复杂结构井井眼清洁技术研究进展

孙晓峰 ，闫铁 ，王克林 ，焦建军 ，张杨

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油集团海洋工程有限公司天津分公司，天津 300450；3.中国石油塔里木油田公司油气工程研究院，新疆 库尔勒 843300）

复杂结构井包括大位移井、水平井、多分支井等井型，广泛应用于海洋油气田开发、老油田稳产增产和低渗透油气田开发［1-2］；然而，复杂结构井钻井时大斜度井段和水平井段易出现井眼清洁问题，尽管采取了很多井眼清洁方法，井眼清洁问题导致的钻井事故仍时有发生，且处理卡钻的成本很高［3］。我国南海西江24-A14大位移井在φ311.15 mm井段钻进时，井眼清洗不好导致严重的卡钻事故，最终在井深4 502 m处将钻具卡死［4］。四川油田隆40-1大斜度井在钻井过程中，由于井眼清洁问题多次卡钻，最终在2 288.87 m将钻具卡死，致使填井后侧钻［5］。长期以来，国内外学者对大斜度井段和水平井段井眼清洁问题开展了大量研究，并取得一定成果；但井眼清洁的影响因素很多，岩屑运移过程复杂，难以准确预测岩屑床的厚度或面积。本文系统阐述了影响井眼清洁的主要因素，以及描述岩屑运移规律理论模型的研究成果和最新进展，讨论了岩屑床清洁工具与清洁技术的发展趋势，以为今后深入研究井眼清洁问题提供参考。

1 井眼清洁主要影响因素

在钻井过程中，影响井眼清洁的因素主要包括环空流速、流变性、井斜角、机械钻速、钻井液密度、岩屑尺寸和密度等［6］。其中，环空流速、流变性、井斜角是影响携岩的主要因素［7］，而钻杆旋转则使环空岩屑运移规律更加复杂。

1.1 环空流速

在大斜度井段和水平井段，钻井液均匀悬浮岩屑形成拟单相流动时，携岩效率最优。钻井液流速是抑制岩屑床形成的重要参数，数值模拟研究表明（见图1），钻杆旋转把岩屑上甩至环空高边的高速流核区，即“传送带”，并利用传送带来完成岩屑运移［8］。实验分析及理论研究表明，随着环空流速的增加，环空紊流强度增加，对已形成的岩屑床产生破坏，使得环空岩屑总体积分数、岩屑床面积/环空面积、岩屑床厚度减小。陈俊等［9］的清水携岩实验表明，环空流速从0.55 m/s增至1.05 m/s时，环空岩屑总体积分数由32%急降至6%。Ozbayoglu等［10］从机械钻速为9 m/h的水平井段实验发现，当环空流速由0.6 m/s增至1.2 m/s时，岩屑床面积/环空面积由0.6%减小到约0.2%。汪志明等［11］考虑颗粒沉降受阻时的2层模型模拟表明，当环空流速从0.6 m/s增至1.2 m/s时，岩屑床厚度则从6.6 cm减少到约4.8 cm。

图1 环空流场模拟

1.2 钻杆转速

大量现场和室内实验均表明钻杆旋转有助于岩屑运移［12-14］。Ozbayoglu 等［14］通过实验得出，当钻杆转速由0 r/min增至40 r/min时，岩屑床面积/环空面积由49%骤减至28%，但当钻杆转速继续增至120 r/min时，其面积比值仅减至20.5%。显然，钻杆转速对携岩的影响存在一个临界值，当钻杆转速达到临界值后，继续增加转速对井眼清洁的影响不大［15］。Bassal［16］，Sanchez 等［17］发现钻杆旋转对水平井段的井眼清洁效果很好。Saasen等［18］研究表明，在油基钻井液形成的岩屑床中，岩屑处于分散状态，钻杆旋转只能把床面颗粒带入流核区；而在含聚合物的水基钻井液形成的岩屑床中，岩屑处于联结状态，钻杆旋转使更多的岩屑进入流核区。所以，钻杆旋转对井眼清洁程度的影响除了钻杆转速外，还与井斜角、岩屑床性质有关。

此外，用计算流体力学软件（CFD）模拟发现，在偏心环空钻柱旋转带动液、固相作类螺旋流动［19］，并沿着旋转方向不断将动量传递给贴近钻柱表面的一层岩屑颗粒，岩屑不断向另一侧滑移，表面岩屑颗粒将带动其下面岩屑颗粒作沿井壁的周向（切向）运动，偏心环空右下侧岩屑体积分数大，左下侧体积分数小（见图2）。

