和鵬飛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

遼東灣某區(qū)塊大斜度井水平位移通常達(dá)1500～2000 m，水平位移長(zhǎng)，巖屑攜帶困難。通常采用提高粘切的辦法來攜帶和懸浮鉆屑，但易造成鉆井液流變性失控和虛泥餅過厚、起下鉆困難的問題。最常見的方法是采用改進(jìn)工程技術(shù)和調(diào)節(jié)鉆井液性能來進(jìn)行清理巖屑床，但是一些鉆井液性能調(diào)節(jié)方法所取得的效果不是很顯著，需要有更好的方法來改進(jìn)鉆井液的性能，才能滿足當(dāng)前對(duì)巖屑床清理的要求。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 巖屑床的形成[1～7]

在大斜度(45°以上)定向井中，巖屑的沉降和下滑與直井和小斜度定向井的情況相同，但由于其鉆具在井眼中處于偏心狀態(tài)，大量巖屑會(huì)很快沉向下井壁形成巖屑床。

1.2 巖屑床的危害[7～10]

增加了環(huán)空泥漿中的固相含量，減小了環(huán)空間隙，形成橢圓井眼，而且隨著施工時(shí)間增長(zhǎng)，形成的橢圓井眼越嚴(yán)重，造成憋泵;易形成鍵槽和臺(tái)階，造成井下復(fù)雜和事故;鉆井中懸重和鉆壓失真;巖屑床的存在會(huì)使鉆具下部的扶正器、大尺寸鉆鋌產(chǎn)生相當(dāng)大的扭矩或造成泥包扶正器，導(dǎo)致憋鉆。此外，停泵后井眼中巖屑下沉形成臺(tái)階、砂橋，造成砂卡或粘卡，嚴(yán)重影響鉆井安全。

1.3 巖屑床的清除方法

要使大斜度井中的巖屑均勻的分散在鉆井液中，不發(fā)生沉積和形成鉆屑床，常規(guī)采用如下方法。

1.3.1 優(yōu)化工程參數(shù)

在保證井眼穩(wěn)定的前提下，盡量提高排量，使鉆井液具有較高的上返速度，減少巖屑的下沉;通過鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)、上下活動(dòng)，增大環(huán)空鉆井液非層流程度，部分破壞巖屑床、降低環(huán)空巖屑濃度，提高鉆井液攜巖效果;簡(jiǎn)化鉆具結(jié)構(gòu)，減少鉆具與井壁的摩擦。

1.3.2 選用合理的流型和流變參數(shù)[3]

根據(jù)常規(guī)的認(rèn)識(shí)，要求在保持鉆井液粘度平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，盡可能提高低剪切速率下粘度。國(guó)外常規(guī)認(rèn)識(shí)要求保持與井眼尺寸相匹配，即6、3的數(shù)值與井眼直徑的英寸數(shù)相配伍。

1.3.3 使用“重塞”，配合高速旋轉(zhuǎn)鉆具

現(xiàn)場(chǎng)施工中，通常還使用“重塞”(即密度比正常井漿密度高0.2 g/cm3左右的段塞)，雖然對(duì)已形成的巖屑床沒有多大的作用，但在高轉(zhuǎn)速、大排量的條件下，有利于攜巖，效果非常顯著。

因此在常規(guī)的認(rèn)識(shí)下，主要是提高鉆井液在低剪切速率下的粘度。而通過實(shí)踐總結(jié)認(rèn)為，要分情況而定。對(duì)于水垂比＞2的井來說，由于鉆屑運(yùn)移的時(shí)間較長(zhǎng)，與下井壁接觸的機(jī)會(huì)要多，提高鉆井液在低剪切速率下的粘度具有較好的效果。但對(duì)于水垂比＜2的井來說，片面提高低剪切速率下的粘度將可能引起不好的效果，例如鉆井液粘度較高，循環(huán)壓耗高，鉆屑在地面清除效率低，鉆井液中固相含量高，造成鉆井液性能的惡化。因此筆者認(rèn)為，對(duì)于水垂比＜2的井，應(yīng)通過與常規(guī)認(rèn)識(shí)相反的思路來進(jìn)行，使鉆屑快速離開井底，均勻分布于鉆井液中，增加鉆井液對(duì)巖屑床的沖刷來減少巖屑床的形成。

2 技術(shù)思路

筆者認(rèn)為鉆井液在紊流的狀態(tài)下是最適合清潔井壁的，即清理巖屑床。鉆井液在作紊流流動(dòng)時(shí)，巖屑不存在轉(zhuǎn)動(dòng)和滑落現(xiàn)象，能夠均勻分布于鉆井液中，幾乎全部都能攜帶到地面來。鉆井液在紊流的情況下，高流速對(duì)井壁的沖蝕嚴(yán)重，正好起到對(duì)巖屑床的沖刷，達(dá)到清理巖屑床的目的。

