水平井井眼清潔影響因素研究

王瑞琦

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413）

1 概述

水平井作為一種日趨成熟的高效油氣開采技術，目前已經廣泛應用于常規油氣藏、頁巖氣、煤層氣等油氣資源的開采中[1-2]。在井下高溫高壓環境下，裸眼井段的井壁穩定和井眼清潔效率密切相關。造斜段和水平段最容易發生井眼清潔問題[3-4]。低效的井眼清潔會大幅度提高鉆具在地層中的摩阻和扭矩，嚴重的還會造成卡鉆、漏失，在測井和固井階段也會受到影響，從而增加非生產時間，提高鉆井施工成本。因此有必要從井眼尺寸、井斜角和鉆井液流態等方面對水平井的井眼清潔問題進行研究，從而為高效快速鉆井提供技術支持[5-6]。

2 不同因素對井眼清潔效率的影響

2.1 機械鉆速的影響

機械鉆速是鉆井施工的重要參數之一，隨著機械鉆速的增加會在固定時間內產生更多的巖屑，從而需要提高巖屑清除效率。在恒定的鉆井液流速下增加機械鉆速會導致鉆屑濃度增加。因此，鉆井液流速必須與機械鉆速同步增加，從而清除增加的巖屑。值得注意的是，單純的增加鉆井液流速并不能完全抵消增加機械鉆速的影響。在其他參數保持不變的情況下，機械鉆速對井筒清潔情況的影響是非常明顯的。提高機械鉆速必須相應地提高鉆井液流速，從而最大限度地減少因鉆屑濃度增加對鉆井施工的影響。

2.2 井眼尺寸的影響

井眼尺寸是影響巖屑攜帶的重要參數之一。Peden等使用直徑為1.7～2.0mm的巖屑配合高粘度水基泥漿進行的測試表明。在任意的井斜角下增加環空尺寸均會影響巖屑懸浮狀態。最小傳輸速度隨著井眼尺寸的增加而增加?？梢哉J為井眼尺寸與巖屑攜帶速度直接相關；井眼尺寸減小，巖屑流動速度增加，可以更有效地清除巖屑。

2.3 偏心率的影響

Okrajni的研究表明，在湍流和層流狀態下，在低傾角（0°～55°）時，鉆柱的偏心率對井筒清潔的影響可以忽略不計；但當傾斜角超過55°后影響變得十分明顯。偏心率在橫截面中產生兩個區域：寬區域和窄區域，流體在較寬的區域內快速流動，而在狹窄的區域內流體緩慢流動。隨著鉆柱旋轉，井壁和鉆柱之間的關系變得更為復雜，導致在給定壓力梯度下流速降低。鉆柱的旋轉使流體以螺旋形式從狹窄的窄區域移動到高速的寬區域，反之亦然。這種流動方式對鉆井液產生交替加速，從而導致井下摩阻增加。在定向井和水平井中，鉆桿偏心對巖屑攜帶均有不利影響。

2.4 鉆柱轉速的影響

隨著轉盤旋轉速度的增加，特別是在大傾角的情況下，巖屑的清潔速度也會增加。鉆柱自身的旋轉會導致二次流動，稱為泰勒旋渦。渦流使摩擦力增加，從而增加了對巖屑床表面的剪切應力，因此產生的剪切應力可以增加巖屑清除效率。表1顯示了鉆柱旋轉對鉆屑輸送的影響。

表1 鉆柱旋轉對對井眼清潔效率的影響

2.5 鉆井液流動形態的影響

鉆井液的湍流形態具有很好的巖屑傳送效率。如表2所示，在湍流條件下，井眼清潔效率受鉆井液流變情況、鉆柱旋轉情況等參數的影響較小，而主要取決于鉆井液流速和密度。在層流情況下，井眼清潔效率主要取決于鉆井液的流變情況（即流型指數n和稠度系數k）的比值n/k。

表2 鉆井液流態對井眼清潔效率的影響

2.6 鉆井液流速的影響

表3列舉了鉆井液流速對巖屑清潔效率的影響情況。該實驗包括了鉆井液相關參數和地質因素（鉆井液類型、巖屑尺寸、流態、傾角）。實驗結果表明，流速對巖屑攜帶有正面影響。臨界傳輸速度(MTV)定義為需要將巖屑顆粒攜帶出井筒所需的最小速度。一旦平均流體速度低于臨界傳輸速度，巖屑床就開始形成。當巖屑床面上方的流體速度能夠將巖屑攜帶至井口而不會使巖屑進一步沉積時，就達到了平衡。鉆井液流速主要由水力參數、泥漿泵排量、當量循環密度決定。

表3 鉆井液流量對井眼清潔效率的影響

2.7 巖屑尺寸的影響

Bilgesu等人的研究表明，流體接觸面積隨著巖屑尺寸的增加而增加，在不同流速下巖屑顆粒尺寸的增大有助于巖屑攜帶。佩登等人的研究結果表明，使用低粘度流體更容易從各個角度攜帶較小的鉆屑。然而，在低傾角(0°～50°)下，使用高粘性流體可以更有效地攜帶較大的鉆屑。Walker和Li使用不同直徑的固體（細顆粒、中顆粒和粗顆粒）和水配制的鉆井液進行了井眼清潔研究，結果顯示中顆粒(0.76mm)比細顆粒（0.15mm）和粗顆粒（7mm）顆粒更難去除。

3 結論

（1）井眼清潔程度差會大幅度提高鉆具在地層中的摩阻和扭矩，嚴重的還會造成卡鉆和漏失，并影響后續的測井程序，從而增加非生產時間，提高鉆井施工成本。

（2）本文從機械鉆速、井眼尺寸、偏心率、鉆柱轉速、鉆井液流動形態、鉆井液流速和巖屑尺寸等多個角度對巖屑清除效率進行了研究分析。研究結果表明：隨機械鉆速、井眼尺寸的增加巖屑清除效率下降；當傾斜角超過55°后偏心率會給巖屑清除帶來負面影響；鉆柱轉速的增加有利于巖屑清除；鉆井液的湍流形態有助于提高巖屑清除效率；鉆井液流速增大對巖屑攜帶有正面影響；巖屑顆粒尺寸的增大有助于巖屑清除。