扣村油田水平井井眼凈化技術研究

劉旭強，張芮菀，劉 昆

（1.渤海鉆探第一鉆井公司，天津 300280；2.渤海鉆探第一錄井公司，天津 300280）

近年，為達到降本增效、增加產量的目的，鉆井施工的水平井越來越多，隨著井斜角的增大，鉆井過程中產生的巖屑上返、井眼凈化也成為了越來越重要的問題。本文結合扣村油田施工的水平井，在分析影響井下巖屑上返條件的基礎上，闡述了水平井常用的井眼凈化技術，指出了有效的水平井井眼凈化方法，為今后施工的水平井提供技術參考，為水平井提高機械鉆速，鉆井施工降本增效提供了有力的保障。

根據國內外對巖屑床問題的研究表明，井眼中的巖屑受到四種作用力的合力作用：重力、粘滯阻力、沖擊力、浮力。

隨著近年科技水平的不斷發展，水平井及大斜度井因其產出高、投入低的特點受到了廣泛的應用，但是針對水平井巖屑床的解決問題，若未通過有效的途徑減小、消除巖屑床會造成鉆井施工的巨大損失，其表現如下:

（1）巖屑床會導致測井儀器下放受阻（通常情況下，現場施工中如遇到儀器受阻，為保證儀器不受到損壞，施工人員會立即上提電纜，此時巖屑床還會導致電纜勒入，造成卡電纜）、下套管遇阻，水泥與地層膠結質量差、影響后期原油采收。

（2）鉆進時巖屑床堆積過多會導致鉆具扭矩增大，憋停轉盤、頂驅，此時如果釋放扭矩會造成鉆具倒轉，嚴重時會導致鉆具倒扣。在扣村油田扣38-10井施工過程中，定向井報告儀器信號不正常，起鉆檢查儀器發現，LWD 與保護接頭連接處倒開兩扣。經分析，其原因就是因巖屑床導致扭矩增大，憋停頂驅，鉆具倒轉導致的鉆具倒扣。

（3）巖屑床堆積過多會造成鉆具上下活動困難，鉆壓不能傳遞到鉆頭位置，形成托壓，現場施工過程中往往會分析成因井斜增大導致的托壓，認為適當調整泥漿性能、加入潤滑劑則可解決，而忽略了巖屑床的影響。

（4）巖屑床會導致卡鉆等事故的發生，延長了鉆井周期，增大鉆井成本。

因此隨著近年來水平井越來越多，我們更應該積累總結經驗，保證環空的凈化效果，有效解決制約水平井施工的難題。

扣村油田塊位于扣村斷層下降盤，被兩條西北向次一級斷層分割為兩個獨立斷塊，扣38-10 斷塊為一半背斜的形態，上傾方向為一反向斷層遮擋，斷距20m，地層傾向南東向，構造高點位置位于扣38-10 井西北方向，館一段構造高點1335m。扣30 西斷塊整體形態與扣38-10斷塊相似，為一半背斜形態，地層傾向南西向，構造高點位于扣30 井斷層根部，斷距35m，館一構造高點1332m，構造幅度26m。口村油田目的層館陶組館一段為辮狀河沉積，粒度整體偏粗，表現為塊狀含礫不等粒砂巖夾薄層泥巖。

1 水平井巖屑床的形成機理

在鉆井施工中，鉆頭破碎巖石，被破碎的巖屑由鉆井液攜帶通過循環系統循環出井眼。但是隨著井斜角度的增加，井內鉆具受自身重力及井眼軌跡的影響必然會緊貼下井壁，使鉆具在井內不能居中，鉆具和井眼之間形成一個偏心環空，井眼上部鉆井液流速大于井眼下部，并且巖屑受自身重力的作用會徑向下沉，巖屑床因此而形成。一旦巖屑堆積形成巖屑床，就會大大增加鉆具和井筒之間的摩擦阻力，增加施工中出現卡鉆的可能性，從而影響鉆井和完井的順利進行。在扣村油田扣38-10井施工中觀察表明，在井斜角大于45°的井段巖屑返出明顯減少，易造成井下復雜。

2 影響巖屑床的因素

2.1 井斜、環空返速對巖屑床的影響

2.1.1 井斜對巖屑床的影響

水平井的井眼凈化與井斜在45°以下的井有所不同，其一是水平井下井壁處巖屑堆積到一定厚度會形成巖屑床，其二是井斜超過45°，沒有通過鉆井液及時返出的巖屑會沿著井壁“下滑”在下部井段形成巖屑床，這種現象在停泵時更為明顯，這就是水平井鉆進時停泵接立柱前要反復劃眼的原因，否則接完立柱就不易放到井底、不易開泵，嚴重時會直接造成卡鉆。井斜給巖屑床提供了形成條件。環空巖屑總濃度,臨界返速均隨井斜增大而增大,井眼凈化程度則隨井斜角增加而下降,即井斜角越大的井段越易形成厚的巖屑床。國外有研究認為:井斜角達到第一臨界值25°～35°，巖屑會在重力作用下沉至低邊并滑向井底方向:井斜角達到第二臨界值55°～65°時，低邊上巖屑停止下滑。由此可見，井斜角30°～60°井段內最易形成巖屑床、最易形成井下事故的發生。

2.1.2 返速對巖屑床的影響

當環空返速達到某一臨界值時,巖屑床處于沉積與沖蝕交疊發生的動態平衡狀態。有研究認為井斜角45°時,確保巖屑有效上返的臨界返速是直井的好幾倍。井斜角越大，臨界返速越大，如圖1所示。但客觀上當井斜角不斷增加時由于泥漿泵、馬達限制以及沖刷等負面影響，不可能無節制提高返速，這樣就導致沉積大于沖蝕，故井斜角越大，巖屑床越厚。

