大庆长垣平行断层定向井井眼清洁影响因素分析

康 宝,韩光明,孙文才,张振华

(1.大庆油田钻井三公司 技术服务分公司，黑龙江 大庆 163000；2.承德石油高等专科学校 科技发展与校企合作处，河北 承德 067000)



大庆长垣平行断层定向井井眼清洁影响因素分析

康 宝1,韩光明2,孙文才1,张振华1

(1.大庆油田钻井三公司 技术服务分公司，黑龙江 大庆 163000；2.承德石油高等专科学校 科技发展与校企合作处，河北 承德 067000)

针对大庆油田长垣断层区的剩余油开采，采用了平行断层定向井技术。考虑到井眼清洁在平行断层定向井技术中的重要性，分析了井斜角与环空返速、井眼尺寸与偏心度、机械钻速、钻柱转速等影响因素，提出了优选排量、提高动塑比、使用高速旋转钻具等措施，保障了平行断层定向井井眼的清洁。

平行断层；定向井；井眼清洁；影响因素

随着大庆油田的开发进入中后期，断层边部剩余油的开采将是挖潜增产的重点方向。而大庆油田长垣断层较多，在以往钻井中为了提高单井控制油层厚度、减少钻井复杂，在靠近断层附近往往布井较少。因此，深入研究经济有效地挖掘断层附近剩余油的方法十分必要。针对大庆油田长垣断层区的剩余油开采，采用了平行断层定向井技术。平行断层定向钻井，井眼轨道沿断层面平行展开，关键技术为定向井参数确定和防碰扫描[1]。在钻进过程中，钻井液携岩既要克服重力，又要克服岩屑与井壁的摩擦阻力，岩屑受力复杂。平行断层定向井施工难点之一就是井眼清洁的问题。岩屑床的形成往往导致转动钻具扭矩增加，钻具上提遇卡下放遇阻，甚至造成卡钻等复杂情况，所以及时清洁井眼尤为重要，其中钻井参数是影响井眼清洁的重点，主要涉及到钻井液的排量、钻杆转速、机械钻速、钻井液携岩等方面。国内许多专家[2-5]针对井眼清洁问题开展了研究，但是针对平行断层定向井井眼清洁的研究则很少。

1 大庆长垣平行断层定向井井眼清洁影响因素

1.1 大庆长垣平行断层及剩余油情况

大庆长垣断层十分发育，长垣北部断层延伸长度超过5 000 m的断层有82条，延伸长度超过1 000 m 的断层有334条，断层累计延伸长度超过1 300 km，断层复杂区面积可达130 km2以上。通过对比大庆长垣北部的中区西部、杏12区、杏6区、南三区西部不同区块断层附近采油井的含水率，发现断层区含水率平均77.2%，非断层区含水率92.3%，说明断层区为剩余油富集区。通过油井动态对比分析：中区西部、杏12区、杏6区、南三区西部区块断层区平均单井日产油1.3～6.7 t，非断层区平均单井日产油1.5～7.8 t，断层区单井日产油量比非断层区低，说明受断层影响注采关系不完善，驱油效果差。大庆长垣北部断层区面积较大，剩余油储量可观，为油田稳产增产提供有利空间，深入开展平行断层定向井研究具有普遍指导意义。

1.2 平行断层定向井技术难度

大庆长垣平行断层定向井技术通过对断层、剩余油分布描述研究，确定断层参数，剩余油分布，为合理布井提供依据，井眼轨道沿断层面展开，随断层倾角不同，井斜角达到30°～70°，可高效开发断层附近剩余油。该项技术存在以下技术难点：

1)井壁稳定难度大。油层段井眼轨道全部接近或可能钻遇断层破碎带，易发生井壁失稳、坍塌、掉块、卡钻等事故。 一旦出现复杂情况及事故，处理难度大。

2)钻井液密度窗口窄。靠近断层破碎带，次生裂缝发育，裂缝开启压力较小，易井漏；由于断层遮挡，长期的注采不平衡往往形成局部高压，易发生油气水侵，钻井液密度窗口窄，调整范围有限。

3)大井斜段井眼轨道长，易形成岩屑床，井眼清洁困难。平行断层定向井沿断层面钻进，井斜角在30°～60°井段较长。井斜角在30°～60°井段是普通定向井和水平井极力避免的区域，该区域重力不稳定，清洁困难，极易形成岩屑床，是一个国际性难题。而大庆长垣断层的倾角一般都在这个范围，因此对钻井液体系要求严格，钻井、完井施工难度高，易卡钻；在断层区钻进，钻穿萨葡高油层组，岩性变化大，判断和控制难度大；同时受地面、地下条件限制，往往需要进行三维绕障设计施工。

