气体钻井岩屑遇水黏附现象与对策研究

祝效华，刘 骉，门宏建，安家伟

(1.西南石油大学，四川 成都 610500；2.中国石油青海油田分公司，甘肃 敦煌 736202)

0 引 言

1 气体携水和岩屑起动实验

气体钻井施工现场一般通过压力表、流量计和湿度计获取井下情况，无法直观反映岩屑和地层水的存在形式，因此，搭建了可视化实验台。由于泥页岩和水混合后黏附严重，无法直接观察，在不考虑相互作用的情况下，对水平段岩屑起动和气体携水过程分别模拟分析[8-10]。

1.1 实验装置与方案

实验装置的可视部分全长为10 m，外管为有机玻璃，其内径为150 mm(模拟Φ152.4 mm井眼)；内管为PVC材质，其外径为75 mm与105 mm(分别模拟Φ73.0 mm钻杆与接头)。其他设备包括：高压风机和旋转阀各1台；涡街流量计与蝶阀各1个；浮子流量计和球阀各1个。

实验流程：①启动风机，等待流量计读数稳定后调节蝶阀，使流量计读数降至最小；②调节旋转阀至指定转速并持续加入岩屑(或通过注水管线注水)；③调节蝶阀使流量计读数增大，观察与拍摄岩屑(或水流)的运动状态，当出现明显变化时记录流量计读数。

实验条件为：环境温度为20 ℃；岩屑粒径为0～8 mm；岩屑流量为0～20 kg/min；空气流量为0～2 800 m3/h；注水流量为0.0～2.0 m3/h；钻杆转速为0～180 r/min；偏心度为0.0～0.2。

1.2 气体携水现象

分别以0.5、1.0、1.5、2.0 m3/h的流量向环空注水，观察环空气流对地层水的携带现象。实验结果表明：水流受到重力作用汇聚在环空下部缓慢流动；随着气体流量增大，水流速度加快，位于环空下部的水流厚度减小并形成不均匀的水膜，少量水以悬浮液滴形式被气流携带前进；气体流速进一步增大，形成下厚上薄的波动水膜并铺满玻璃管内壁，悬浮液滴分散得更小且形状扁平；当注水量越大时，携水所需的气体流量越大，环空内壁液膜的厚度随之显著增加，悬浮液滴尺寸更小、个数更多。

1.3 岩屑起动现象

在不考虑地层水时，为分析气流带动岩屑起动的过程，分别以5、10、15 kg/min的质量流量加入干燥岩屑，观察岩屑起动情况。实验结果表明：随气体流量增大，环空逐渐出现小粒径岩屑堆积，粉尘状岩屑以悬浮形式被气流带走；进一步增大气体流量，各种粒径岩屑均出现大量堆积并形成固定岩屑床，岩屑床整体呈长条带状躺于下井壁；再加大气体流量，流速超过11 m/s时，一段时间内岩屑床体积保持稳定，随后岩屑床中的岩屑出现抖动与缓慢推移；随气体流量进一步增大，流速达到16.78 m/s时，岩屑床表面的岩屑开始滚动，逐步由岩屑床迎风面滚动或跃移至背风面，此时岩屑床缩短速度大于增长速度，体积逐步减小，岩屑床最后完全消失时气体流速达到33.54 m/s。实验中，在钻杆环空处出现了固定岩屑床的形成、增长、稳定、减小与消失的全过程。

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2 岩屑聚团黏附机理和对岩屑的影响

2.1 聚团黏附机理

在气体钻水平井钻遇地层水时，环空会出现气、液、固三相混合流动，导致岩屑颗粒与颗粒间、颗粒与井壁间黏附的主要作用力有范德华力、毛细力和静电力。自由水受毛细力作用侵入岩屑床过程中，黏土矿物首先开始表面水化，在水化能驱动下，水分子与氧原子形成氢键保持在黏土表面，接着以氢键方式逐层连接，形成多层吸附；然后开始渗透水化，当黏土晶层吸附的阳离子浓度高于所侵入液相中的浓度时，在浓度差作用下形成的渗透压使水分子扩散进入晶层间，增加晶层间距而形成扩散双电层，导致了泥页岩体积的膨胀。