紊流攜帶巖屑也有一些缺點(diǎn):一是要求鉆井液的上返速度高，泵的排量大。當(dāng)井眼尺寸較大、井較深以及鉆井液的粘度、切力較高時(shí)，難以實(shí)現(xiàn);二是對(duì)井壁沖蝕嚴(yán)重，不能形成好的泥餅，容易引起易塌地層井壁垮塌。要達(dá)到清除巖屑床的目的，前提是保證上部井壁穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)殂@井液的沖蝕而造成井壁垮塌。因此使用此方法需要如下前提條件:(1)井型要求水垂比在2之內(nèi);(2)上部井壁穩(wěn)定，在紊流情況下不沖垮井壁;(3)鉆井液保持良好的井壁穩(wěn)定性能和潤(rùn)滑性。

如果采取紊流的流態(tài)，就要克服以上的缺點(diǎn)。要求上返速度高，現(xiàn)場(chǎng)一般是能夠達(dá)到的。根據(jù)水力學(xué)可以了解到:關(guān)于流動(dòng)狀態(tài)的判別，多用臨界雷諾數(shù)來判別。一般可以認(rèn)為:當(dāng)雷諾數(shù)Re≤2000時(shí)，為層流狀態(tài)或結(jié)構(gòu)流狀態(tài);當(dāng)雷諾數(shù)Re＞2000時(shí)，為紊流狀態(tài)。由于流體表達(dá)方程不同，其雷諾數(shù)計(jì)算公式也不同。在此僅就賓漢流體的雷諾數(shù)計(jì)算公式介紹如下:

式中:ρ——鉆井液密度，g/cm3;v——鉆井液流速，cm/s;D井——井眼直徑，cm;d外——鉆具外徑，cm;μp——賓漢流體的塑性粘度，P;τ0——賓漢流體的動(dòng)切應(yīng)力，dyn/cm2。

要想提高Re數(shù)，達(dá)到紊流的流態(tài)，需要提高鉆井液的密度(一般不采取)，降低塑性粘度。因此，可以采用降低鉆井液的粘度和切力，來實(shí)現(xiàn)Re數(shù)值的提高。鉆頭水馬力的損失，不可避免會(huì)發(fā)生，只能從具體的情況出發(fā)將影響降到最小。對(duì)井壁的沖蝕，泥餅的形成不會(huì)太好這個(gè)問題，在鉆井液中增加一定量的膨潤(rùn)土和瀝青，可以得到解決。

3 適應(yīng)性分析

渤海某區(qū)塊，所鉆地層為明化鎮(zhèn)和館陶組，均為第三系地層，泥巖較為松軟且膠結(jié)均勻，不存在裂縫和硬脆性泥巖，井壁較為穩(wěn)定。此外，該油田在定向鉆進(jìn)時(shí)采用的是PDC鉆頭，切削的鉆屑較小，一般在3～5 mm，利用較低的粘切可以保證鉆井液對(duì)鉆屑的攜帶。

根據(jù)表1可以看出，在該區(qū)塊所鉆井的水垂比均在2以內(nèi)。

表1 某區(qū)塊8口井工程參數(shù)

為了使鉆井液在井底形成紊流而達(dá)到清除巖屑床的目的，可通過提高排量、增大鉆具的直徑、降低鉆井液的粘切等方式來達(dá)到，但是受現(xiàn)場(chǎng)和井眼條件的限制。因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，確定減少巖屑床最主要是在井眼下端，因?yàn)楫?dāng)鉆屑脫離地層進(jìn)入鉆井液中時(shí)，鉆屑具有多孔性和粘性，容易粘連在一起，發(fā)生下沉而形成巖屑床。只有當(dāng)鉆屑的表面被包被劑包裹時(shí)，才能有效地減少粘結(jié)，使鉆屑均勻分散在鉆井液中不發(fā)生聚結(jié)，從而減少形成巖屑床的機(jī)會(huì)。因此在鉆具下端的環(huán)空里，當(dāng)鉆屑未被包被抑制時(shí)，鉆井液達(dá)到紊流狀態(tài)是具有最佳效果的。

根據(jù)該區(qū)塊的工程參數(shù)，泵的排量為3800～4200 L/min，井眼直徑為 12in(311 mm)，鉆桿外徑5 in(127 mm)，鉆鋌外徑8 in(203.2 mm)，設(shè)計(jì)鉆井液密度為1.15 g/cm3，將塑性粘度控制在16 mPa·s左右，通過上面的Re數(shù)公式計(jì)算可得，在鉆桿處的Re數(shù)為900～1200，在鉆鋌處的Re數(shù)為1700～2700，在鉆鋌處基本能實(shí)現(xiàn)紊流。

根據(jù)該區(qū)塊的地質(zhì)和工程參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)的施工中可以達(dá)到紊流來攜帶巖屑，清理巖屑床的目的，并在該油田大斜度井采用如下泥漿方案:

(1)保證上部井壁的穩(wěn)定性和井壁的潤(rùn)滑性;上部泥漿轉(zhuǎn)化時(shí)保持一定的膨潤(rùn)土含量，以便形成良好的泥餅;進(jìn)入東營(yíng)組之前加入瀝青改善泥餅質(zhì)量和增加潤(rùn)滑性，后期根據(jù)井溫加大瀝青的含量，適當(dāng)減少潤(rùn)滑劑的加量。