1.3 平行断层定向井井眼清洁影响因素

井眼清洁是平行断层定向井的施工难点问题，井眼清洁不好会形成岩屑床，岩屑床的形成往往导致钻具扭矩增加，钻具易遇阻，甚至造成卡钻等复杂情况。例如156号断层两侧破碎带区域是发生严重井漏的重要区域。在以往钻井过程中，由于井眼清洁的问题，在该井区多次发生井塌、井漏，最低密度为1.30 g/cm3，漏失量多到几百方，液面自然下沉，导致无法正常施工。其中钻井参数是影响井眼清洁的重点，主要涉及到钻井液的排量、钻杆转速、机械钻速、钻井液携岩等方面。

2 钻井参数与井眼清洁的关系

井眼清洁技术要求钻井液有较好的性能参数，钻井液悬浮和携带钻屑能力强，保证井眼干净，避免沉砂造成钻井复杂事故，解决这一问题的技术关键是改善钻井液的流变性，提高钻井液的静切力，阻止和减缓钻屑下沉。在平行断层段钻屑易沉到井壁形成钻屑床，循环时通过调整钻井液流态冲洗岩屑床，使其顺利返到地面。为保证平行断层定向井的井眼清洁，明确钻井参数与井眼清洁的关系，采用实验和理论结合的方法进行了研究。

2.1 井斜角与环空返速

井斜提供了岩屑床形成和存在的条件，岩屑床厚度与井斜角大小密切相关。一般而言，井眼净化程度则随井斜角的增加而下降，环空岩屑总浓度、临界流速均随井斜的增大而增大，其最高值在井斜角30°～60°。在该井斜角范围内，当岩屑逐渐在环空的底边沉淀并堆积成岩屑床时，钻井液只能从环空的高边通过，岩屑床会越积越厚。根据“boycott”效应原理，静态下井眼高边到低边环空钻井液中悬浮的岩屑颗粒的直径和浓度均成由小到大的垂直分布，沉积于低边的岩屑则形成岩屑床，并由此引起井眼横断面上的钻井液密度差而形成压力不平衡，造成局部对流趋势，使岩屑床向下滑移，从而加速岩屑沉淀，严重时会引起井眼堵塞甚至引发卡钻。根据室内试验结果，在钻井液性能一定的情况下，井斜角、岩屑浓度和环空返速的关系如图1所示。

由图1可以看出，在井斜角和钻井液性能确定条件下，环空返速越高，则岩屑浓度越低，存在形成岩屑床的临界环空返速，当实际环空返速高于临界环空返速值时，不形成岩屑床。提高环空返速对井眼净化有利，但又存在压耗增加、钻井泵功率受限、冲刷井壁而造成井壁失稳等负面效应等问题。

2.2 井眼尺寸与偏心度

钻具偏心度和井眼与钻杆直径比对岩屑浓度有一定程度的影响，其关系如图2、图3所示。

由图2可以看出，当井眼尺寸与钻杆直径比较大时，井眼与钻杆之间环空较大，岩屑浓度降低；当井斜角较小时，钻具的偏心度对携岩能力的影响可以忽略不计，但当井斜角较大时，需考虑偏心度的影响。由图3可以看出，钻具的偏心度对岩屑的影响较大，随偏心度的降低，岩屑浓度降低，所以，减小钻具偏心度或者增大井眼与钻杆直径比有利于携岩。因此，实际钻井中，在保持环空返速不变和其他条件允许的情况下，应尽量采用大直径井眼，并尽量使钻具处于同心位置。

2.3 机械钻速

机械钻速对岩屑床有着较大的影响，当钻进速度过高时，岩屑增多，会造成环空岩屑浓度过大，岩屑床厚度增加，在大位移井段为了避免形成过厚的岩屑床，通常会对机械钻速进行适当的控制，需根据排量确定最高机械钻速。

2.4 钻柱转速

钻柱转速对井眼清洁具有较大的影响，高转速的钻柱有利于形成紊流，并搅动井眼低边的岩屑床，迫使岩屑上返，最终被带出井眼，从而减少岩屑床，提升井眼清洁。因此，在实际钻井中，可以适当提高钻柱转速。

3 提高井眼清洁的途径

在现场施工中，通常采取改善钻井液性能，提高钻井液悬浮能力，合理控制钻井液排量、钻井液上返速度，利用好固控设备，加强四级净化，及时清除钻井液中岩屑，降低钻井液中固相含量等措施来提高井眼清洁的效率。

3.1 优选排量、提高环空返速

在钻井过程中，排量小达不到洗井效果，不利于井眼净化。虽然钻井液在环空中上返速度越快，越有利于携带岩屑。但是排量过大，会冲蚀井壁，造成上部松软地层垮塌，因此，要优选排量和环空返速。室内研究结果证实了应用紊流的多质点运动清洗钻屑床的效果非常好，把钻井液作为塑性液体考虑，塑性液体紊流和层流的临界返速为：

