水平井的減摩降阻技術研究

于長華

（大慶鉆探工程公司工程技術處，黑龍江大慶163000）

三肇地區致密油勘探開發主要目的層為泉頭組的扶余油層，研究區域構造上位于松遼盆地中央坳陷區三肇凹陷南部，扶余油層主要受南部物源控制，縱向上主要含油層段位于扶一組和扶二組。該區塊井設計二開技套下深為姚家組葡萄花油層以下20m；三開主要是青山口組和目的層泉頭組。該區塊水平井使用的是水基鉆井液體系，并且設計的水平段一般較長，因此施工摩阻扭矩特別大。

1 井眼軌跡優化

合理的井眼軌跡是減摩降阻的重要因素，它能夠減少井下復雜，保障水平井安全鉆進。

1.1 降低造斜率

以三維井肇平23-平1井為例：從鄰井施工來看，使用PDC鉆頭馬達造斜率不一定能達到要求，后期大段扭方位以及進入泉頭組后，鉆遇紫紅色泥巖時，鉆速不足1m/h，影響施工效率,且整個造斜段曲率較高，施工難度較大。

（1）鑒于已施工的肇平23井偏移距400多米，造斜段扭較大方位，定向施工托壓嚴重；水平段施工后期摩阻扭矩大，施工難度非常大。而肇平23-平1井與其是同平臺施工井，偏移距也達到400多米。為了順利打成肇平23-平1井，現場對其軌跡進行優化，設計出了三種施工方案：

方案一：增加大井眼定向，降低下部施工難度。造斜點上移至1310m，311.2mm井眼定向，鉆至1527m，垂深1516m中完與工程設計保持一致，大井眼定向曲率4.5°/30m，長度為217m，難度不大。215.9mm井眼可正常使用旋轉導向，在井斜76°時扭方位41.56°，最大曲率位3.31°/30m，鉆井深度減少約224m，同樣實現地質開發目標，鉆井施工難度比原軌道降低。

方案二：優化三開軌道，降低下部施工難度。1525m開始造斜，曲率6.5°/30m，增斜至70°，段長323m，使用LWD+螺桿，仍存在造斜率不足的可能性。在井斜81.46°時扭方位41.60°，造斜段后期即可使用旋轉導向，施工難度比原設計有所降低。

方案三：優化三開軌道，與原設計造斜2完對齊。1525m開始造斜，曲率5.32°/30m，在井斜75.28°時扭方位74.06°，2372.07m與原設計造斜2完對齊，對比井眼曲率有所降低。

（2）三種方案與原設計軌道對比如下：通過模擬軟件計算四種軌道方案在下鉆和鉆進狀態下的摩阻、扭矩情況，可以得出，在相同條件下，同一井深3713m，方案一的摩阻和扭矩都最小。因此，三維井肇平23-平1井實鉆時選擇了方案一，通過上移造斜點增加大井眼定向將軌跡優化后，鉆井施工難度比原軌跡大大降低，本井最終順利完鉆并完井。

1.2 井眼軌跡平滑控制技術

由于肇源油田致密油水平井的目的層厚度較薄、油層發育不連續、垂深變化較大，增大了地質導向的難度，著陸段、水平段頻繁調整井眼軌跡，導致施工難度增加。

（1）井眼軌跡模擬。運用模擬軟件計算兩種軌跡的摩阻扭矩，可以得出源211-扶平6井實鉆軌跡的摩阻扭矩較設計明顯偏大。而實際施工過程中正是由于水平段導向追層時，頻繁調整井斜，導致后期摩阻扭矩顯著增大，起下鉆阻卡嚴重。

（2）現場為了保證施工井眼軌跡平滑，采用了以下措施：充分發揮地質錄井作用，建立工程與地質一體化的導向模式，積極做好軌跡預判；堅持少滑動、多轉動、微調及勤調的原則；一旦目的層走向發生較大變化，保證軌跡平滑過度，不能只為了跟層而不考慮井眼軌跡。

（3）試驗效果。運用模擬軟件計算兩種軌跡的摩阻扭矩，可以得出肇平23井實鉆軌跡的摩阻扭矩較設計增加不明顯。實際施工過程中雖然在水平段調整井斜追層，但也是平緩過渡，本井施工順利。

2 清砂工具的應用研究

水平井最為突出的體現是鉆具容易貼近井壁下側，巖屑顆粒在重力作用下容易沉積在下井壁，形成巖屑床，從而使鉆柱扭矩增大、摩阻增大，導致鉆壓不能全部傳遞到鉆頭、螺桿鉆具定向托壓、機械鉆速慢、起下鉆阻卡甚至鉆進中直接造成沉砂、粘吸卡鉆等問題，直接影響到鉆井作業的正常進行。

