極限角和穩(wěn)定角在水平井施工中的技術(shù)應(yīng)用

田逢軍 許小紅 蒙啟騰 賈武升 袁君 包成宗（中國(guó)石油川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西 西安710000）

1 “極限角和穩(wěn)定角”

（1）什么是塌落現(xiàn)象極限角和穩(wěn)定角：根據(jù)堆放體自然塌落現(xiàn)象的規(guī)律，堆放體最穩(wěn)定的極限角是接近52 度，52 度角就是極限角和穩(wěn)定角，小于極限角和穩(wěn)定角，堆放的物體存在不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，容易塌落，大于極限角和穩(wěn)定角后，堆放物體在沒(méi)有外力作用下不會(huì)塌落。

先讓我們來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把一定數(shù)量的米、沙、碎石子，分別從上向下慢慢的傾倒，不久就會(huì)形成三個(gè)圓錐體，盡管它們質(zhì)量不同，但形狀卻異常相似。測(cè)量一下，我們發(fā)現(xiàn)它的錐角都是52 度。這種自然形成的角是最穩(wěn)定的角，人們把它稱(chēng)為“自然塌落現(xiàn)象的極限角和穩(wěn)定角”。如圖一；

（2）極限角和穩(wěn)定角的證明：這要從物體自然堆積結(jié)構(gòu)原理說(shuō)起，如圖2，先以等球體的緊密堆積結(jié)構(gòu)狀況來(lái)說(shuō)。設(shè)等球體的半徑為R=1，3 只球心為A、B、C，它們緊密相連，于是成等邊△ABC，AB=BC=AC=2，切點(diǎn)為D、E、F，AD⊥BC，BE⊥AC，CF⊥AB，AD=BE=CF=√3， △ABC 的內(nèi)心（重心，垂心）為G，則AG=（2/3*√3）=1.1547，球A、B、C的上層的球其球心為P，必然是位于球A、B、C上層的凹處，這是最堅(jiān)固的自然選擇。于是PG⊥AG，PA=2，cos∠PAG=1.1547/2=0.5774，∠PAG=54.736°，作球P、A 的切線MN 交GA 延長(zhǎng)線于K，則MK∥PA，∠MKA=54.736°。∠MKA=54.736°就是等球體緊密堆積結(jié)構(gòu)狀況的“休止角”，亦即“極限角和穩(wěn)定角”。

但物體自然堆積的極限角和穩(wěn)定角為52°，而上面的計(jì)算結(jié)果為54.736°，何以如此？因物體自然堆積的平面結(jié)構(gòu)不可能是緊密型的而是松散型的，緊密型的AG=1.1547，而松散型的AG1=1.0664AG=1.0664×1.1547=1.2313，將1.0664稱(chēng)為物體自然堆積的平面離散系數(shù)，于是，上層球心為P1，P1G1⊥AG1。平面結(jié)構(gòu)是緊密型的，但上下層間的結(jié)構(gòu)卻是緊密型的，所以P1A=2，cos∠P1AG1=1.2313/2=0.61566，∠P1AG1=52°，將此角移到外部切線處形成切線角θ，θ=52°就是物體自然堆積的極限角和穩(wěn)定角亦稱(chēng)為休止角。

此圖是二圖合一式的示意圖，并不規(guī)范：△ABC 部分為俯視圖；XAGG1P1PM為正視圖。雖不規(guī)范，但易于從二圖之間的公共線AG、AG1看出它們之間的關(guān)系。

圖一極限角示意圖

圖二物體結(jié)構(gòu)示意圖

圖三極限角和穩(wěn)定角的平分圖

2 極限角和穩(wěn)定角對(duì)水平井施工中出現(xiàn)部分現(xiàn)象的解釋

2.1 三個(gè)洗井區(qū)的劃分

根據(jù)水平井環(huán)空攜砂效果，將全井段總共分成三個(gè)洗井區(qū)，即：第一洗井區(qū)（井斜角0°～30°）、第二洗井區(qū)（井斜角30°～60°）、第三洗井區(qū)（井斜角60°～90°）。根據(jù)塌落現(xiàn)象極限角和穩(wěn)定角和井斜角的定義，極限角和穩(wěn)斜角從頂角垂直分成2等分，其中的1等份正好和井斜角的定義相吻合。井斜角小于穩(wěn)定角的一半（26°）時(shí)，環(huán)空中的巖屑可以自然沉降到井底。由于在鉆井施工時(shí)，一般情況下鉆具是處于活動(dòng)狀態(tài)的，所以破壞了堆放物體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致環(huán)空中巖屑沉降時(shí)的穩(wěn)定角略大于26°，所以根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，將井斜角0°～30°劃分為第一洗井區(qū)。

