劉勝

(中海油服油田化學(xué)事業(yè)部上海作業(yè)公司，上海 200000)

井眼清潔是水平井、大位移井定向井鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一。井眼清潔不干凈易導(dǎo)致鉆頭早期磨損、鉆速降低、高扭矩和高摩阻、黏附卡鉆、下套管和固井困難、鉆具磨損大、壓裂地層以及卡鉆等各種井下事故發(fā)生。另外在大位移井中井眼凈化不好還會(huì)造成以下問(wèn)題：一是不能將鉆壓傳至鉆頭；二是不能解釋井的方位變化；三是鉆井液漏入產(chǎn)層，降低了最終采收率[1～7]。井眼清潔程度是決定一口大位移井作業(yè)是否成功的關(guān)鍵，保持良好的井眼清潔狀況對(duì)安全快速鉆進(jìn)具有十分重要的意義。

1 PH-ZG1井基本情況

PH-ZG1井位于上海市東南方向約440km的東海大陸架，距已開(kāi)發(fā)的TWT-C約70km，位于北緯29°02′～28°10′，東經(jīng)124°50′～125°00′。區(qū)域構(gòu)造位置在東海陸架盆地西湖凹陷平湖構(gòu)造帶中南部。PH-ZG1井油氣層主要集中在平湖組，儲(chǔ)層巖性為砂泥巖，平均孔隙度19.7%，屬中孔、高滲儲(chǔ)層，地溫梯度分布范圍為3.07～3.42℃/100m，井底溫度預(yù)計(jì)120.38℃，屬于正常的溫度系統(tǒng)。中一斷塊花港組及平湖組上部(P11以上)地層為正常壓力體系，平湖組下部存在因生烴作用形成的異常高壓，中一斷塊P12層最高壓力系數(shù)可達(dá)1.41。

PH-ZG1井完鉆井深為6866m，其垂深3155.98m，水平位移5350.49m，水垂比高達(dá)1.70，屬于典型大位移井。由于大位移井本身的特點(diǎn)，井眼清潔問(wèn)題一直是大位移井作業(yè)的難點(diǎn)，集中體現(xiàn)在直徑12in井段和8in井段，特別是對(duì)于超長(zhǎng)穩(wěn)斜段且穩(wěn)斜角度大于45°的直徑12in井段，井眼清潔問(wèn)題尤為突出。

2 井眼清潔技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算

對(duì)于大位移井水平段的井眼清潔，關(guān)鍵在于預(yù)測(cè)并減小巖屑床厚度。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，巖屑床厚度半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ接?jì)算公式如下：

(1)

一般將井眼直徑的10%作為巖屑床厚度的安全極限值，即Rb≤10%：

(2)

式中：Hc為巖屑床厚度(若Hc為負(fù)，則認(rèn)為無(wú)巖屑床形成)，mm；dh為環(huán)空外徑，mm；μe為鉆井液的有效黏度，mPa.s；ε為鉆桿偏心度，1；va為鉆井液環(huán)空返速，m/s；vc為不形成巖屑床的臨界環(huán)空返速，m/s；Rb為巖屑床厚度所占井眼直徑的比例，%。

從式(1)(2)可以看出，影響井眼清潔的主要因素有鉆井液性能、鉆井液排量、鉆井液環(huán)空返速、機(jī)械轉(zhuǎn)速等。通過(guò)公式計(jì)算安全鉆進(jìn)時(shí)各因素的臨界值是很有必要的，這對(duì)實(shí)際鉆井過(guò)程中清除巖屑床有重要的指導(dǎo)意義[8～14]。

2.1 鉆井液有效黏度

根據(jù)巖屑床厚度計(jì)算公式，為保證安全鉆進(jìn)，必須根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整鉆井液有效黏度μe以滿足Rb≤10%：

(3)

(4)

式中：dp為環(huán)空內(nèi)徑，mm；n為鉆井液的流型指數(shù)，1；K為鉆井液的稠度系數(shù)，Pa·sn；τ0/μp為動(dòng)塑比，Pa/(mPa·s)；d0為流核直徑，mm。

