大斜度井井眼清潔影響因素及對(duì)策研究

王建龍， 張長(zhǎng)清, 郭云鵬， 王 濤, 于 琛， 鄭 鋒，劉 軒, 尚 薇

(1中石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井服務(wù)分公司 3中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司)

大斜度井當(dāng)井斜角超過(guò)一定值之后，普遍存在井眼清潔困難的技術(shù)難題，導(dǎo)致摩阻和當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)異常升高，增加了施工難度和卡鉆、漏失的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重制約了安全高效鉆井。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做過(guò)大量的工作，較多的從理論方面分析了巖屑運(yùn)移規(guī)律，這些研究對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工起到很大的作用[1-6]。但是，對(duì)井眼清潔影響因素、井眼清潔狀態(tài)判斷方法等研究較少。因此，本文利用軟件對(duì)井眼清潔因素進(jìn)行了模擬分析，確定了影響規(guī)律。分析了井眼清潔程度與大鉤載荷變化規(guī)律，提出了井眼清潔程度判斷方法。在上述基礎(chǔ)上提出了保證井眼清潔的方法，為大斜度井安全高效鉆井提供了理論指導(dǎo)。

1 井眼清潔影響因素分析

目前，一般利用懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度表征井眼清潔狀況。影響井眼清潔的因素主要有井斜角、鉆井液排量、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆井液動(dòng)塑比等[7-10]。為了分析上述因素的影響規(guī)律，利用Landmark軟件進(jìn)行了模擬，分析了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與各影響因素之間的定性關(guān)系。

1.1 井斜角影響分析

假定鉆井液排量30 L/s、機(jī)械鉆速5 m/h、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min和鉆井液動(dòng)塑比0.5，得出了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與井斜角的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 巖屑床厚度、懸浮巖屑濃度隨井斜角變化規(guī)律

圖1所示，井斜角≤50°時(shí)，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度幾乎為0，即基本上沒(méi)有巖屑床形成；當(dāng)井斜角≥50°時(shí)，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度直線上升，說(shuō)明該井段最易形成巖屑床；當(dāng)井斜角≥70°時(shí)，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度增加趨勢(shì)變緩。由此可以看出，井斜角50°～70°井段最容易形成巖屑床，是井眼清潔的重點(diǎn)井段。

1.2 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速影響分析

假定井斜角65°、鉆井液排量30 L/s、機(jī)械鉆速5 m/h和鉆井液動(dòng)塑比0.5，得出了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 巖屑床厚度、懸浮巖屑濃度隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

圖2所示，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)，說(shuō)明提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速有利于提高井眼清潔狀況。從圖2中還可以看出，滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中(轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為0)最易形成巖屑床。

1.3 鉆井液排量影響分析

假定井斜角65°、機(jī)械鉆速5 m/h、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min和鉆井液動(dòng)塑比0.5，得出了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與鉆井液排量的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 巖屑床厚度、懸浮巖屑濃度隨排量變化規(guī)律

圖3所示，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度與鉆井液排量負(fù)相關(guān)，說(shuō)明提高鉆井液排量有利于提高井眼清潔狀況。

1.4 機(jī)械鉆速影響分析

假定井斜角65°、鉆井液排量30 L/s、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min和鉆井液動(dòng)塑比0.5，得出了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與機(jī)械鉆速的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 巖屑床厚度、懸浮巖屑濃度隨機(jī)械鉆速變化規(guī)律

圖4所示，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度與機(jī)械鉆速成正相關(guān)，說(shuō)明機(jī)械鉆速越高，井眼清潔難度越大。這主要是因?yàn)闄C(jī)械鉆速越高，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的巖屑量越多，需要更大的鉆井液排量、更高的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速保證井眼清潔。

2 井眼清潔判斷方法

巖屑床和懸浮巖屑的存在影響了井眼清潔程度，然而實(shí)鉆過(guò)程中無(wú)法直接獲取巖屑床和懸浮巖屑濃度的數(shù)據(jù)，進(jìn)而影響井眼清潔程度的判斷。但是，實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，當(dāng)井壁上形成大量的巖屑床后鉆井液中懸浮巖屑濃度大幅增加后，鉆進(jìn)過(guò)程中的扭矩和起鉆時(shí)的大鉤載荷會(huì)異常變化，甚至出現(xiàn)蹩停轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)、卡鉆的現(xiàn)象[9]。因此，本文結(jié)合巖屑床厚度與大鉤載荷的相互關(guān)系，提出了利用實(shí)鉆過(guò)程中的大鉤載荷變化判斷井眼清潔程度的方法，該方法判斷過(guò)程主要有3個(gè)步驟。