(1)

式中：V临界为钻井液上返临界速度，m/s；η为钻井液塑性黏度，P；ρ为钻井液密度，g/cm3；τ0为动切力，dynes/cm2；D为井径，cm；d为钻柱外径，cm。

通过测量钻井液性能，求出临界速度的大小，再利用临界速度求出钻井泵的临界排量，即：

Q临界=12.7×V临界(D2-d2)

(2)

式中：Q临界为泵实现紊流和层流的临界排量，L/s。

在钻井液性能稳定的情况下，经过测量钻井液性能和控制泵的排量，即可实现钻井液紊流和层流的转换。根据现场实践和理论计算，在大庆长垣平行断层定向井施工中，对于Φ220 mm井眼，在30°～60°井斜角区间井段，排量优选范围为32～35 L/s，临界环空返速为0.9～1.1 m/s。

3.2 提高动塑比、改善钻井液性能

为了提高钻井液的携岩能力，通过提高动塑比，来提高井眼清洁效果。根据现场实践和理论计算，在大庆长垣平行断层定向井施工中，控制动塑比在0.35～0.70，动切力大于2P，严格控制初切力和终切力差值，避免钻井液触变性过大带来的各种不利影响，以及起下钻过程中产生过高的抽吸和激动压力。

3.3 尽量使用高速旋转钻具、坚持短起下钻

在条件允许的情况下，尽量使用高转速复合钻进，对于破坏岩屑床有明显的效果。进入30°～60°井斜角区间井段，每钻进200 m，坚持短起一次，修复井壁。对于岩屑床严重的井段，可以采用划眼的方式破坏岩屑床。另外在大斜度定向井中钻具组合要尽量简化，使用加重钻杆替代钻挺。

4 现场应用情况

在大庆长垣平行断层定向井钻井过程中，通过优选排量、提高环空返速和动塑比、使用高旋转钻具、坚持短起下钻等措施，定向井井眼清洁状况明显改善，取得了良好的应用效果。杏5-4-斜丙41等29口近断层大井斜试验井施工顺利，施工过程中未发生任何重大事故，各项技术指标均达到了甲方的要求，取得了较好的经济效益，具体如表1所示。

表1 29口项目试验井完成情况(部分)

5 结论

针对大庆长垣断层平行井，通过现场实践和理论分析总结出各种因素对井眼清洁的影响情况，优选钻井参数，保持井眼的清洁，避免了平行断层定向井形成岩屑床，为岩屑床问题提供了解决方法。平行断层定向井作为大庆长垣断层附近区域挖潜增油的一种手段，可为油田持续稳产提供技术支持。

[1] 何星.大庆油田平行断层定向井技术[J].油气田地面工程,2014(3):95.

[2] 程玉生.大斜度井井眼清洁状况分析及应用研究[D].青岛：中国石油大学,2011.

[3] 王爱宽,高虎,邵晓伟,等. 一种保持大斜度定向井井眼清洁的有效技术[J].断块油气田,2003(5):77-79，94.

[4] Mike Sewell,郑伯华,赵社强,等. 保持大斜度井井眼清洁的有效方法[J].国外油田工程,2003(3):19-21.

[5] 马永峰.大斜度井保持井眼清洁的有效方法[J].钻井液与完井液,2003(5):57-58，78.

Analysis of Factors Influencing Hole Cleaning of Daqing Changyuan Parallel Fault Directional Well

KANG Bao1, HAN Guang-ming2, SUN Wen-cai1, ZHANG Zhen-hua1

(1.Technology Services Division, No.3 Drilling Company of Daqing Oilfield, Daqing 163000,Heilongjiang,China; 2.Science and Technology Development and School-Enterprise Cooperation Section, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

In view of the remaining oil drilling in Daqing Changyuan fault zone, we use the technology of parallel fault directional well. Considering the importance of hole cleaning in parallel fault directional well technology, this paper analyzes the deviation angle and the annular return velocity, hole size and eccentricity, mechanical drilling rate, effect factors including rotating speed of the drill string, then proposes measures from the aspect of optimization to improve the dynamic plastic ratio, displacement using high-speed rotating drilling tools, which guarantee the parallel fault directional well hole cleaning.

parallel fault; directional well; hole cleaning; influencing factors

大庆钻探工程公司推广项目(大庆长垣高密度丛式调整井优快控制技术推广与应用)：201502017

2016-05-08

康宝(1976-)，男，吉林松原人，大庆油田钻井三公司技术服务分公司定向工程师，主要从事定向井技术服务及管理工作。

TE35

A

1008-9446(2016)05-0005-05