當(dāng)τ0/μp越大時(shí)，d0越大，則鉆井液流動(dòng)剖面平板化程度越大，鉆井液攜巖能力較強(qiáng)，井眼清潔效果較好，巖屑床厚度較小。但是，d0不是越大越好，當(dāng)其滿足式(5)范圍時(shí)為最佳：

0.60(dh-dp)≤d0<0.65(dh-dp)

(5)

2.2 鉆井液臨界環(huán)空返速

定義安全鉆進(jìn)時(shí)的最小鉆井液環(huán)空返速為臨界環(huán)空返速vc：

(6)

式中：ρs為巖屑密度，kg/L；ρm為鉆井液密度，kg/L；ds為巖屑顆粒的當(dāng)量直徑，mm；α為井斜角，rad。

2.3 鉆井液臨界排量

定義安全鉆進(jìn)時(shí)的最小鉆井液排量為臨界排量Qs：

(7)

式中：Qs為安全鉆進(jìn)時(shí)的環(huán)空排量，L/s。

2.4 臨界機(jī)械轉(zhuǎn)速

定義安全鉆進(jìn)時(shí)的最小機(jī)械轉(zhuǎn)速為臨界機(jī)械轉(zhuǎn)速RL：

(8)

式中：HL為臨界巖屑床厚度(不超過(guò)井眼直徑的10%)，mm；rh為井眼半徑，mm；vs為巖屑下沉速度，m/s；κ為系數(shù)，一般取0.04～0.06；β為井斜角，(°)；φc為巖屑堆積在井底的孔隙度，1。

3 井眼清潔技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖1 PH-ZG1井井身結(jié)構(gòu)示意圖

PH-ZG1井完鉆井深為6866m，垂深3155.98m，水平位移5350.49m，水垂比高達(dá)1.70，屬于典型大位移井，其井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于PH-ZG1井有很長(zhǎng)的穩(wěn)斜段和裸眼段，3000m以后由于排量逐漸變小，環(huán)空返速降低，巖屑床問(wèn)題逐漸加重，容易導(dǎo)致鉆頭磨損、鉆速降低、高扭矩和高摩阻等井下復(fù)雜情況，可根據(jù)井眼清潔關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算有針對(duì)性地采取相關(guān)技術(shù)措施[15]。

3.1 設(shè)計(jì)技術(shù)措施

1)合理控制機(jī)械鉆速，并優(yōu)化鉆井參數(shù) 環(huán)空返速是凈化井眼的關(guān)鍵，控制泵壓不超過(guò)25MPa情況下，盡量開(kāi)大排量，根據(jù)公式預(yù)判巖屑床厚度，控制鉆井液環(huán)空返速在0.79～1.30m/s之間，維持動(dòng)塑比在0.3～0.6 Pa/(mPa·s)之間，同時(shí)控制轉(zhuǎn)速保持在120r/min以上，目標(biāo)150r/min。

2)改善鉆井液性能 改善鉆井液攜巖性和流變性，滿足直徑12in井段的井眼清潔要求：①油基鉆井液通過(guò)調(diào)整HIRHEO-A提切劑的質(zhì)量濃度(5～10kg/m3) 提高鉆井液的動(dòng)切力、動(dòng)塑比及鉆井液的3轉(zhuǎn)讀數(shù)，鉆井中始終保持低黏高切的流變特性，以提高巖屑攜帶和懸浮能力；②在停泵或起下鉆的靜態(tài)時(shí)，為了避免巖屑下沉，需要盡可能地提高3轉(zhuǎn)讀數(shù)在10以上，低剪切速率黏度高(LSRV在30000mPa·s以上)；③循環(huán)洗井時(shí)，可通過(guò)泵入一段白油后跟一段稠塞(井漿+5～10kg/m3HIRHEO-A提切劑)的方法，大排量循環(huán)并不停地上下活動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具協(xié)助清砂；④鉆進(jìn)新地層后及時(shí)開(kāi)啟固控設(shè)備，清除有害固相。要求固相控制設(shè)備(振動(dòng)篩、除泥器、除砂器及離心機(jī)等)運(yùn)行正常，配備相應(yīng)的易損配件，能有效清除鉆井液中的有害固相。

