康 寶,韓光明,孫文才,張振華

(1.大慶油田鉆井三公司 技術服務分公司，黑龍江 大慶 163000；2.承德石油高等?？茖W校 科技發(fā)展與校企合作處，河北 承德 067000)

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大慶長垣平行斷層定向井井眼清潔影響因素分析

康 寶1,韓光明2,孫文才1,張振華1

(1.大慶油田鉆井三公司 技術服務分公司，黑龍江 大慶 163000；2.承德石油高等?？茖W校 科技發(fā)展與校企合作處，河北 承德 067000)

針對大慶油田長垣斷層區(qū)的剩余油開采，采用了平行斷層定向井技術?？紤]到井眼清潔在平行斷層定向井技術中的重要性，分析了井斜角與環(huán)空返速、井眼尺寸與偏心度、機械鉆速、鉆柱轉(zhuǎn)速等影響因素，提出了優(yōu)選排量、提高動塑比、使用高速旋轉(zhuǎn)鉆具等措施，保障了平行斷層定向井井眼的清潔。

平行斷層；定向井；井眼清潔；影響因素

隨著大慶油田的開發(fā)進入中后期，斷層邊部剩余油的開采將是挖潛增產(chǎn)的重點方向。而大慶油田長垣斷層較多，在以往鉆井中為了提高單井控制油層厚度、減少鉆井復雜，在靠近斷層附近往往布井較少。因此，深入研究經(jīng)濟有效地挖掘斷層附近剩余油的方法十分必要。針對大慶油田長垣斷層區(qū)的剩余油開采，采用了平行斷層定向井技術。平行斷層定向鉆井，井眼軌道沿斷層面平行展開，關鍵技術為定向井參數(shù)確定和防碰掃描[1]。在鉆進過程中，鉆井液攜巖既要克服重力，又要克服巖屑與井壁的摩擦阻力，巖屑受力復雜。平行斷層定向井施工難點之一就是井眼清潔的問題。巖屑床的形成往往導致轉(zhuǎn)動鉆具扭矩增加，鉆具上提遇卡下放遇阻，甚至造成卡鉆等復雜情況，所以及時清潔井眼尤為重要，其中鉆井參數(shù)是影響井眼清潔的重點，主要涉及到鉆井液的排量、鉆桿轉(zhuǎn)速、機械鉆速、鉆井液攜巖等方面。國內(nèi)許多專家[2-5]針對井眼清潔問題開展了研究，但是針對平行斷層定向井井眼清潔的研究則很少。

1 大慶長垣平行斷層定向井井眼清潔影響因素

1.1 大慶長垣平行斷層及剩余油情況

大慶長垣斷層十分發(fā)育，長垣北部斷層延伸長度超過5 000 m的斷層有82條，延伸長度超過1 000 m 的斷層有334條，斷層累計延伸長度超過1 300 km，斷層復雜區(qū)面積可達130 km2以上。通過對比大慶長垣北部的中區(qū)西部、杏12區(qū)、杏6區(qū)、南三區(qū)西部不同區(qū)塊斷層附近采油井的含水率，發(fā)現(xiàn)斷層區(qū)含水率平均77.2%，非斷層區(qū)含水率92.3%，說明斷層區(qū)為剩余油富集區(qū)。通過油井動態(tài)對比分析：中區(qū)西部、杏12區(qū)、杏6區(qū)、南三區(qū)西部區(qū)塊斷層區(qū)平均單井日產(chǎn)油1.3～6.7 t，非斷層區(qū)平均單井日產(chǎn)油1.5～7.8 t，斷層區(qū)單井日產(chǎn)油量比非斷層區(qū)低，說明受斷層影響注采關系不完善，驅(qū)油效果差。大慶長垣北部斷層區(qū)面積較大，剩余油儲量可觀，為油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供有利空間，深入開展平行斷層定向井研究具有普遍指導意義。