图2 钻杆旋转数值模拟

1.3 钻井液流变性

钻井液流变性是改善井眼清洁较为主要的可控因素之一［20］。 Rishi等［6］控制排量在 45 m3/h，用 n 为 0.52，K为855 mPa·sn的钻井液在层流下测得 90，87°井斜角对应的岩屑床厚度分别为91.44，86.36 mm；当排量升至90 m3/h时，用n为0.58，K为97 mPa·sn的钻井液在湍流下测得90，87°井斜角对应的岩屑床厚度分别为2.54，0 mm。该实验表明，在水平井或近水平井中，岩屑床表面的剪切力对岩屑运移起到了关键作用，低黏度流体以高速湍流流态泵入比高黏度流体以层流流态泵入有更高的井眼清洁效率。Walker等［21］在水平井段分别用水、HEC凝胶和Xanvis聚合物的携岩实验表明，HEC和Xanvis比水更有助于携带岩屑。

Okrajni等［22］观察到井斜角为 0～45°时，屈服应力对井眼清洁的影响显著；当井斜角为45～90°时，影响可以忽略。他们还发现在层流流态下，增加动塑比可以改善岩屑运移效果，而在紊流状态下，钻井液流变性对岩屑运移没有影响；因此，钻井液的屈服应力和动塑比也会影响井眼清洁。

1.4 井斜角

Okrajni等［23］观察到井斜角为 45～55°时，岩屑难以清除。 Zamora 等［12］把井斜角分成 4 组，即 0～10°，10～30°，30～60°和 60～90°，发现在 30～60°井段岩屑床最难清除。虽然不同文献给出的范围不尽相同，但岩屑难以运移的井斜角区间为 30～60°［24-25］，CFD 模拟表明（见图3），在该井段偏心环空低边存在逆压差，导致岩屑床加速下滑。Li等［25］通过实验发现，井斜角会影响岩屑床厚度。实验中控制排量为8.33 L/s，机械钻速为40 m/h，当井斜角由60°增至90°时，岩屑床厚度则由6.35 cm增至7.62 cm，水平井段的岩屑床厚度或面积最大；但相对于30～60°井段在重力和逆压差作用下岩屑床沿井眼向下滑移，水平井段岩屑床不存在滑移，岩屑床更容易清除。综上所述，当钻至井斜角为30～90°时，由于钻井液携带效率下降会导致岩屑床形成，为了安全钻井，需要采取相应的措施。

图3 环空压降模拟

2 井眼清洁理论数学模型

为研究实钻过程中大斜度井段和水平井段的岩屑运移规律，很多学者开展了大量的室内实验和现场试验，建立了描述岩屑运移规律的数学模型，归纳起来可以分为经验模型和分层理论模型。这些模型为水平井、大位移井等复杂结构井钻前水力学参数设计提供了合理的理论依据。

2.1 经验井眼清洁模型

刘希圣等［26］忽略钻柱旋转和井斜角的影响，建立了定向井（井斜角大于40°）环空岩屑床厚度的半经验模型，模型与实验数据的平均误差小于10%。周风山等［27］根据偏心环空中的两相流流动规律，建立了用于计算水平井岩屑床厚度的理论模型，结合室内实验数据及优化理论，提出了预测岩屑床厚度的半经验公式，并用于SP-1井岩屑床厚度的预测。Ozbayoglu等［28］应用π定理定义了一组无量纲参数，在钻杆完全偏心但不旋转的条件下，通过大量实验回归出岩屑床截面面积模型，模型误差小于15%。

以下模型均考虑了钻柱旋转的影响：汪海阁等［3，29］通过大量室内实验，得到了水平井段岩屑运移规律，采用多元参数统计方法回归实验数据，得到了水平井段环空岩屑床厚度的经验模型，模型与实验数据的平均误差小于8%；李明等［19］选择φ215.9 mm井眼及φ127.0 mm钻柱作为环空尺寸，同时取钻柱偏心度为0.5，选择轴向长度为20 m的物理模型，用CFD进行模拟，并利用模拟结果建立了岩屑床厚度模型。