2.1 大斜度井段巖屑運移機理

在大斜度井段，巖屑的運移機制與直井段有很大不同。大斜度井段顆粒速度見圖1，隨著井斜角的增大，鉆井液環空實際返速Va在垂直方向的分量鉆井液的上返速度Vs逐漸變小，當Vs＜Vh時，巖屑顆粒會向下井壁沉降，在下井壁上形成巖屑床。在井斜角進一步增大的情況下，鉆井液環空流速Va在垂直方向的分量越來越小，在井斜角達到90°的情況下，此分量甚至變小為零。因此，巖屑顆粒在垂直方向由于受到重力作用，而又沒有相應的垂直向上的速度將其舉升起來的情況下，很容易沉降在下井壁底部形成比較穩定的巖屑床，井眼清洗起來很困難。

圖1 大斜度井段顆粒速度示意圖

2.2 井眼環空的流態

當流速較小時，流體分層流動，互不混合，稱為層流；逐漸增加流速，流體的流線出現波狀擺動，擺動的頻率和幅度隨流速增加而增加，此種流況稱為過度流；當流速增加到很大時，流線不再清晰可辨，流場中有許多小漩渦，稱為紊流[4]。

層流時環空內流速分布不均勻，環空中巖屑在鉆柱旋轉情況下巖屑更容易被推向井壁，而由于井壁和鉆柱處軸向流速較低，因此巖屑可能由原來的上升變為開始滑落。在滑落過程中，有的巖屑貼在井壁上形成“假泥餅”。

紊流時由于流體質點間的互相摻混和碰撞，使得各流體質點的運動方向雜亂無章，因此導致了過流斷面上的速度分布比較均勻。在這種流場中，巖屑上升一般不存在翻轉現象，是一直上升。

研究表明，不同流態的鉆井在不同的井斜角下的洗井效果是不同的：井斜角小于30°的井段，層流凈化效果更好；井斜角在30°～60°井段，液體流態幾乎不影響井眼凈化效果；井斜角大于60°井段，紊流凈化效果更好。

但是，要達到紊流需要的鉆井液排量較大，必然受到地面泵壓和泵功率的限制，也因此會影響泵功率的合理分配。而且對于環空面積較大或高粘、高切力鉆井液的情況，環空紊流通常難以實現。

2.3 清砂鉆桿的結構與原理

在排量、鉆井液性能等條件一定的情況下，如何更好地利用鉆井液紊流時流體質點的橫向脈動對井壁巖屑床產生的沖刷作用來提高水平井返砂效果。清砂鉆桿包括內螺紋接頭、外螺紋接頭和中間帶葉輪結構。清砂鉆桿依靠自身特定的幾何結構，使其周圍流場發生劇烈的變化來破壞和清除巖屑床[6]，其工作原理主要體現在以下幾個方面：

（1）清砂鉆桿周圍的環空截面積比鉆具表面積大得多，流體流經其截面，速度會迅速增大，這有利于巖屑的攜帶和對井壁沉積巖屑的剪切清除；

（2）工具的直棱和V形葉片會使周圍的流體方向發生改變產生旋流，而且，清砂鉆桿快速旋轉也會使其周圍的流體產生旋流，對流體進一步增壓，提高流速，尤其是下井壁附近產生更強的剪切速度，這將對沉積于井底的巖屑產生更有效的清除；

（3）工具的槽道采用三段式結構，按照不同導程設計，使得鉆桿可以在不同的角度去除巖屑，使巖屑清除效率更高。

2.4 清砂鉆桿的現場應用效果

為了進一步驗證清砂鉆桿的應用效果，肇平24井在三開作業鉆具組合中加入了清砂鉆桿，鉆具組合方式：從加重鉆桿開始，每隔5柱鉆桿加一根清砂鉆桿，一共入井5根。與沒有加入清砂鉆桿的源357-扶平9井進行鉆井參數對比，可以知道，對于相同的地層、鉆井液等參數，肇平24井相比源357-扶平9井，泵壓遞增較平緩，扭矩較低，上提下放摩阻較小。

同時，根據現場監測，正常鉆進時鉆具組合有清砂鉆桿的肇平24井，在單位進尺下巖屑返出明顯較多；循環劃眼時，憋泵、憋頂驅的情況明顯減少。因此說明清砂鉆桿確實提高了水平井的井眼凈化程度，減少了巖屑床的存在。

3 結論與認識

（1）通過井眼軌跡優化技術可以達到減摩降阻的效果，減少井下復雜事故，提高施工效率。

（2）通過在鉆具上加裝清砂鉆桿改善環空中流場，提高鉆井液對巖屑顆粒的輸送效率，提高水平井井眼凈化程度。這樣可以有效減少鉆柱的摩阻和托壓等問題，減少井下復雜事故的風險，提高鉆井效率。