1.2 平行斷層定向井技術難度

大慶長垣平行斷層定向井技術通過對斷層、剩余油分布描述研究，確定斷層參數(shù)，剩余油分布，為合理布井提供依據(jù)，井眼軌道沿斷層面展開，隨斷層傾角不同，井斜角達到30°～70°，可高效開發(fā)斷層附近剩余油。該項技術存在以下技術難點：

1)井壁穩(wěn)定難度大。油層段井眼軌道全部接近或可能鉆遇斷層破碎帶，易發(fā)生井壁失穩(wěn)、坍塌、掉塊、卡鉆等事故。 一旦出現(xiàn)復雜情況及事故，處理難度大。

2)鉆井液密度窗口窄?？拷鼣鄬悠扑閹?，次生裂縫發(fā)育，裂縫開啟壓力較小，易井漏；由于斷層遮擋，長期的注采不平衡往往形成局部高壓，易發(fā)生油氣水侵，鉆井液密度窗口窄，調(diào)整范圍有限。

3)大井斜段井眼軌道長，易形成巖屑床，井眼清潔困難。平行斷層定向井沿斷層面鉆進，井斜角在30°～60°井段較長。井斜角在30°～60°井段是普通定向井和水平井極力避免的區(qū)域，該區(qū)域重力不穩(wěn)定，清潔困難，極易形成巖屑床，是一個國際性難題。而大慶長垣斷層的傾角一般都在這個范圍，因此對鉆井液體系要求嚴格，鉆井、完井施工難度高，易卡鉆；在斷層區(qū)鉆進，鉆穿薩葡高油層組，巖性變化大，判斷和控制難度大；同時受地面、地下條件限制，往往需要進行三維繞障設計施工。

1.3 平行斷層定向井井眼清潔影響因素

井眼清潔是平行斷層定向井的施工難點問題，井眼清潔不好會形成巖屑床，巖屑床的形成往往導致鉆具扭矩增加，鉆具易遇阻，甚至造成卡鉆等復雜情況。例如156號斷層兩側(cè)破碎帶區(qū)域是發(fā)生嚴重井漏的重要區(qū)域。在以往鉆井過程中，由于井眼清潔的問題，在該井區(qū)多次發(fā)生井塌、井漏，最低密度為1.30 g/cm3，漏失量多到幾百方，液面自然下沉，導致無法正常施工。其中鉆井參數(shù)是影響井眼清潔的重點，主要涉及到鉆井液的排量、鉆桿轉(zhuǎn)速、機械鉆速、鉆井液攜巖等方面。

2 鉆井參數(shù)與井眼清潔的關系

井眼清潔技術要求鉆井液有較好的性能參數(shù)，鉆井液懸浮和攜帶鉆屑能力強，保證井眼干凈，避免沉砂造成鉆井復雜事故，解決這一問題的技術關鍵是改善鉆井液的流變性，提高鉆井液的靜切力，阻止和減緩鉆屑下沉。在平行斷層段鉆屑易沉到井壁形成鉆屑床，循環(huán)時通過調(diào)整鉆井液流態(tài)沖洗巖屑床，使其順利返到地面。為保證平行斷層定向井的井眼清潔，明確鉆井參數(shù)與井眼清潔的關系，采用實驗和理論結(jié)合的方法進行了研究。

2.1 井斜角與環(huán)空返速

井斜提供了巖屑床形成和存在的條件，巖屑床厚度與井斜角大小密切相關。一般而言，井眼凈化程度則隨井斜角的增加而下降，環(huán)空巖屑總濃度、臨界流速均隨井斜的增大而增大，其最高值在井斜角30°～60°。在該井斜角范圍內(nèi)，當巖屑逐漸在環(huán)空的底邊沉淀并堆積成巖屑床時，鉆井液只能從環(huán)空的高邊通過，巖屑床會越積越厚。根據(jù)“boycott”效應原理，靜態(tài)下井眼高邊到低邊環(huán)空鉆井液中懸浮的巖屑顆粒的直徑和濃度均成由小到大的垂直分布，沉積于低邊的巖屑則形成巖屑床，并由此引起井眼橫斷面上的鉆井液密度差而形成壓力不平衡，造成局部對流趨勢，使巖屑床向下滑移，從而加速巖屑沉淀，嚴重時會引起井眼堵塞甚至引發(fā)卡鉆。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，在鉆井液性能一定的情況下，井斜角、巖屑濃度和環(huán)空返速的關系如圖1所示。