在地层水大量侵入泥页岩孔隙前，颗粒间含有部分强结合水及少量弱结合水，相互作用力较小且相对独立，因此，黏附力很小；随地层水的渗入，泥页岩进入塑性阶段，岩屑中含有大量弱结合水以及部分自由水，在毛细力、范德华力和静电力作用下，岩屑颗粒之间、颗粒与介质之间的吸引力增强；随着岩屑中含水量的进一步增加，颗粒间的毛细力由逐渐增加变为降低，尤其大量自由水进入泥页岩后，使得颗粒与颗粒之间、颗粒与介质之间的毛细力大幅降低，宏观黏附力也随之下降。

在有液相吸附于泥页岩孔隙时，导致岩屑聚团黏附的作用力效果大小依次为毛细力、范德华力、静电力。研究表明[11]，除强带电性的高分子颗粒以外，颗粒间的静电力一般远小于范德华力和毛细力，故可忽略不计。

2.2 黏附对岩屑的影响

2.2.1 岩屑颗粒受到的黏附力

为定量研究岩屑起动时受到黏附力的阻碍作用，计算了岩屑之间以及岩屑和井壁间的范德华力Fvdw和毛细力Fc[11](表1)。

由表1可知：相同条件下毛细力远大于范德华力，即毛细力对岩屑的黏附起决定作用；相同直径岩屑颗粒之间的毛细力较小，岩屑颗粒与井壁间的毛细力较大；在2个接触的岩屑颗粒间，当一个岩屑颗粒直径给定时，毛细力随着另一岩屑颗粒直径的增大而增大。

表1 不同粒径岩屑间的范德华力和毛细力

2.2.2 岩屑颗粒的起动受力

为分析岩屑起动时的受力，建立了简化后的岩屑起动模型(图1)。

如图1a，当驱动力大于阻力时，岩屑颗粒达到滑动起动状态：

F=f(λ，dv，φ，μ，θ)=FD-f-Gcosθ>0

(1)

式中：F为驱动力，N；λ为扁平度系数；dv为等效直径，m；φ为沉陷度特征角，rad；μ为摩擦系数；θ为井斜角，rad；FD为气流曳力，为岩屑提供沿井眼轴向的动力，N；f为颗粒起动时受到的滑动摩擦力，N；G为岩屑重力，N。

图1 岩屑起动时受力情况

如图1b，当驱动力矩大于阻力矩时，岩屑颗粒达到滚动起动状态：

(2)

由于起动瞬间FN、L4、L5为0，可不考虑，故式(2)可简化为：

M=f(λ，dv，φ，θ)=FDL1-(G-Ff)L2

(3)

根据式(1)和(3)，可以得到岩屑黏附力和起动力之间的定量关系，进而从岩屑起动过程和受力状态的角度，分析起动力、黏附力及两者间的相互关系随岩屑平均粒径的变化趋势(图2、3)，可得到岩屑起动的临界条件，为后续对策的研究提供理论基础。

图2 不同粒径下黏附力和岩屑起动力

由图2可知：当岩屑粒径为0.0～3.0 mm时，起动力FD小于最小黏附力Fcmin，可认为所有受到毛细力作用黏附的岩屑均无法起动；当岩屑粒径为3.0～6.1 mm时，起动力FD位于最小黏附力Fcmin和最大黏附力Fcmax之间，并随岩屑粒径的增大而上升，逐步逼近最大黏附力Fcmax，可认为部分岩屑具有足以摆脱毛细力的起动力，并随岩屑粒径增大，能够起动岩屑的比例提高。

由图3a、b可知：当岩屑平均粒径为0.5 mm和1.5 mm时，随着被黏附岩屑粒径的增大，黏附力上升，起动力保持不变，并且岩屑颗粒受到的黏附力远大于起动力，即岩屑无法起动。由图3c可知：对平均粒径为2.5、3.5、6.1 mm的岩屑，黏附力随着被黏附岩屑粒径的增大而升高，当被黏附岩屑粒径超过3.5 mm或黏附于井壁时，起动力大于黏附力，可认为岩屑能够起动。