由于鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)、井下動(dòng)力鉆具的震動(dòng)、環(huán)空中流動(dòng)的影響，在井斜角30°～60°之間，巖屑從井斜角小的井段繼續(xù)下落，落在井斜角30°至60°之間的井段，逐漸形成巖屑床，隨著井斜的逐漸增大，巖屑床現(xiàn)象越明顯。所以井斜角30°～60°劃分為第二洗井區(qū)，井斜角60°～90°為第三洗井區(qū)。

2.2 第二洗井區(qū)滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)托壓現(xiàn)象的解釋

在水平井施工中，施工到第二洗井區(qū)時(shí)，滑動(dòng)施工時(shí)托壓現(xiàn)象明顯存在，給施工造成了一定的困難。這是什么原因呢？環(huán)空中的巖屑在運(yùn)動(dòng)的鉆具和流動(dòng)的鉆井液作用下，部分顆粒較大的、比鉆井液比重大的巖屑在井斜角30°～60°的井段逐漸形成巖屑床，在滑動(dòng)施工時(shí)，部分巖屑床墊在螺桿扶正器的下方，螺桿鉆具在井眼軸線方向下行時(shí)造成一定的阻力，使部分鉆具的重量落在井壁上，落在井壁上的這一部分鉆壓不能加在鉆頭上，因此出現(xiàn)托壓現(xiàn)象。在第二洗井區(qū)隨著井斜的增大，托壓現(xiàn)象越來(lái)越明顯。

3 極限角和穩(wěn)定角在水平井中的應(yīng)用

3.1 在第一洗井區(qū)內(nèi)

類(lèi)似直井?dāng)y巖，從保證井眼凈化要求角度，只要能夠保證以下式子成立，就能安全鉆進(jìn)。 巖屑運(yùn)移比 Rt=（Va-Vs）/Va≥0.5Vs：顆粒下滑速度；Va：環(huán)空返速在第二洗井區(qū)，大部分巖屑聚集在下井壁，形成巖屑床。巖屑以移動(dòng)床、固定床形式出現(xiàn)，巖屑顆粒以懸浮、躍移、層移形式沿井軸向上運(yùn)動(dòng)。在鉆井條件許可的情況下，宜采用高限的流變參數(shù)來(lái)提高鉆井液攜巖能力。

在第三洗井區(qū)，巖屑以固定模型出現(xiàn)，不存在巖屑床下滑問(wèn)題。大斜度井段巖屑運(yùn)移不再完全依賴于鉆井液引力，一旦巖屑在井眼底部形成巖屑床，鉆具將不同程度地嵌埋進(jìn)去，巖屑床越厚，越易造成卡鉆事故，這就要求鉆井液具有適宜靜切力和屈服值，達(dá)到攜砂效果。

3.2 水平井鉆具組合的設(shè)計(jì)

水平井施工時(shí)，可以根據(jù)極限角和穩(wěn)定角理論，設(shè)計(jì)鉆具組合是，為了防止托壓造成施工困難，可以將加重鉆桿的位置設(shè)計(jì)在第一洗井區(qū)，使得鉆具重力能有效的傳遞到鉆頭，預(yù)防托壓嚴(yán)重，鉆具重量不能有效的作用到鉆頭上，造成鉆具粘卡等井下事故。

3.3 在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)利用特種工具消除巖屑床的影響

根據(jù)巖屑床影響滑動(dòng)鉆進(jìn)的原因，利用水力振蕩器、懸沖工具等特種設(shè)備，在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，在螺桿本體不動(dòng)的情況下，特種設(shè)備通過(guò)自身運(yùn)動(dòng)有效破壞已經(jīng)形成的巖屑床，消除滑動(dòng)時(shí)巖屑床的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）第二洗井區(qū)和第三洗井區(qū)施工時(shí)鉆具組合中的加重鉆桿位置要設(shè)計(jì)在第一洗井區(qū)。

（2）第二洗井區(qū)和第三洗井區(qū)有一定的巖屑床，根據(jù)巖屑床的情況調(diào)整泥漿性能，滿足攜砂需求。

（3）利用水利振蕩器和旋沖工具消除巖屑床對(duì)滑動(dòng)施工的影響。