由圖1可以看出，在井斜角和鉆井液性能確定條件下，環(huán)空返速越高，則巖屑濃度越低，存在形成巖屑床的臨界環(huán)空返速，當實際環(huán)空返速高于臨界環(huán)空返速值時，不形成巖屑床。提高環(huán)空返速對井眼凈化有利，但又存在壓耗增加、鉆井泵功率受限、沖刷井壁而造成井壁失穩(wěn)等負面效應等問題。

2.2 井眼尺寸與偏心度

鉆具偏心度和井眼與鉆桿直徑比對巖屑濃度有一定程度的影響，其關系如圖2、圖3所示。

由圖2可以看出，當井眼尺寸與鉆桿直徑比較大時，井眼與鉆桿之間環(huán)空較大，巖屑濃度降低；當井斜角較小時，鉆具的偏心度對攜巖能力的影響可以忽略不計，但當井斜角較大時，需考慮偏心度的影響。由圖3可以看出，鉆具的偏心度對巖屑的影響較大，隨偏心度的降低，巖屑濃度降低，所以，減小鉆具偏心度或者增大井眼與鉆桿直徑比有利于攜巖。因此，實際鉆井中，在保持環(huán)空返速不變和其他條件允許的情況下，應盡量采用大直徑井眼，并盡量使鉆具處于同心位置。

2.3 機械鉆速

機械鉆速對巖屑床有著較大的影響，當鉆進速度過高時，巖屑增多，會造成環(huán)空巖屑濃度過大，巖屑床厚度增加，在大位移井段為了避免形成過厚的巖屑床，通常會對機械鉆速進行適當?shù)目刂?，需根?jù)排量確定最高機械鉆速。

2.4 鉆柱轉(zhuǎn)速

鉆柱轉(zhuǎn)速對井眼清潔具有較大的影響，高轉(zhuǎn)速的鉆柱有利于形成紊流，并攪動井眼低邊的巖屑床，迫使巖屑上返，最終被帶出井眼，從而減少巖屑床，提升井眼清潔。因此，在實際鉆井中，可以適當提高鉆柱轉(zhuǎn)速。

3 提高井眼清潔的途徑

在現(xiàn)場施工中，通常采取改善鉆井液性能，提高鉆井液懸浮能力，合理控制鉆井液排量、鉆井液上返速度，利用好固控設備，加強四級凈化，及時清除鉆井液中巖屑，降低鉆井液中固相含量等措施來提高井眼清潔的效率。

3.1 優(yōu)選排量、提高環(huán)空返速

在鉆井過程中，排量小達不到洗井效果，不利于井眼凈化。雖然鉆井液在環(huán)空中上返速度越快，越有利于攜帶巖屑。但是排量過大，會沖蝕井壁，造成上部松軟地層垮塌，因此，要優(yōu)選排量和環(huán)空返速。室內(nèi)研究結(jié)果證實了應用紊流的多質(zhì)點運動清洗鉆屑床的效果非常好，把鉆井液作為塑性液體考慮，塑性液體紊流和層流的臨界返速為：

(1)

式中：V臨界為鉆井液上返臨界速度，m/s；η為鉆井液塑性黏度，P；ρ為鉆井液密度，g/cm3；τ0為動切力，dynes/cm2；D為井徑，cm；d為鉆柱外徑，cm。

