大位移井井眼清潔技術研究與實踐——以勝利油田莊129－1HF井為例

馮光通，胥 豪，唐洪林，楊春旭

（中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

井眼清潔是大位移鉆井的關鍵技術和難題之一［1］。在大位移井的施工過程中，由于井眼得不到及時清潔，鉆井事故時有發生。巖屑床的形成，往往導致轉動鉆具時扭矩增加，鉆具上提遇卡下放遇阻，甚至造成壓差卡鉆等復雜情況，所以及時清潔井眼就顯得尤為重要［21］。

大位移井井眼清潔是一個系統的工程，國外早在20世紀40年代就開始了鉆井環空巖屑運移和井眼清潔的實驗和理論研究，國內的研究則從80年代開始［1］，分別建立了冪律模式、賓漢彈性模式。隨著電子計算機的大規模使用，計算更為復雜的赫巴模式逐漸進入現場應用［2］，使得井眼清潔研究變得更加簡便。本文借助先進的計算機輔助軟件，以井眼條件、巖屑物性、鉆井參數等為研究對象，并以勝利油田樁129－1HF井井眼清潔為例，研究了φ311.1mm井眼和φ215.9mm井眼的井眼清潔技術。

1 井眼清潔的主要影響因素

井眼清潔的影響因素很多，主要涉及到井筒尺寸、鉆井液性能、鉆井參數等多個方面，筆者對其進行歸類，主要分為以下四個方面：

（1）井眼幾何條件：井眼幾何條件包括井眼長度、井斜、井眼尺寸、套管內徑等方面。相比而言，井眼長度越長、井斜度越大、井眼尺寸越大、套管內徑越大則井筒清潔越困難。但是對于井眼幾何條件而言，現場能夠改變的參數較少，比如井深、井斜、套管尺寸和內徑等等多由油藏地質需要和鉆井設計來確定，僅裸眼段井眼擴大率可以通過現場工藝和鉆井液性能調整起到一定的效果，但不能從根本上改變井筒清潔狀況。

（2）巖屑性能：巖屑性能主要涉及到巖屑的形狀、大小、密度、孔隙度這幾個方面，密度和孔隙度屬于地層性能，現場施工難以改變；另一方面巖屑的形狀和大小與鉆頭選型有一定的相關性，通常采用PDC鉆頭時巖屑顆粒稍小，采用牙輪鉆頭時巖屑顆粒偏大，對井眼清潔有一定的影響，但鉆頭選型更多考慮的是地層適應性及優快鉆井方面，從井眼清潔來講，考慮得要少。

（3）鉆井參數及工程措施：鉆井參數及工程措施是影響井眼清潔的重點，主要涉及到鉆井液排量、鉆桿轉速、機械鉆速、短起下鉆措施、稠塞攜巖等方面，也是大位移井井眼清潔研究重點。

（4）鉆井液性能：鉆井液性能對井眼清潔的作用至關重要，主要包括鉆井液粘度、切力等多個方面［3－4］。

大位移井井眼清潔是一個系統的工程，從設計階段到現場施工階段都至關重要，良好的設計為井眼清潔提供了有利的條件，而現場積極的措施則可以確保井眼有效清潔。

2 樁129－1HF 井井眼清潔分析

樁129－1HF井位于樁西潛山和埕島潛山披覆構造的結合部，目的層沙河街組二段，設計井深5 539.66 m，垂深3 314.00m，位移3 396.67 m，水平段長度883.12 m。樁129二開采用φ311.2 mm鉆頭鉆至井深3 802 m，下入φ244.5 mm技術套管，三開采用φ215.9 mm鉆頭鉆至完鉆井深，懸掛φ139.7篩管完井。

根據以往的鉆井經驗和本井鉆井情況分析，樁129－1HF井井眼清潔問題比較突出的井段主要在于二開大尺寸井段和三開大位移井段，因此下面重點以二開井段和三開井段為主進行分析。

2.1 φ311.1mm井眼清潔分析

根據完鉆電測數據分析，樁129－1HF井φ311.1 mm井眼平均井眼擴大率4.5%，因此該井段井眼尺寸按照φ325 mm進行分析，機械鉆速最高約60 m／h。鉆具組合為：φ311.1 mmPDC鉆頭＋φ210 mm單彎＋φ308 mm欠尺寸扶正器＋MWD短節＋φ203 mm無磁鉆鋌＋φ127 mm鉆桿1 865 m＋127 mm加重鉆桿240 m＋φ127 mm鉆桿。φ127 mm鉆桿為G級鉆桿，內徑φ108 mm；鉆井液密度1.25 g／cm3；性能為：600／300／200／100／6／3轉速對應粘度分別為80／54／44／33／15／14，巖屑密度2.6 g／cm3，巖屑直徑φ3 mm。為了便于對比，當分析某一參數時，其他參數均以現場實鉆參數為準。

