進扭矩成突增趨勢，說明井眼清潔不佳，現場通過調整鉆井液性能、增加循環時間、短起下鉆等措施后，ECD、扭矩呈現降低趨勢，說明現場依據ECD對井眼清潔狀況作出的判斷是正確的，相應采取的清潔井眼措施也起到了良好的作用，為順利鉆進創造了條件。

圖3 實測ECD與模擬ECD對比曲線圖

2.2 基于摩阻扭矩監測與控制的井眼凈化技術

在超深大斜度井摩阻扭矩模型建立的基礎上，利用編制的摩阻扭矩分析軟件進行摩阻扭矩的計算分析，通過收集實鉆井的數據，反算摩阻系數，根據確定的安全摩阻系數范圍，計算待鉆井達到某井段時的摩阻扭矩控制目標。在此基礎上建立了超深大斜度井基于井下摩阻扭矩監測與控制的井眼清潔方法。

首先利用前期研究成果，根據鄰井資料，選取摩阻系數，編制監測圖版。現場鉆進過程中，實時跟蹤實測數據，和理論計算數據進行對比分析，為待鉆井段摩阻扭矩控制提供依據。具體流程如下：大位移井摩阻扭矩計算分析軟件→摩阻扭矩模擬計算分析→不同摩阻系數條件下模擬下放鉆具大鉤載荷，上提鉆具大鉤載荷，旋轉鉆進扭矩，編制監測版圖→鉆井過程中，實時記錄下放、上提大鉤載荷，旋轉鉆進扭矩→對比分析、校正鉆進扭矩→預測待鉆井段的摩阻扭矩，制定相應井眼清潔技術措施。

以某超深大斜度井B井為例，扭矩監測圖4中的 A、B、C 三點處，扭矩比模擬值異常大，判斷井眼清潔程度較差，井下工況惡劣，現場通過循環洗井，達到清潔井眼效果。D 點處鉆進扭矩明顯減小，則是在井深 3 062 m 時通過長時間循環洗井，并短起下鉆分段循環等措施，達到了很好的攜砂效果，改善了井眼環境。摩阻監測圖5中，①、②兩點處，上提鉤載和下放鉤載呈明顯“分叉”趨勢，井眼清潔程度較差，現場通過增加每個立柱的劃眼次數，提高鉆井液攜砂性能等措施，點③顯示上提鉤載和下放鉤載呈明顯“合并”趨勢，達到了改善井眼環境的效果。

圖4 扭矩監測圖

圖5 摩阻監測圖

2.3 巖屑床清除鉆桿

井下工具清除巖屑床，主要通過鉆具上連接帶有螺旋或“V”型導流槽的扶正器或短節，但由于扶正器或短節清除巖屑的部位較短，效率低。通過研究發現，在普通鉆桿外表面增加特殊螺旋結構，適應于大斜度井、水平井或復雜非常規井的鉆井環境，可大幅度提高巖屑床清潔效率，改善井眼清潔凈化效果，減少或消除倒劃眼以及反復起下鉆清除巖屑床次數，節約大量鉆井時間，同時可以減少或消除由于巖屑床堆積而造成的過大附加扭矩和提升載荷，大幅度減少鉆井過程中的壓力損失[10-11]。

2.3.1 巖屑床清除鉆桿技術原理

巖屑床清除鉆桿表面設計增加了特殊的螺旋槽道結構,如圖6所示，螺旋槽道能有效改變環空鉆井液流場，使其產生有利于擾動巖屑床的紊流；在旋轉鉆進過程中，該表面結構可以起到攪動或破壞巖屑床的作用。通過改變螺旋槽附近鉆井液流場的特性，將井眼低邊的巖屑“拋向”高邊環空，最后被高流速區的鉆井液帶走，從而減少或消除井眼底部的巖屑床[12]。

圖6 螺旋槽道結構示意圖

特殊的勾形螺旋槽道對沉積的巖屑有機械攪動作用。同時由仿真模擬可以看出，由于螺旋槽道的影響，流體在槽道內形成了渦流結構，增加了鉆井液對井壁底邊巖屑的沖刷，如圖7、圖8所示。環空流體明顯地呈現出從小環空流向大環空的流動趨勢，巖屑更容易被帶到井眼高邊并被井眼高邊處高速流動的鉆井液帶走。

圖7 螺旋槽道剖面內流體流線圖

圖8 環空流體三維流線圖

2.3.2 高效巖屑床清除鉆桿與普通鉆桿對比

如圖9所示，應用高效巖屑床清除鉆桿時，流體在環空處擁有更大的切向速度，可對沉積于井底的巖屑形成有效的沖刷，從而達到清除鉆屑的目的。而普通鉆桿從鉆桿外壁到井壁，流體切向速度逐漸減小，幾乎為零。