以上经验模型计算方便，但无法从本质上揭示岩屑运移规律，且适用范围较窄；因此，需要对理论模型进行深入研究。

2.2 2层井眼清洁模型

Gavignet和 Sobey［30］在借鉴 Dukler［31］固液管流理论的基础上，首次将井眼环空携岩流域平行划分为岩屑床和悬浮层。模型假设岩屑已经沉降到井眼低边，并形成岩屑床，悬浮层为纯钻井液，同时钻杆不旋转。与此假设类似，刘希圣等［26］建立了定向井（井斜角大于 40°）的2层井眼清洁模型，运用反推法对模型求解。Martins等［32］、汪 志明 等［11，33］在 Gavignet和 Sobey 模型的基础上，引进扩散方程以描述岩屑床厚度与悬浮层岩屑浓度分布的关系。考虑到岩屑在环空运移过程中存在滑脱现象，Santana 等［34］以 Doron［35］管流理论为基础，建立了2层井眼清洁模型。汪海阁等［29］应用固、液两相流体力学的基本理论，结合实验中观察到的岩屑运移情况，从紊流的紊动扩散作用出发，建立了水平井段的2层井眼清洁模型。Kamp等［36］在考虑岩屑沉降与悬浮的基础上，建立了大斜度井的2层井眼清洁模型，并利用无量纲矩阵进行模型求解。Espinosa-Paredes等［37-39］运用体积平均法建立了2层井眼清洁模型，但没有给出具体的求解方法。

以上模型都是2层稳定井眼清洁模型，无法描述岩屑在环空中的运移和累积过程，特别是在斜井段和水平段，容易产生较大误差［40-43］。 Martins［44］、汪志明［45］等考虑了井壁坍塌掉块，将井壁稳定与岩屑运移问题作为整体考虑，建立了大位移井不稳定井眼清洁模型，并用有限体积法求解。Suzana等［46］在考虑悬浮层固液耦合作用的基础上，利用漂移模型，研究了岩屑的2层不稳定运移模型。

2.3 3层井眼清洁模型

Sharma［47］把 Gavignet和 Sobey 模型中的岩屑床分成移动和静止2种，即环空存在3层流动状态，模拟结果与实验数据吻合很好，但模型封闭方程的信息较少。在Nguyen等［48］的3层模型中，悬浮层的速度梯度遵循Wilson［49］的分布规律，但悬浮层只有钻井液，且没有明确每层流动的边界条件。 Cho 等［50-51］在Doron 管流模型［52］中引入流速，并考虑了钻井液流变性、岩屑形状和浓度、连续油管的偏心，建立了满足连续油管钻井的3层模型，模拟结果与Nguyen等的数据基本一致。

以上模型均忽略钻杆旋转，且为稳定井眼清洁模型。郭晓乐等［53］根据固液两相流理论，综合考虑岩屑的悬浮、滚动和滑动运移方式，悬浮层固液相速度差及钻杆旋转的影响，建立适用于大位移井全井段的3层岩屑动态运移模型，并通过SETS（stability enhancing two step）方法求解。

3 岩屑床清洁工具

在抑制岩屑床形成的技术中，改进钻井液性能或提高排量均会增加作业费用；而机械法清除岩屑床则是利用钻柱旋转的机械能，不需要额外能量输入，节约成本，所以近几年机械法抑制岩屑床工具［54-56］的研发倍受重视。

工具设计通常借助CFD商用软件。其结构包括旋流短节、保护接头等，利用钻杆提供的扭矩旋转破坏岩屑床，使岩屑均匀悬浮。岩屑床清洁工具结构设计的难点，一方面是如何在破坏岩屑床的同时，不增加钻柱的摩阻和扭矩；另一方面是工具短节如何有效增加对钻井液的推力，使岩屑均匀悬浮。鉴于该工具的优点，应大力研发和推广同类工具。

4 井眼清洁技术展望

4.1 提高井眼清洁数学模型精度

随着岩屑运移规律研究的不断深入，以分层理论为基础的2层和3层理论清洁模型得到了充分发展。考虑到环空岩屑运移过程的复杂性和影响因素的多样性，现有模型仍无法准确描述钻杆旋转下的岩屑运移规律，亟需先进的实验装置进一步研究岩屑运移规律，以及新的理论方法描述岩屑运移过程。在经验模型方面，由于实验条件和数据处理方法的限制，计算结果与井眼实际相比还存在一定差距。相对于分层理论模型，经验模型具有运算速度快、易于编程的优点，但预测精度仍需要在未来通过大量室内实验和现场试验反复验证加以提高。

4.2 建立井眼清洁监测系统

为了更好地解决复杂结构井的井眼清洁问题，可以建立一套实时监测数据处理的快速反馈系统，实时收集旋转系统、循环系统、井下系统等的有效数据，以反映当前的井眼清洁情况，同时用于预测将来的井眼清洁状况以及面临的作业风险，以便快速准确地决策是否采取岩屑床抑制措施防范井下事故。Martins［57］和Nazari［58］等对建立井眼清洁监测系统进行了研究，并在现场进行了初步尝试。但建立一套完整的实时采集与控制系统，仍需要更多的现场试验和模型验证。

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