3)實(shí)時(shí)監(jiān)控摩阻扭矩的變化 合理安排短起下、倒劃眼及循環(huán)：①現(xiàn)場(chǎng)安排專職人員利用專業(yè)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)；②建議每300～500m進(jìn)行一次短起下，短起前要充分進(jìn)行井眼循環(huán)，根據(jù)大位移井的特點(diǎn)考慮不同井斜段對(duì)循環(huán)時(shí)間的影響，應(yīng)至少進(jìn)行3～5個(gè)循環(huán)周；③若需起至上層套管鞋，根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)進(jìn)行分段循環(huán)洗井，建議每300～500m，循環(huán)1～2周；④嚴(yán)格控制裸眼段起鉆速度不超過(guò)3min/柱；⑤如果起鉆遇到阻點(diǎn)，下回2～3柱使BHA離開(kāi)遇阻點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)循環(huán)30min。停泵停轉(zhuǎn)，試著上提通過(guò)阻點(diǎn)。如阻點(diǎn)消失，阻點(diǎn)為巖屑床造成，或巖屑床移動(dòng)到上面位置，則需充分循環(huán)3～5周，以清除巖屑床，然后再起鉆；如果阻點(diǎn)依然在那里，則可能是其他原因(鍵槽、臺(tái)階等)，嘗試在該阻點(diǎn)區(qū)域劃眼/倒劃眼以清除阻點(diǎn)，直到停泵停轉(zhuǎn)時(shí)該井段光滑繼續(xù)起鉆；⑥如果通過(guò)短起下、分段循環(huán)等措施，巖屑仍不能有效清除出井眼，倒劃眼可作為最后一道解決辦法，并且一旦開(kāi)始就要一直倒劃眼到套管鞋以下2～3柱循環(huán)2～3周，倒劃眼最大速度為4～5柱/h。如中途通過(guò)倒劃眼參數(shù)及振動(dòng)篩判斷，井眼已較為干凈，準(zhǔn)備直接起鉆，仍建議先循環(huán)3周以上。

圖2 PH-ZG1井直徑12in井段黏度、動(dòng)切力隨井深變化

圖3 PH-ZG1井直徑12in井段動(dòng)塑比隨井深變化

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

2)鉆井工程采用大排量(3800～4000L/min)和高轉(zhuǎn)速(>120r/min )，滿足清除巖屑床的需求。

3)每次起鉆前充分循環(huán)，時(shí)間不少于4～5個(gè)循環(huán)周。

4)每次短起，起鉆至套管鞋，鉆進(jìn)至井斜較大、水平位移較長(zhǎng)時(shí)，起鉆至35°井斜以內(nèi)井段。

通過(guò)采取上述井眼清潔措施后，PH-ZG1井作業(yè)順利，直徑12in井段未出現(xiàn)復(fù)雜的井下事故。

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

1)通過(guò)對(duì)大位移井巖屑床厚度的模型分析，定性地討論衡量了4種關(guān)鍵參數(shù)對(duì)井眼清潔的影響。分析表明，在保證安全鉆進(jìn)的情況下應(yīng)盡可能提高鉆井液排量，合理控制機(jī)械轉(zhuǎn)速，改善鉆井液性能，特別是攜巖性和流變性，以提高鉆井液懸浮和攜帶巖屑的能力。

2)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)計(jì)算的井眼清潔關(guān)鍵參數(shù)，及時(shí)預(yù)判巖屑床厚度，合理控制機(jī)械鉆速，保證鉆井液大排量和鉆桿高轉(zhuǎn)速，并維持鉆井液動(dòng)塑比在0.3～0.6Pa/(mPa·s)之間，以滿足直徑12in井段井眼清潔要求。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控摩阻、扭矩的變化，合理安排短起下、倒劃眼及循環(huán)等技術(shù)和手段輔助清潔井眼，取得了良好的效果，PH-ZG1井中完直接起鉆，起下鉆順利，下套管無(wú)阻掛，返砂效果好，無(wú)巖屑床。

3)大位移井井眼清潔技術(shù)在PH-ZG1井的成功應(yīng)用極具代表性，這是理論與實(shí)際相結(jié)合的又一突破，對(duì)東海其他區(qū)塊大位移井的作業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。

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