3 影响因素分析

3.1 地层出水量

在气体钻井的水平段，根据渗流理论和势能理论可得到地层出水流量的计算公式[12-14]。地层水是导致泥页岩岩屑黏附的直接原因，出水量决定了环空流态和岩屑运移难度，一般认为地层出水流量QW≤2 m3/h时，可通过加大注气量或干燥剂控制环空水量，保证气体钻井的进行。

图3 岩屑的黏附力和起动力

3.2 随钻岩屑量

随钻产生的岩屑量主要取决于井眼直径和机械钻速，岩屑流量计算式见文献[15-16]。

气体钻井的机械钻速可达20 m/h，假设水平段井眼尺寸为152.4 mm，岩屑密度为2.8 g/cm3，由岩屑流量计算式计算得到岩屑流量为0.0～1 020.6 kg/h。在无水井眼中可通过控制机械钻速K减小携岩负担，由岩屑起动实验可知，在Φ152.4 mm井眼中按工程注气量注气，当0 m/h≤K<11 m/h时，可有效清洁井眼；当11 m/h≤K<15 m/h时，遇到大粒径颗粒会出现滞留甚至岩屑床；当K≥15 m/h时，会出现不断增长变厚的岩屑床。因此，在无出水的气体钻水平井中，建议将钻速控制在15 m/h以内。

3.3 液固比

液固比即为地层出水量和随钻岩屑量之比，其大小直接影响着岩屑床的存在形式，随液固比上升岩屑床由固态经半固态和塑性状态最后变为流动状态，岩屑的状态决定黏附形式，使其可能以分散态、泥饼态或液浆态附着于井壁，并具有不同的强度、刚度、黏滞性和表面摩阻[17-18]。实际施工中，由传感器测得出水量与层位，可初步判断岩屑床形成情况，为进一步确认其存在形式、尺寸大小和黏附位置，对遇水实际井眼中的岩屑状态进行了预测[19]。表2为给定工况下对3口井中不同出水量条件下岩屑状态的预测，表3为D井中出水量与机械钻速对岩屑状态的影响。

表2 对地层出水井中岩屑状态的预测

表3 D井不同机械钻速(岩屑量)对岩屑状态的影响

由于处于塑性状态和刚进入流动状态时的混合物黏性最强，应将井下的岩屑状态控制在固态、半固态或液固比较高的流动状态，以避免岩屑颗粒的聚团黏附。如表2中B井，全井段均有较严重的地层出水，岩屑在大部分位置都处于流动状态，可通过控制机械钻速减少岩屑量以提高液固比，稀释液固两相流，从而加速其流动。

若地层出水量较小，可通过降低液固比以控制岩屑状态。如表3中D井，当机械钻速为20 m/h，即岩屑流量为1 020.6 kg/h时，液固比很小，大部分岩屑的状态为固态、半固态，只需加大注气量以携带岩屑流量超过765.45 kg/h部分的岩屑(对应机械钻速超过15 m/h)；当钻速为10 m/h时，在井段2和4处出现了塑性状态岩屑，在井段3处出现了低液固比的流动状态岩屑，这2种状态下岩屑极易黏附，仅通过加大注气量无法有效清理，只有提高钻速，降低液固比，使岩屑处于固态、半固态，才能更好地保证钻进。

4 结 论

(1) 在气体钻井的水平段，除少量小颗粒外，大部分岩屑沉积于下井壁缓慢前进，环空中的水主要以水膜形式紧贴井壁流动并伴随少量悬浮液滴。

(2) 岩屑吸入地层水发生水化作用，导致颗粒在毛细力作用下黏附聚团，使平均粒径为0.5 mm和1.5 mm的所有岩屑，以及平均粒径为2.5、3.5、6.1 mm的部分岩屑无法起动。

(3) 在出水量小的地层，可通过提高钻速，增大固体岩屑流量，使岩屑床处于固态，不易黏附；在出水量大的地层，可通过控制钻速，减小固体岩屑流量，使岩屑与溶液混合物处于流动状态，以避免黏附，从而为遇水情况下气体钻水平井的顺利进行奠定技术基础。