页岩气水平井井眼清洁评价研究*

2021-03-22范玉光田中兰马喜伟邵长春杨恒林付利舒惠龙

石油机械 2021年3期

范玉光田中兰马喜伟邵长春杨恒林付利舒惠龙,3

(1. 中国石油塔里木油田公司 2.中国石油集团工程技术研究院有限公司 3.中国石油勘探开发研究院)

0 引言

2014至2019年，川渝地区页岩气水平井卡钻埋旋导井41口，损失旋转导向45套，井眼清洁程度差是导致事故发生的主要原因之一。井眼清洁问题的本质是岩屑运移。机械钻速、转速、井斜角、钻井液性能、排量、偏心度和钻柱组合等因素都会影响岩屑运移[1-3]。井眼清洁问题主要是环空岩屑浓度增加、岩屑床产生两方面，前者增加钻井液密度、降低机械钻速、磨损钻头，后者增大扭矩、增加卡钻风险[4]。

针对井眼清洁问题，国内外许多学者基于环空岩屑床厚度计算模型进行了研究。模型可分为两类：经验模型和分层模型。前者是考虑机械钻速、转速、井斜角、钻井液性能、排量、偏心度和钻柱组合等部分影响因素，基于大量室内试验数据回归出的模型，模型简单且精度较高，但物理意义不明确[5-6]；后者是考虑上述部分因素，基于物质平衡建立的模型，计算精度高且有明确物理意义，但求解复杂[7-9]。

本文结合现场数据，在优选油基钻井液流变模式的基础上，建立环空岩屑运移临界流速模型，再根据该模型计算环空岩屑床厚度分布，实现对页岩气水平井井眼清洁的评价。

1 钻井液流变模式优选

钻井液流变性对其携岩有很大影响。本文利用切应力误差法和相关系数法，从宾汉模式、幂律模式、卡森模式、赫-巴模式、罗-斯模式、Sisko模式及四参数模式等7种流变模式中进行优选[10-11]。

切应力误差：

(1)

2 岩屑运移临界流速模型建立

岩屑在环空中受净重力FG、举升力FL、拖曳力FD、塑性力FP、颗粒间的粘结力Fc、范德华力Fvan[13]，其受力分析图见图2a。

图2a中钻井液流速为井眼轴向速度与钻杆切向速度的矢量和，图2b中z方向为井眼轴向方向。

图2 环空岩屑受力分析图Fig.2 Force analysis diagram of annulus cuttings

由图2可知，各个力对应的力臂为：

LG=0.5dssin(π-θ-φ)=0.5dssin (θ+φ)

(3)

LD=yb-0.25ds+0.5ds-0.5dssinφ=
yb+0.25ds-0.5dssinφ

(4)

L1=LL=Lp=Lc=Lvan=0.5dscosφ

(5)

设支撑点为P点，根据以上各力对A点取力矩，则有：

FDLD+FLLL-FGLG-FPLP-
FCLC-FvanLvan=0

(6)

将岩屑受力代入式(6)得：

(7)

当岩屑颗粒受垂直于岩屑床向上的合力不小于向下的合力时，岩屑开始脱离岩屑床，根据受力平衡，则有：

FL-FGsinθ-FP-FC-Fvan=0

(8)

将文献[13]中力的解析式代入式(8)得：

(9)

uc1、uc2分别为岩屑悬浮和翻滚临界流速，两者取最小值即为岩屑启动临界流速，即：

uc=min (uc1、uc2)

(10)

结合卡森流体在同心环空与偏心环空的流速分布，即可进行求解。

3 岩屑床厚度分布计算

假设岩屑床厚度为H，岩屑为球形颗粒，粒径为ds，岩屑致密堆积。以H=0为初始值，此时流速最低，钻头破岩后该流速无法完全将岩屑运移出井口，岩屑受重力等作用会逐渐向低边沉降，堆积一层岩屑，此时岩屑床厚度H=ds。

环空截面积减小，在排量保持不变的条件下，环空流速增加，但是仍然未达到能够使岩屑运移出井口的临界值，岩屑继续在原来的岩屑床上堆积一层，如图3a所示，此时增加的厚度Δh=rs+dssinφ-rs=dssinφ，岩屑床厚度变为H+Δh，φ取60°。

如此重复，直到堆积的岩屑床使环空流速达到能够使岩屑床表层岩屑随钻井液返出井口的值，该流速即为式(10)的临界流速，计算过程如图3b所示。

图3 岩屑床堆积几何示意图与计算过程Fig.3 Geometry diagram and calculation process of cuttings bed accumulation

以CNH17-2井数据为基础，利用本文建立模型、汪海阁模型[5]和杨明合模型进行计算。该井井眼轨迹如图4所示。设置排量31 L/s，转速100 r/min，井径扩大率7%，偏心度0.2，表观黏度0.07 Pa·s，岩屑粒径0.3 mm，钻井液密度1.7 g/cm3，则计算结果如图5所示。