通過測量鉆井液性能，求出臨界速度的大小，再利用臨界速度求出鉆井泵的臨界排量，即：

Q臨界=12.7×V臨界(D2-d2)

(2)

式中：Q臨界為泵實現(xiàn)紊流和層流的臨界排量，L/s。

在鉆井液性能穩(wěn)定的情況下，經(jīng)過測量鉆井液性能和控制泵的排量，即可實現(xiàn)鉆井液紊流和層流的轉(zhuǎn)換。根據(jù)現(xiàn)場實踐和理論計算，在大慶長垣平行斷層定向井施工中，對于Φ220 mm井眼，在30°～60°井斜角區(qū)間井段，排量優(yōu)選范圍為32～35 L/s，臨界環(huán)空返速為0.9～1.1 m/s。

3.2 提高動塑比、改善鉆井液性能

為了提高鉆井液的攜巖能力，通過提高動塑比，來提高井眼清潔效果。根據(jù)現(xiàn)場實踐和理論計算，在大慶長垣平行斷層定向井施工中，控制動塑比在0.35～0.70，動切力大于2P，嚴格控制初切力和終切力差值，避免鉆井液觸變性過大帶來的各種不利影響，以及起下鉆過程中產(chǎn)生過高的抽吸和激動壓力。

3.3 盡量使用高速旋轉(zhuǎn)鉆具、堅持短起下鉆

在條件允許的情況下，盡量使用高轉(zhuǎn)速復合鉆進，對于破壞巖屑床有明顯的效果。進入30°～60°井斜角區(qū)間井段，每鉆進200 m，堅持短起一次，修復井壁。對于巖屑床嚴重的井段，可以采用劃眼的方式破壞巖屑床。另外在大斜度定向井中鉆具組合要盡量簡化，使用加重鉆桿替代鉆挺。

4 現(xiàn)場應用情況

在大慶長垣平行斷層定向井鉆井過程中，通過優(yōu)選排量、提高環(huán)空返速和動塑比、使用高旋轉(zhuǎn)鉆具、堅持短起下鉆等措施，定向井井眼清潔狀況明顯改善，取得了良好的應用效果。杏5-4-斜丙41等29口近斷層大井斜試驗井施工順利，施工過程中未發(fā)生任何重大事故，各項技術指標均達到了甲方的要求，取得了較好的經(jīng)濟效益，具體如表1所示。

表1 29口項目試驗井完成情況(部分)

5 結(jié)論

針對大慶長垣斷層平行井，通過現(xiàn)場實踐和理論分析總結(jié)出各種因素對井眼清潔的影響情況，優(yōu)選鉆井參數(shù)，保持井眼的清潔，避免了平行斷層定向井形成巖屑床，為巖屑床問題提供了解決方法。平行斷層定向井作為大慶長垣斷層附近區(qū)域挖潛增油的一種手段，可為油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供技術支持。

[1] 何星.大慶油田平行斷層定向井技術[J].油氣田地面工程,2014(3):95.

[2] 程玉生.大斜度井井眼清潔狀況分析及應用研究[D].青島：中國石油大學,2011.

[3] 王愛寬,高虎,邵曉偉,等. 一種保持大斜度定向井井眼清潔的有效技術[J].斷塊油氣田,2003(5):77-79，94.

[4] Mike Sewell,鄭伯華,趙社強,等. 保持大斜度井井眼清潔的有效方法[J].國外油田工程,2003(3):19-21.

[5] 馬永峰.大斜度井保持井眼清潔的有效方法[J].鉆井液與完井液,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

大慶鉆探工程公司推廣項目(大慶長垣高密度叢式調(diào)整井優(yōu)快控制技術推廣與應用)：201502017

2016-05-08

康寶(1976-)，男，吉林松原人，大慶油田鉆井三公司技術服務分公司定向工程師，主要從事定向井技術服務及管理工作。

TE35

A

1008-9446(2016)05-0005-05