2.1.1 機械鉆速對井眼清潔的影響

機械鉆速對巖屑床有著較大的影響，在大位移井段為了避免形成過厚的巖屑床，通常會對機械鉆速進行適當控制，因此需要分析機械鉆速對最低排量的要求。樁129－1HF井當轉盤轉速為45 r／min時，機械鉆速與推薦最小排量關系如圖1。由于套管段和裸眼段對最低排量具有不一樣的要求，為了確保井眼清潔，需要以要求的最大排量為基準，當機械鉆速為60 m／h時，最低排量要求為78.83 L／s。

圖1 機械鉆速和推薦排量關系示意圖

2.1.2 鉆柱轉速對井眼清潔的影響

鉆柱轉速對井眼清潔具有較大的影響，高轉速的鉆柱有利于形成紊流，并攪動井眼低邊的巖屑床，迫使巖屑上返，最終被帶出井眼，從而減少巖屑床，提升井眼清潔［5］。樁129－1HF井由于二開井段方位一直右漂較快，因此鉆柱轉速較低，多數井段鉆柱轉速僅45 r／min。根據計算，要使井眼清潔得到保障，鉆井液排量需要達到78.84 L／s，鉆柱轉速與推薦排量關系如圖2所示。

圖2 鉆柱轉速和推薦排量關系示意圖

2.1.3 井眼尺寸對井眼清潔的影響

井眼尺寸對井眼清潔也存在較大的影響，井眼擴大率越大，則所需的鉆井液排量液越大。樁129－1HF井二開井眼平均擴大率4.5%，平均井徑約325 mm。以機械鉆速60 m／h，鉆桿轉速45 r／min計算，需要最低排量78.83 L／s，井眼尺寸與推薦排量關系如圖3。

圖3 井眼尺寸和推薦排量示意圖

2.1.4 巖屑顆粒大小對井眼清潔的影響

通常情況下巖屑顆粒越大，則需要的鉆井液排量液越高。以井眼尺寸325 mm，鉆柱轉速45 r／min，機械鉆速60 m／h進行計算，當巖屑直徑在φ4 mm以下時，推薦排量75.8 L／s，當巖屑直徑超過φ4.5 mm后，推薦排量液相應增加。鉆井現場在不出現掉塊的前提下，大部分巖屑尺寸均小于φ4 mm，多在φ3 mm左右，巖屑直徑與推薦排量關系如圖4。

通過以上分析可知，以樁129－1HF井實鉆情況為例，當機械鉆速60 m／h，鉆桿轉速45 r／min，井眼直徑φ325 mm，巖屑直徑φ3 mm時，推薦的鉆井液排量為75.8～78.8 L／s。若以此排量鉆進至井深3 800 m時，地面立管壓力將達到39～41 MPa，按照現場設備配置，明顯不能達到要求，因此井眼清潔可能將存在嚴重問題。

圖4 巖屑直徑和推薦排量示意圖

2.1.5 實際井眼清潔效果評價

樁129－1HF井φ311.1 mm井眼實鉆鉆井液排量42～55 L／s，基本呈現隨井深逐漸降低的趨勢，鉆柱轉速平均45 r／min，二開井實際鉆井參數如圖5。

圖5 二開實際鉆井參數

巖屑床是摩阻扭矩增加的重要因素，因此樁129－1HF井對摩阻扭矩進行了實時跟蹤，如圖6，可以看出，井深2 100 m、2 700 m、3 210 m、3 800 m井深左右均出現摩阻扭矩大幅度增加的現象，且實鉆過程中經常出現振動篩不返砂或者鉆時很快但返砂較少的情況，這證明φ311 mm井眼井眼清潔存在嚴重問題。

圖6 樁129－1HF井二開摩阻扭矩監測

2.2 φ215.9mm井眼清潔技術

按照上面的分析方法，對φ215.9 mm井眼井眼清潔情況進行相應的分析。根據電測數據，φ215.9 mm井眼井徑擴大率7.0%，因此以φ230 mm井眼進行計算。鉆具組合為：φ215.9 mmPDC鉆頭＋φ172 mm單彎＋φ205 mm欠尺寸扶正器＋LWD＋φ127 mm無磁承壓鉆桿＋MWD短節＋φ127 mm鉆桿2 325 m＋φ127 mm 加重鉆桿＋φ127 mm 鉆桿；機械鉆速40 m／h，轉盤轉速80 r／min，鉆井液密度1.39 g／cm3；巖屑密度2.6 g／cm3，巖屑直徑 φ3 mm。根據計算，φ215.9 mm井眼推薦鉆井液最低排量32.76 L／s。

樁129－1HF井三開實際鉆井參數見圖7。由圖7可知，三開實際鉆井液排量28～33 L／s，呈現稍微降低的趨勢；三開摩阻扭矩監測圖如圖8，摩阻扭矩基本比較平穩，部分井段出現比較大的變化，但現場分析為鉆井液性能調整、鉆具組合調整等原因導致；從振動篩返砂情況來看，三開井段總體返砂情況較好，返出量與鉆時具有較好的應對關系，證明井眼清潔情況能夠滿足要求。