(2)及時(shí)觀察巖屑的返出情況，發(fā)現(xiàn)返出量減少可采取短拉或使用“重塞”的辦法，及時(shí)清除巖屑床。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在該區(qū)塊施工了8口大斜度井，按照技術(shù)思路進(jìn)行施工，對(duì)巖屑床的清理達(dá)到了很好的效果。表2為這8口井的施工情況。

表2 某區(qū)塊8口井施工情況

這8口井對(duì)清理巖屑床取得了很好的效果，鉆井液的性能和前面施工的井也很較大的差別，在鉆井液優(yōu)化前B5井的施工中，出現(xiàn)了憋泵和起鉆耗時(shí)(31 h)太長(zhǎng)的問題，在此對(duì)優(yōu)化前后的鉆井液性能，以B5和B15井為例，進(jìn)行對(duì)比(見表3)。B15井完鉆數(shù)據(jù):斜深2644.00 m，垂深1458.11 m，井斜角63.90°。在800 m轉(zhuǎn)化泥漿時(shí)，預(yù)留了一部分的膨潤(rùn)土漿，在初期時(shí)鉆井液中加入黑瀝青，使其含量達(dá)到了2.0%，中后期補(bǔ)入液體白瀝青，使瀝青的總量達(dá)到了2.5% ～3.0%。泥餅質(zhì)量好，薄而致密，潤(rùn)滑性好。鉆進(jìn)期間，合理地利用固控設(shè)備等一切方法，將塑性粘度控制在16 mPa·s左右，屈服值為7～10 Pa之間，通過Re數(shù)的計(jì)算，在鉆鋌處的Re數(shù)值可達(dá)到2000，該處鉆井液的流態(tài)為紊流。

表3 流變性對(duì)比

鉆進(jìn)期間，泵排量3800～4200 L/min，扭矩≤25 kN·m，泵壓≤20 MPa，逐步上升，沒有出現(xiàn)憋泵的情況。在鉆進(jìn)的過程中，振動(dòng)篩返砂正常，且?guī)r屑顆粒均勻，棱角分明。完鉆后起鉆，歷時(shí)15 h，期間沒有出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象。而通過對(duì)流型指數(shù)和動(dòng)塑比的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn):N=0.5～0.6，動(dòng)塑比φ(τ0/μp)=0.4～0.5 Pa/mPa·s，比常規(guī)的數(shù)值都要低一些。鉆井工程上，每200 m短起一次，經(jīng)?；顒?dòng)鉆具，縮短鉆井液靜止時(shí)間，分段循環(huán)鉆井液。鉆進(jìn)和后期起鉆期間沒有發(fā)生憋泵的現(xiàn)象、起鉆順利，可以說明改變流型，讓鉆井液在紊流狀態(tài)下對(duì)巖屑床的清理達(dá)到了理想的效果。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)大斜度井的技術(shù)難點(diǎn)，巖屑床的清理為首要任務(wù)，清理巖屑床需要將工程方法和鉆井液的性能調(diào)節(jié)結(jié)合起來才能達(dá)到更好的效果。

(2)根據(jù)遼東灣該區(qū)塊的情況，所鉆井的水垂比在2以內(nèi)，在保證形成良好泥餅的前提下，采用降低動(dòng)塑比，利用鉆鋌處的紊流清理巖屑床，取得了理想的效果。

(3)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)鉆井液的流變指數(shù)和動(dòng)塑比都不能過高，且比以前的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值小，當(dāng)流變指數(shù)N=0.5～0.6，動(dòng)塑比φ=0.4～0.5 Pa/mPa·s的范圍內(nèi)就可以達(dá)到清除巖屑床的目的。

[1] 董林海.大井斜大位移定向井巖屑運(yùn)移問題研究[J].內(nèi)江科技，2008，(9):113，139

[2] 郭梁棟.冀東油田大斜度大位移井巖屑床的解決方法[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004，31(5):58 －59.

[3] 蔡利山，林永學(xué)，王文立.大位移井鉆井液技術(shù)綜述[J].鉆井液與完井液，2010，27(3):1 －13.

[4] 汪海閣，劉希圣，丁崗.水平井段巖屑床厚度模式的建立[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1993，17(3):25 －32.

[5] 張洪泉，任中啟，董明健.大斜度大位移井巖屑床的解決方法[J].石油鉆探技術(shù)，1999，27(3):6 －8.

[6] 王艷輝，羅平亞.水平井巖屑床層移運(yùn)動(dòng)的規(guī)律分析[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，16(1):35 －41.

[7] 劉希圣，鄭新權(quán)，丁崗.大斜度井中巖屑床厚度模式的研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1991，15(2):28 －35.

[8] 胡景榮.再論大斜度定向井的井眼凈化問題[J].鉆采工藝，2001，24(2):14 －16.

[9] 魏文忠，劉永旺，管志川，等.一種用于大斜度大位移井巖屑床清潔的新裝置[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2006，28(5):138 －140.

[10] 宋洵成，王振飛，徐小龍，等.大位移井巖屑床危害及處理措施研究[J].石油科技論壇，2012，31(2):40 －42.