浅层水平井岩屑床生成机理及应对措施浅析

2016-09-01凌虹

中国设备工程 2016年7期

关键词：斜角环空岩屑

凌虹

（长城钻探装备部，北京 100101）

浅层水平井岩屑床生成机理及应对措施浅析

凌虹

（长城钻探装备部，北京 100101）

在浅层水平井施工过程中，因油层埋深浅、地层疏松、井壁不稳定、易出砂、钻井循环排量无法保证，井眼净化难度大，施工中极易因井眼净化问题而导致环控憋堵，进而造成井漏、卡钻等复杂情况和事故，同时因井眼净化不彻底，会导致后期完井管柱无法顺利下入，造成更为复杂的情况。本文通过应用系列工具，破坏岩屑床、提高携岩效果，达到井眼净化的效果。

岩屑床；井眼净化；摩阻

0 引言

浅层水平井施工中，地层埋藏浅，造斜段短，井眼曲率大，地层松散，井眼尺寸大，极易出砂，为保证井眼安全，不得不降低排量钻进及循环，导致井眼中岩屑，尤其在大井斜井段（井斜超过45°），极易生产岩屑穿，影响到水平段钻井及后期完井管柱的顺利下入，甚至造成卡钻、填井、侧钻、整井报废等事故，造成重大经济损失。因此，必须应用相应技术解决在浅层水平井钻井过程中容易出现的井眼净化不彻底的难题。

1 岩屑床形成的过程及其造成的危害

钻井施工中，当井眼的井斜角大于45°后，受重力作用的影响，整个钻具会斜躺在已钻井眼的下井壁，钻具与上井壁距离加大，在井眼中容易形成“偏心环空”,即环空切面为月牙状。在偏心环空内，钻井的流速不均匀，即空间缝隙大的位置，钻井液流动阻力小，流速快；间隙小的位置，钻井液流动阻力大，流速小，而岩屑需要在钻井液的流动下被向上携带，进而携带出井眼，流速的不均匀极易导致流速小的位置岩屑发生沉降，落在下井壁的位置，岩屑堆积较多后即形成岩屑床。当钻井液循环停止时（停泵），岩屑会以更快的速度沉积在下井壁处，更加速了岩屑床的形成，岩屑床形成之后会给安全钻井带来隐患。

首先大量岩屑床的存在会给紧贴下井壁的钻具带来极大的附着力，即钻具转动时产生扭矩增加，上下活动钻具时也会极大的增加钻具的摩阻力。容易在钻井施工中发生卡钻事故。同时岩屑床的大量存在会导致完井下套管、固井作业发生困难，水泥封固质量差。

2 井眼净化的影响因素

2.1 钻井液的循环排量

钻井液的循环排量是影响井眼净化程度最重要的参数之一，相同尺寸井眼，循环排量大，则环空返速高，循环排量小，则返速低。环空返速影响到岩屑的运移效果，如果返速不够高，岩屑不能及时被带离井底，将会导致在大井斜井段，尤其是水平井段岩屑床，大段厚的岩屑床会对钻具产生卡钻威胁。

2.2 井斜角

井斜角的存在，为岩屑床的形成的提供了条件，主要是井斜角的大小决定了岩屑床的形成厚度；钻井过程中，无论使用清水还是具有良好流变性的钻井液，都不能改变岩屑浓度、临界流速会随井斜角的增加而增加的事实，同时受到井斜角的影响，钻井液对岩屑向上运移的力量会大幅度降低，从而导致钻井液携岩效果下降，运移不充分。

通过现场应用总结出，随着井斜角增大，钻井位移增加，钻井液对岩屑的携带能力会降低，携岩越来越困难。实践总结出当井斜角大于60°后，钻井液中的岩屑极易在下井壁形成岩屑床，且不易被清除干净，这就导致了钻井施工中起下钻困难，严重时会发生卡钻等复杂情况，给钻井施工设下极大隐患。

2.3 井眼环空返速

井眼内环空返速直接影响到环空岩屑的运移方式及运移状态，导致岩屑浓度发生极大变化。有研究表明，处于井眼中岩屑的临界返速会随井斜角的变化发生变化，即井斜角越大，临界返速越大，相反，井斜角降低，需要的临界返速下降。