圖1 井斜、返速對微粒運移速率的影響

頂驅轉動鉆進時，臨界返速的修正現場生產常發現轉動鉆進比滑動鉆進要容易得多，有學者研究后發現，斜井、水平井中鉆具轉動時，鉆具除繞自身軸自轉外還有公轉存在，從而使得鉆井液成螺旋狀上返。

2.2 鉆具的尺寸對巖屑床的影響

巖屑床和鉆具之間有這樣的關系：鉆具的偏心度越大巖屑床堆積越厚，鉆具的傾斜角越大巖屑床堆積越厚，如圖2所示。因此增大鉆具外徑不但可以減小偏心角，而且在泥漿泵排量保持恒定的基礎上，鉆具外徑越大，環空流速就越高，有利于井眼的凈化。

圖2 鉆具偏心度與巖屑床厚度關系圖

在鉆井施工中，轉盤或頂驅是規則的軸向轉動，但是鉆具在井筒內受鉆壓、重力等綜合因素的影響并不是規則的軸向轉動，而是一種復雜的螺旋形運動軌跡，可以通過鉆具刮、轉、擠、碾逐漸破壞巖屑床。

2.3 鉆井液性能對巖屑床的影響

清潔井底、攜帶巖屑、懸浮巖屑和加重劑、降低巖屑沉降的速度、防止沉砂是鉆井液的主要作用，良好的鉆井液性能對懸浮、攜帶巖屑，減少巖屑床的堆積有重要作用，專家認為鉆井液動切力達0.957Pa，塑性達3mPa·s以上，返速達0.914m/s以上可控制斜井段巖屑濃度小于5%。

2.4 流態對巖屑床的影響

環空在紊流情況下，巖屑總會被運移走且不受流變性能影響，換句話說,流體將沖蝕巖屑床：在層流情況下要提高攜屑能力，就須提高動力、動塑比，但粘度超過臨界值，在斜井低邊形成巖屑床不動區范圍就越寬，攜屑能力反而下降，故巖屑床總會形成(但在鉆井液處于靜止狀態時,提高粘度可提高浮力)。

3 常用的井眼凈化技術

在水平井鉆井施工中，根據能夠影響巖屑運移的主要因素，有以下幾種可以達到凈化井眼破壞巖屑床的方式：一是在合理的范圍內提高排量，二是調整好鉆井液的性能，三是利用鉆具自身的轉動破壞巖屑床，四是合理使用好固控設備。現場施工過程中，運用其中一種或是幾種方法配合使用，能有效控制巖屑床的堆積。

3.1 在合理的范圍內提高排量

在水平井的鉆井施工中，排量是攜帶巖屑的一個重要因素，通過間斷性的調整排量大小，使井筒內鉆井液處于紊流狀態達到攜砂的目的。在扣村油田扣38-8H井二開八寸半井眼施工中，鉆進排量為32L/s，完井通井下鉆到底后逐步提排量至34～36L/s循環，返出大量巖屑，起鉆過程中未出現附加拉力增大的情況，證明井筒內巖屑返出情況良好。

3.2 鉆井液性能的優化和維護

大斜度井施工作業中，鉆井液體系的優化在考慮潤滑性、井眼穩定性等的基礎上，也要考慮到大斜度鉆井的攜巖能力問題，鉆井液流態選用有利于井眼凈化和井壁穩定的平板層流，使用高動塑比、高動切力的鉆完井液體系。動塑比范圍可保持在0.36～0.70之間，動切力要大于2Pa，旋轉粘度計Φ3和Φ6讀數值要大于2，同時嚴格控制初、終切力差值。另外現場應用中，可間斷使用紊流段塞或重塞，配合高轉速、大排量來提高攜巖效果。

3.3 利用鉆具自身破壞巖屑床

上文中提到，鉆具在井筒內受到鉆壓、重力、井眼軌跡等多重因素的影響，在井內的轉動是一種不規則的螺旋運動，我們可以利用這一特性來達到破壞巖屑床的目的。在現場運用中，我們應根據現場實際情況進行短起下作業，利用鉆具臺肩的刮、擠及鉆具的轉動帶動巖屑上浮減輕巖屑床的影響。

3.4 合理使用好固控設備

水平井施工，返出的鉆井液能否得到良好的凈化也同樣關鍵，在合理的范圍內盡量使用大目數的篩布，并保證震動篩、除砂器等固控設備能夠正常、良好的運轉，不能良好的使用固控設備，只會導致井筒內巖屑堆積越來越多，形成惡性循環，增加鉆井風險。

在扣38-8H井施工中，振動篩選用200目篩布，除砂器、離心機全程開啟，在明化鎮井段通過適當放漿，補充膠液的方法將膨潤土含量控制在60g/L 以內，配合180mm 缸套提高排量，鉆進排量32L/s，通井排量34～36L/s，進入館陶組后每300～500m 進行短起下作業破壞巖屑床，效果明顯，水平井段起鉆上提拉力小于100kN，全井固井質量優質。

4 總結

經過對扣村油田水平井施工經驗的總結，通過合理的范圍內提高排量，調整好鉆井液的性能，利用鉆具自身的轉動破壞巖屑床，合理使用好固控設備這幾種方法配合使用，可以達到凈化水平井井眼的目的，有效減小起鉆上提拉力，降低施工風險。

使用以上幾種方法配合，在現場操作簡單，使用方便，提高了機械鉆速，降低了鉆井成本。

在今后施工中，應考慮在明化鎮井段配合頁巖抑制劑降低鉆井液中膨潤土含量，減少放漿次數，通過頁巖抑制劑中的正電離子和膨潤土的負電離子形成絮凝，從而降低鉆井液中有害固相含量，避免巖屑床形成。