第一步，鉆前預(yù)測(cè)大鉤載荷曲線。根據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡、鉆井液體系及性能、鉆具結(jié)構(gòu)等參數(shù)，利用鉆井參數(shù)優(yōu)化軟件預(yù)測(cè)整口井鉆井過(guò)程中的大鉤載荷數(shù)據(jù)，包括復(fù)合鉆進(jìn)載荷、滑動(dòng)鉆進(jìn)載荷和起鉆載荷，并繪制成曲線。

第二步，實(shí)鉆過(guò)程中繪制大鉤載荷曲線。通過(guò)收集錄井系統(tǒng)采集的大鉤載荷數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)繪制實(shí)鉆過(guò)程中的大鉤載荷變化曲線。

第三步，對(duì)比分析。將鉆前和實(shí)鉆過(guò)程中的大鉤載荷變化曲線繪制在同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，根據(jù)兩條曲線的偏離程度判斷井眼清潔狀態(tài)。如圖5某井所示，實(shí)鉆鉆進(jìn)至3 800 m、4 100 m和4 300 m附近預(yù)測(cè)和實(shí)鉆大鉤載荷偏離程度急劇增大，說(shuō)明井眼不清潔，隨后及時(shí)采取了井眼清潔措施，保證了后續(xù)安全鉆進(jìn)。

圖5 某井利用摩阻曲線判斷井眼清潔情況

3 井眼清潔技術(shù)措施

3.1 常規(guī)技術(shù)措施

井眼軌跡控制過(guò)程中，盡量減少井斜角50～70°的斜井段，并盡量減少在該井段滑動(dòng)鉆進(jìn)。轉(zhuǎn)速在無(wú)特殊要求的前提下，盡量提高轉(zhuǎn)速，利用高速旋轉(zhuǎn)的鉆具刮削巖屑床和擾動(dòng)攜巖提高井眼清潔效率。根據(jù)懸重變化情況，控制機(jī)械鉆速，及時(shí)進(jìn)行短起下鉆配以劃眼。為了方便現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)選合適的排量，繪制了保證?215.9 mm井眼清潔的最小循環(huán)排量，如圖6所示。

圖6 保證井眼清潔的最小循環(huán)排量

3.2 主動(dòng)井眼清潔技術(shù)

在井斜角50°～70°井段，一旦形成巖屑床，巖屑堆積會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，清除難度越來(lái)越大，僅僅依靠鉆井液沖刷、鉆桿的刮削很難從根本上清除巖屑床。此時(shí)，就需要在鉆具中加入巖屑床破壞器，利用特殊結(jié)構(gòu)機(jī)械刮削和水力旋流的雙重作用，提高井眼清潔效率[10]。巖屑床破壞器清除巖屑床的原理如下：首先，在轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)的帶動(dòng)下，巖屑床破壞器高速旋轉(zhuǎn)，利用具有特殊結(jié)構(gòu)的螺旋棱刮削井壁，使井壁上的巖屑床從壓實(shí)狀態(tài)變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)；然后高流速鉆井液流經(jīng)巖屑床破壞器的特殊結(jié)構(gòu)槽道后產(chǎn)生渦流作用，將自由狀態(tài)的巖屑向上推舉并攜帶出井眼。由于單個(gè)巖屑床破壞器的能力有限，現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)井眼軌跡、鉆井液性能等參數(shù)，優(yōu)化巖屑床破壞器的數(shù)量和安放位置。

4 結(jié)論

1)巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度與井斜角、機(jī)械鉆速正相關(guān)，與鉆井液排量、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)，井斜角50°～70°井段最容易形成巖屑床。

2)當(dāng)井眼形成巖屑床之后，隨著巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度增加，大鉤載荷會(huì)出現(xiàn)階梯式變化。因此，可以通過(guò)對(duì)比大鉤載荷變化判斷井眼清潔狀況，當(dāng)預(yù)測(cè)和實(shí)鉆的大鉤載荷的偏離程度增大時(shí)，就需要采取相應(yīng)技術(shù)措施，破壞巖屑床，提高井眼清潔效率。

3)在未形成巖屑床之前，可以通過(guò)提高鉆井液排量和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等方式提高井眼清潔效率；當(dāng)形成巖屑床之后，就需要在鉆具中下入巖屑床破壞器，采用機(jī)械刮削和水力旋流相結(jié)合的方式，保證井眼清潔。