2.4 钻井液流变性能

钻井液流态是指钻井流动时呈现的层流状态或者是紊流状态。当钻井液处于层流状态时，钻井液流速较低，可以通过提高钻井液的动切力和动塑比，降低环空岩屑浓度，从而提高钻井液携岩效果。在大斜度井施工中，当井斜角较小时，钻井液的动切力作用非常明显，但随着井斜角的增加，其动切力作用明显减弱，但动塑比对携岩的影响仍然较大。因此，现场施工中，当钻进至大井斜井段时，通常会提高钻井液的动塑比，从而提高岩屑运移效果。

2.5 钻具旋转速度

在现场钻井施工中，尤其是在水平井施工中，旋转钻具可以提高岩屑的清除效果，因为通过钻具的旋转一方面可以改变钻井液的流态，将钻井液的流态调整为紊流状态，从而增加了环空钻井液的紊流度，使处于岩屑床上的岩屑被搅动起来，增大岩屑融入钻井液比例，进而把运移中的岩屑带入环空高速区，增大了岩屑运移距离，从而减少环空岩屑含量及固向浓度；另一方面是通过转动钻具可以将井壁及井眼中的大块岩屑挤压研磨生成小颗粒，小颗粒的岩屑更有利于被钻井液携带，从而离开井眼，保证了岩屑浓度下降。

2.6 钻井液密度

钻井液密度与其对岩屑的悬浮能力直接相关，当现场钻井液中岩屑含量较高时，通常会提高钻井液密度，这样既可以提高钻井液拖拽岩屑的能力，又可以保证当停泵时，静止的钻井液对岩屑具有较高的悬浮能力，有利于岩屑的携带，同时也有利于平衡地层坍塌应力，防止地层坍塌和泥页岩的剥落掉块增加环空中有害固相的含量，改善了钻井液携岩效果。

2.7 钻进速度和岩屑尺寸

现场钻井时，钻进速度越快，从地层中返出的岩屑就越多，钻井液中固相含量就越高，越容易在井壁生成岩屑床；岩屑颗粒尺寸的大小，影响到其在钻井液中浮力，岩屑浮力与其自身重力之间得关系，直接影响其随钻井液携带出井眼的效果，岩屑尺寸太大，不易被携带出井眼，因此对井眼清洁起到负面影响。

3 应用实践

通过对井眼净化效果影响因素的分析和经验总结，工程师在钻井施工中通常会采用以下五种技术措施来提高井眼净化效果：一是通过维护钻井液的性能，使其各项性能指标达到预期要求，即提高钻井液的悬浮能力，来保证钻井液对岩屑产生的上浮力大于岩屑自身的重力，或者最大限度地克服岩屑的下沉力，使其下沉能力下降；二是通过理论计算，调整钻井参数，即调整钻井液的排量、返速，使钻井液的流态达到平板型层流状态，这样有利于将钻井液中携带的岩屑向上运移带出井眼；三是最大限度的利用好固控设备，加强四级净化，及时将钻井液中的岩屑清除掉，岩屑量的降低可以有效降低钻井液中固控含量，有利于井眼的净化；四是制定合理的施工措施，现场钻井中，通过钻完一定长度井段、经历一定长度的施工周期后，进行短程起下钻，这样不仅可以降低岩屑产生的数量，同时可以通过钻具的运动，利用机械方式将岩屑向上运移，当钻井液再次循环时将岩屑带出井口，最大限度实现井眼净化；五是通过研究，研制专用工具提高井眼净化效果。

应用井号：JL-H2井

地层描述：

井段：530~970 m

地层：姚家组

岩性：紫红色泥岩，棕褐色粉砂岩

井身结构（图1）：

图1

钻具组合：

f241.3 mmBIT＋f197 mm旋流短接＋ f197 mm1.25º螺杆＋f197 mm定位短接＋f197 mmNMDC ＋f127 mmHWDP＋f127 mmDP×100 m＋f127 mm旋流短接＋f127 mmDP×100 m＋f127 mm旋流短接＋f127 mmHWDP＋f127 mmDP，如表1所示，效果对比如表2所示。