图4 井斜角随井深的变化曲线Fig.4 Well inclination with well depth

图5为几种岩屑床厚度模型计算结果对比。由图5可看出：相同参数下，因汪海阁的模型只针对水平段，所以计算结果为一条直线，能反映出水平段的岩屑沉积情况；杨明合模型中考虑了井斜角影响，可计算全井段；本文模型也考虑了井斜角，在水平段与前两个模型计算结果相近，在全井段与杨明合模型计算结果接近，所以本文模型计算结果比较准确。

图5 几种岩屑床厚度模型计算结果对比Fig.5 Comparison of results of calculation models for the thickness of cuttings bed

图6为岩屑床厚度随井斜角的变化曲线。由图6可看出，随着井斜角增加，岩屑床厚度呈先增后减的趋势，井斜角在10°～20°之间岩屑床厚度趋于0，井斜角在60°～70°之间岩屑床厚度出现最大值。分析认为，在岩屑所受的各个力中，只有净重力在井壁方向的分力受井斜角影响，其他力与井斜角无关，在井斜角增加的过程中，净重力的分力逐渐增加，在水平段时达到最大，所以在水平段最不易被举升。但是，根据公式(3)，净重力力臂除了与井斜角有关外，还与岩屑的内排列角有关，岩屑的内排列角与岩屑床的孔隙度有关，净重力力臂呈现先增加后减小的趋势，且在两角之和为90°时最小。此外随着井斜角增加，岩屑逐渐由悬浮运移变成翻滚运移，所需的临界流速降低，结合力矩的作用，最终岩屑运移临界流速呈现出先增后减的趋势。

图6 井斜角对岩屑床厚度的影响Fig.6 The influence of well inclination on the thickness of cuttings bed

4 不同工况下岩屑床厚度计算

4.1 起下钻

起钻时，由于钻具上提，钻头下部会产生空间，钻井液向该位置移动并带动岩屑；下钻时，钻头推动岩屑床，产生沟壑，如图7a所示。起下钻时，钻柱不旋转，环空也未建立钻井液循环，因此岩屑无法返出井口，井下岩屑残余量保持不变，岩屑床厚度可根据起钻前的数据进行计算。但是在岩屑床保持平衡状态的岩屑床休止角对应井段，起下钻会破坏平衡，导致岩屑床崩塌，掩埋钻具，因此需要根据岩屑床休止角提前判断出危险井段。

4.2 倒划眼

倒划眼过程需要保持钻柱旋转，环空也应保持钻井液循环，在这种情况下，随着钻柱上提，岩屑床由井底附近逐渐向井口破坏，破坏的岩屑床岩屑运移后会在底部钻具组合(BHA)不远处堆积成新的岩屑床，再继续倒划，破坏该处岩屑床，如此循环，逐渐清洁井眼，如图7b所示。

图7 起下钻与倒划眼操作对岩屑床的影响Fig.7 The impact of tripping out and back reaming on the cuttings bed

BHA有扶正器和钻头等大尺寸工具，除了搅动岩屑床外，还会减小环空有效过流面积，变相提高环空流速，从而减小岩屑床厚度。现以整体式和套装式2种扶正器为例计算岩屑床厚度，将其与正常钻进时的岩屑床厚度进行对比。

图8为两种扶正器实物图，图9为两种扶正器过流截面示意图。以ø215.9 mm(8in)井眼为例，所用的整体式扶正器等效直径为171.5 mm(6in)，而套装式扶正器等效直径为193.0 mm(7.6 in)。

图10为倒划眼与正常钻进岩屑床厚度分布曲倒划眼操作不仅可以有效减小环空岩屑床厚度，提高井眼清洁程度，还可消除泥页岩缩径造成卡钻等。此外利用顶驱进行倒划眼可缩短起钻时间，节约钻机占用时间，降低作业成本。但倒划眼操作存在一定风险，在倒划眼过程中，因岩屑堆积或者掉块会导致环空堵塞，此时容易产生“水力锤效应”，严重时会使钻井液当量循环密度激增，压漏地层；此外倒划眼剧烈会产生抽汲作用，造成溢流或井涌。因此应尽量不采用倒划眼而采用增大排量和提高转速来提高井眼清洁程度。

图8 两种扶正器实物图Fig.8 The photo of the two centralizers

线。由图10可见：倒划眼后岩屑床厚度减小50%以上；采用套装式扶正器倒划眼后岩屑床厚度降幅比整装式扶正器更大。这是因为扶正器相比钻杆、钻铤等直径更大，环空有效过流面积会大幅减小，在排量保持不变的前提下，环空钻井液流速迅速增加，携岩能力增强，从而减小岩屑床厚度；套装式扶正器与井壁之间的有效过流面积小于整装式扶正器，环空流速更高，岩屑床厚度降幅更大。