圖7 三開實際鉆井參數

圖8 樁129－1HF井三開摩阻扭矩監測

2.3 現場應對措施

（1）調整鉆井液性能。提高鉆井液的動切力和動塑比，有利于巖屑攜帶。二開鉆進時，在井深2 100 m附近將鉆井液漏斗粘度、表觀粘度、塑性粘度、動切力、初切、終切之分別由34 s、8 mPa·s、6 mPa·s、2 Pa、1.5 Pa、3.5 Pa調整為45 s、23.5 mPa·s、19 mPa·s、4.5 Pa、1.5 Pa、16.5 Pa；在其余摩阻扭矩較大井段，也積極對鉆井液性能進行適當調整。

（2）增加短起下鉆頻率。樁129－1HF井實鉆過程中，根據鉆進井段長度和振動篩返沙情況，制定了良好的短起下鉆措施，每次長起之前先進行短程起下鉆作業。短起鉆之前提高鉆井液排量和鉆柱轉速，大幅度上體下放鉆具，充分循環，以破壞巖屑床并將巖屑攜帶出井筒［6］，確保井眼清潔。

（3）起鉆前稠塞封井。注入一定量的高粘高切稠塞，對井底部分井段進行封隔，有利于降低巖屑沉降，避免巖屑床堆積。通過現場實際情況分析，注入稠塞之后下鉆過程井眼明顯比不注入稠塞更加通暢。

以上技術措施一定程度上解決了大位移井井眼清潔的問題，為樁129－1HF井順利完成提供了有利的技術保障。但對鉆井液性能的更高要求和調整頻率增加了鉆井液作業成本，增加了短起下鉆次數，也延長了作業周期，因此有必要提出更好的井眼清潔方式。

2.4 井眼清潔改進方法：

（1）更換 φ127 mm 鉆桿為 φ139.7 mm 鉆桿。針對 φ311.1 mm 井眼清潔問題，分析了 φ139.7 mm鉆桿對提高水力參數的能力，如圖9，計算結果表明，φ139.7 mm 鉆桿具有更大的水眼直徑，因此鉆具壓耗較低，以72 L／s排量計算，泵壓將降低8.64 MPa。

圖9 鉆桿尺寸與泵壓關系示意圖

（2）提高鉆柱轉速。根據前速分析，提高鉆柱轉速對于提高井眼清潔具有重要的作用，也是現場解決井眼清潔問題較為便捷的方式。通過分析，鉆柱轉速若能達到100 r／min及以上時，推薦排量呈現較快下降趨勢，另一方面，由于φ139.7 mm鉆桿比φ127 mm鉆桿外徑更大，因此環空返速有所提高，推薦排量也就更小。

（3）提高地面設備承壓能力。地面設備承壓能力主要受地面管線和鉆井泵能力的限制，地面管線承壓能力通常在35 MPa及以上，而鉆井泵的承壓能力主要受制于活塞和缸套的搭配。樁129－1HF井采用F－1600鉆井泵，現場采用φ170 mm缸套，承壓能力僅為25.9 MPa，考慮到PDC鉆頭鉆進時可能隨時出現憋泵的情況，因此現場控制泵壓大多低于21 MPa。但根據設備性能分析，鉆井設備能力還有較大提升空間。若能夠更換為φ160 mm甚至更小直徑的缸套，則承壓能力可以達到29.2 MPa以上。但另一方面，若采用 φ160 mm 缸套，以φ311.1 mm 井眼65 L／s排量需求（φ139.7 mm 鉆桿泵壓25 MPa），現場則需要同時開2～3臺泵鉆進，那么鉆井隊需要配備至少3～4臺鉆井泵。

至于 φ215.9 mm 井眼，根據計算，若采用φ139.7 mm 鉆桿，則34 L／s排量時對應泵壓20 MPa，問題已經迎刃而解，同時配合提高鉆柱轉速以及其它技術措施，則可以解決更大位移井的井眼清潔問題。

3 結論和建議

（1）大位移井井眼清潔問題是施工的重要環節之一，涉及到井身結構、井眼軌道、鉆井參數、鉆井液性能等多個方面，需要多方面綜合考慮。

（2）鉆井參數，特別是鉆柱轉速和鉆井液排量對井眼清潔效果起到決定性作用，大位移井施工時需配合高轉速和大排量，充分進行井眼清潔。

（3）鉆具尺寸和設備性能是大位移井井眼清潔優化和施工的重要保障，在施工前需要優選配套各設備及參數，避免因鉆具水眼過小導致鉆具內壓耗過大，以及設備承壓能力不足導致鉆井液排量不能達到要求。

［1］ 郭曉樂，連吉弘，胡家品，等.惠州油田大位移井水力參數設計難點及對策研究［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2011，13（4）：36－40.

［2］ 王愛寬，高虎，邵曉偉，等.一種保持大斜度定向井井眼清潔的有效技術［J］.斷塊油氣田，2003，10（5）：77－79.

［3］ 鄭述培，荊華，陳曉飛.勝利油田裸眼井鉆井井眼清潔技術應用［J］.石油天然氣學報，2006，28（1）：79－80.

［4］ 王小利，王樹永.對勝利油田長裸眼定向井井眼清潔問題的幾點認識［J］.西部探礦工程，2007，25（2）：76－82.

［5］ 孫曉峰，閆鐵，王克林.復雜結構井井眼清潔技術研究進展［J］.斷塊油氣田，2013，20（1）：1－5.