杭錦旗區(qū)塊巖屑床清除技術探討

陳金舉，劉金牛，劉桂君

（中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州450000）

1 巖屑床的形成和影響

1.1 巖屑床的成因

在井斜大于45°的大斜度定向井中，由于重力作用，鉆具在井眼中靠向下井壁，即偏心，使巖屑易沉向下井壁且不易清除，形成巖屑床；尤其在鉆井液停止循環(huán)時，在井斜角大于45°的大斜度定向井中，巖屑主要沿著井眼徑向下沉，由于井筒徑向距離有限，巖屑很快地聚集停留在下井壁上，更加速了巖屑床的形成。

1.2 巖屑床的危害

巖屑床的形成，增加了環(huán)空泥漿中的固相含量，減小了環(huán)空間隙，容易引起憋泵；巖屑床的存在會使鉆具下部的扶正器產(chǎn)生相當大的扭矩或造成泥包扶正器，從而導致憋鉆；此外，停泵后井眼中巖屑下沉形成臺肩、砂橋，造成砂卡或粘卡。如果巖屑床過厚，會使井眼變成“橢圓”狀，導致起下鉆過程中阻卡，在中完作業(yè)過程中導致電測井遇阻、遇卡。

2 影響攜巖效率因素分析

根據(jù)國內相關研究[1-2]，參考冀東某油田巖屑床厚度半經(jīng)驗公式，如下：

式中：Hc——巖屑床厚度，mm；

DO——井眼直徑，mm；

DPO——鉆具外徑，mm；

DS——巖屑直徑，mm；

E——鉆具偏心度，無因次；

μe——鉆井液有效粘度，mPa·s；

vc——環(huán)空臨界返速，m/s；

va——鉆井液環(huán)空返速，m/s；

ρs——巖屑顆粒密度，g/cm3；

ρm——鉆井液密度，g/cm3；

θ——井斜角，rad；

k——鉆井液稠度系數(shù)，Pa·sn；

n——鉆井液流型指數(shù)，無因次。

設定DO為244.75mm（擴大率10%），一般將井眼直徑的10%作為巖屑床厚度的安全極限值，即在井徑擴大率為10%的情況下，巖屑床厚度的安全極限值Hc(Max)＜244.75mm×10%=24.5mm。設定DPO為127.0mm，DS為5.0mm，E為0.5，ρs為2.62g/cm3，ρm為1.20g/cm3，鉆井液θ600為70，鉆井液θ300為45，分別考察井斜、排量、鉆井液流變性、流態(tài)、鉆具轉速、短起下等對巖屑床的影響。

2.1 井斜角對巖屑床厚度的影響

設定泵沖為95spm（29.58L），分別計算θ為0°～90°形成巖屑床厚度，如圖1所示。由圖1可以看出：井斜超過30°以后，巖屑床厚度已經(jīng)達到安全極限；井斜在60°～70°時巖屑床厚度達到峰值，井斜在70°以后巖屑床厚度和峰值相差不大。

2.2 鉆井排量對巖屑床厚度的影響

設定θ為65°，分別計算泵沖從0～120spm形成巖屑床厚度，如圖2所示。

圖1 井斜角對巖屑床厚度的影響

圖2 排量對巖屑床厚度的影響

由圖2可以看出：泵沖越大，巖屑床厚度越小；泵沖達到120spm時，巖屑床厚度仍然超過安全極限。JPH-451井A靶點施工期間，泵沖一直控制在80spm左右，因此在3100～3200m形成巖屑床是必然的。

2.3 鉆井液流態(tài)、流變性對于攜巖效果影響

（1）環(huán)空鉆井液流態(tài)對巖屑床的影響[3]。在井斜45°以后，鉆井液處于紊流狀態(tài)更有利于斜井段、水平段的攜巖效率提升。在紊流狀態(tài)下，巖屑不存在轉動和滑落情況，能夠均勻分布于鉆井液中，幾乎全部攜帶到地面上來。鉆井液在紊流的情況下，高流速對于井壁的沖蝕嚴重，正好起到對巖屑床的沖刷，達到清理巖屑床的目的。

首先，根據(jù)雷諾數(shù)判斷鉆井液環(huán)空流態(tài)[13]。當Re≥2100為紊流，當Re＜2100為層流，Re計算公式如下：

式中：Re——鉆井液在環(huán)空中的雷諾數(shù)，無因次；

τy——動切力（屈服值），Pa；

μPV——塑性粘度，mPa·s。

設定井斜為65°，泵排量為95spm（29.58L），鉆井液θ600為70，鉆井液θ300為45，計算得Re為224。再次對θ600、θ300在正常范圍內調整，Re始終在200～300之間，即鉆井液在環(huán)空始終處于層流狀態(tài)。

其次，根據(jù)Z值（流態(tài)指示值）判斷鉆井液環(huán)空流態(tài)[13]。當Z≥808為紊流，當Z＜808為層流，Z計算公式如下：

式中：Z——流態(tài)指示值，無因次。

設定井斜為65°，泵排量為95spm（29.58L），鉆井液θ600為70，鉆井液θ300為45，計算得Re為246。再次對θ600、θ300在正常范圍內調整，Re始終在100～500之間，即鉆井液在環(huán)空始終處于層流狀態(tài)，再次驗證了利用Re對環(huán)空鉆井液流態(tài)的判斷。

2）基于三維模型的動態(tài)數(shù)據(jù)，結合GIS技術，實現(xiàn)對人員及故障設備位置的及時掌握，便于進行巡檢管理及開展事故應急處理[5]；