圖9 環空流體速度徑向分布規律

如圖10所示，在高效巖屑床清除鉆桿作用下，流體在靠近井壁處擁有更高的動壓，為巖屑的清除提供更多的能量，環空中間區域的靜壓明顯小于壁面附近的靜壓，即在環空中間區域形成低壓區，有利于巖屑“卷”往中間區域，從而為巖屑的清除提供有利條件。

圖10 環空流體壓力徑向分布規律

3 現場應用

近年來，井眼清潔技術在東海超深大斜度井中得到廣泛應用，現場采取的具體措施如下：

(1)?311.15 mm及以上井段選用?149.22 mm 鉆具，以下井段進行大尺寸鉆具復配，降低鉆具壓耗，從而使?311.15 mm井段排量能夠達到65 L/s，增大了環空返速，提高攜巖效率。

(2)在鉆機設備負荷允許的條件下，盡力提高頂驅轉速，鉆進期間達到130 r/min 以上，循環期間達到130～150 r/min，增加環空鉆井液的紊流度，使處于井筒低邊的鉆屑被攪動進入懸浮層，從而破壞巖屑床。

(3)利用軟件模擬計算，在易于形成巖屑床的穩斜井段的鉆具中，根據模擬計算結果加裝巖屑清除鉆桿，實現鉆進過程中對井筒巖屑床的及時清理。

(4)控制機械鉆速，觀察巖屑返出情況，有異常立即采取循環洗井措施。

(5)定期進行短起下和劃眼，起鉆前盡力提高排量，充分循環。?311.1 mm及以下井段正常情況下每鉆進200 m短起下一次；如有異常情況及時循環、短起下清潔、順暢井眼，每次均短起至套管內或井斜30°以內井段，確保井眼通暢。

(6)對不規則井眼進行稀稠漿攜砂，全力開啟固控設備，清除有害固相，保證了鉆井液清潔與攜巖能力。

隨著井眼清潔技術的應用，東海超深大斜度井井眼凈化效果較以往顯著好轉，避免了大段穩定巖屑床的形成。如圖11所示，A9井在設計階段模擬采用常規作業措施情況下，在4 100 m左右巖屑床厚度將達到50.8 mm，作業過程中采取以上井眼清潔技術后，通過實際鉆井參數反演，巖屑床厚度降到20.32 mm。得益于巖屑床的減少，各超深大斜度井短起下鉆基本實現直起直下，避免了大量劃眼時間，作業效率大幅提高，平均鉆井周期大大縮減。折算至5 000 m當量井深鉆井周期，相比2012年，平均鉆井周期由71.63 d縮短至47.80 d，提效達到33.27%,顯著降低了邊際油氣田的開發成本，提高了經濟效益。

圖11 A9井采用井眼清潔技術與否巖屑床厚度對比

采用以上井眼清潔技術，2016年以來東海所有超深大斜度井平均井深達到6 780.8 m，全部實現安全高效鉆井，突破了2016年以前無超深大斜度井這類高難度作業，與以往5 000 m左右的深井相比，事故率由2012年的40%減低至0，如表2所示。

表2 超深大斜度井與前期深井事故率對比

得益于井眼清潔程度的提高，大幅減少了重復切削的情況發生，鉆頭的鉆進效率顯著提升，加之鉆頭技術的增強，2016～2019年東海超深大斜度井平均機械鉆速顯著提高，即使與2015年相近區域類似地層所鉆深井相比，在平均井深增加2 046 m的情況下，機械鉆速也基本持平,如表3所示。

表3 超深大斜度井與前期深井機械鉆速對比

4 結論

(1)通過對ECD和摩阻扭矩進行動態監測與分析，計算攜巖效率，能夠實時判斷大位移井井眼凈化狀況，及時采取工程措施，避免穩定巖屑床的形成，保障超深大斜度井長穩斜段安全鉆進。

(2)采用高效巖屑床清除鉆桿等工具及配套工藝，有效解決常規鉆具及洗井措施難以解決的不規則井段的巖屑床清除問題。

(3)通過水力參數優化，優選大尺寸鉆具，能夠降低超深大斜度井循環壓耗，增加環空返速；配合鉆具的高轉速，增加環空鉆井液的紊流擾動區域，提高攜巖效率；定期進行短起下鉆，拉順井眼并充分循環，配合稀稠漿攜砂，能夠有效清除巖屑床。

(4)應用表明，該配套井眼清潔技術能有效解決東海超深大斜度井井眼清潔技術難題，保障了作業安全，提高作業效率，為邊際油氣田的超深大斜度井開發提供技術保障。