綜上，通過改變環(huán)空流態(tài)達到紊流效果以提高攜巖效率基本不可能實現(xiàn)。

（2）鉆井液流變性對巖屑床厚度的影響。設定θ為65°，泵沖為95spm（29.58L），鉆井液θ600為60，分別計算動塑比在0.1～1.0Pa/mPa·s時形成的巖屑床厚度，如圖3所示。

圖3 鉆井液流變性對巖屑床厚度的影響

由圖3可以看出：當動塑比為0.25Pa/mPa·s時，巖屑床厚度達到峰值；當動塑比超過0.25Pa/mPa·s以后，巖屑床厚度明顯降低。由此可知：調節(jié)鉆井液動塑比可以有效提高攜巖效率，降低巖屑床的厚度，但動塑比過高以后會導致鉆井液流動困難，“裹”氣泡嚴重，嚴重影響定向儀器信號傳遞及鉆井泵上水效率，因此將動塑比控制在0.3～0.4Pa/mPa·s比較合適。

2.4 提高轉盤轉速、短起下對清除巖屑床的分析

（1）提高轉盤轉速有利于提高攜巖效率[4-6]。在大斜度段和水平段，鉆柱在重力作用下，躺在井眼低邊，鉆柱旋轉時鉆柱與巖屑和鉆井液間產(chǎn)生引帶力和撞擊力，該力方向與鉆柱轉動方向相同，在這種引帶力和撞擊力的作用下，鉆屑被撞松并涌向井眼中心，隨著上返的鉆井液向上運移，這兩種作用力隨著井斜角的增加作用力增強，因此大斜度井段效果較為明顯。

（2）統(tǒng)計了2017～2019年部分井短起下節(jié)點以及通井時間，見表1。

表1 2017～2019年施工井A靶點鉆進期間短起下及通井時間統(tǒng)計對比

圖4 通井時間小于50h井與JPH-451井、J72-5-P2井對比

從圖4可以看出：A靶點通井時間小于50h的井，短起下節(jié)點最小井斜在55.7°，大部分井在井斜50°以后還進行1～2次短起下；通井時間較長的JPH-451以及J72-5-P8井在井斜23°以后沒有再進行過短起下；對比可知，及時進行短起下可以有效地破壞巖屑床[7]。

3 JPH-451井A靶點施工概況

JPH-451井是部署在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部的一口三級結構導眼水平井，目的層位于二疊系下統(tǒng)下石盒子組盒1段，設計鉆井周期64d，實際鉆井周期78.5d，超設計鉆井周期14.5d。A靶點電測前通井時間長達347.00h，合14.46d，其中兩次電測均在3175m左右遇阻。從電測曲線上來看，其A靶點井徑規(guī)則，擴大率僅4.89%，井徑曲線見圖5，兩次電測遇阻點沒有明顯的“大肚子”井眼，因此排除物理支撐不足、封堵性能差導致的井壁失穩(wěn)影響，推斷該井A靶點電測前通井時間長主要原因是巖屑床影響。

圖5 JPH-451井A靶點井徑

4 J72-9-P2井A靶點施工針對性措施

（1）由于低剪切粘度更能直觀地放映出鉆井液的懸浮攜巖性能，施工期間控制鉆井液的低剪粘度θ3≥3[12]；

（2）施工泵沖不小于90spm（28L/s）；

（4）每班加入0.5t隨鉆堵漏材料，復配使用SCD、FDL、PSD以及剛性堵漏劑；

（5）鉆進至下石盒子組之前，提高密度至1.20g/cm3，中完控制密度最高為1.21g/cm3；

（6）鉆井液性能：粘度 50～65s；靜切2～4Pa/8～12Pa；動塑比：0.36～0.40Pa/mPa·s；中壓濾失量不大于4mL；固含不大于7%。

5 J72-9-P2井A靶點施工情況

5.1 本井概況

J72-9-P2井是部署在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部的一口三級結構無導眼水平井，目的層位于二疊系下統(tǒng)下石盒子組盒1段，設計完鉆井深4474.52m。井身結構：?311.2mmbit×401m+?222.3mm×3270m+?152.4mmbit×4474.52m。

2019年11月30日，J72-9-P2井于井深2660m完成磺酸鹽復合鹽水鉆井液體系轉型，層位為石千峰組。

5.2 鉆井液性能

A靶點施工期間鉆井液性能，見表2。

表2 J72-9-P2井A靶點鉆井液性能

5.3 鉆井排量及短起下情況

本井造斜點2325m，A靶點施工期間排量一直控制在29L/s，轉盤轉速為35～40r/min。

鉆進期間進行4次短起下，分別是斜深2660m/井斜40.4°、斜深2940m/井斜66°、斜深3103m/井斜73.8°、斜深3232m/井斜83.06°。

5.4 A靶點電測前通井情況

本井A靶點井深3280m，地層盒1組，12月10日1:00接A靶點完鉆通知，使用原鉆具通井短起下5次，于12月11日13:00起鉆完開始測井，期間循環(huán)通井共計用時36.0h。

6 認識與建議

（1）J72-9-P2井A靶點施工期間井壁穩(wěn)定，測井顯示井徑擴大率僅5.61%。A靶點井徑見圖6。

圖6 J72-9-P2井A靶點井徑

（2）J72-9-P2井A靶點電測前通井時間較2018年平均水平降低50%以上，說明采取的措施較好地解決了A靶點施工期間的井壁穩(wěn)定問題，及時清理了斜井段存在的巖屑床，具有較好的推廣應用價值。

（3）建議后續(xù)施工控制低剪粘度θ3≥3，同時控制動塑比在0.4～0.5Pa/mPa·s，n在0.4～0.7之間，繼續(xù)觀察效果。

（4）建議在A靶點施工期間將轉盤轉速調節(jié)到60～70r/min，提高鉆屑的上返能力，進一步降低巖屑床厚度。