水平井、大斜度井井眼清潔機(jī)理分析

（1渤海鉆探井下技術(shù)服務(wù)公司 天津300283；2渤海鉆探第三鉆井公司 天津300280；3.大港油田井下作業(yè)公司 天津300283）

（1渤海鉆探井下技術(shù)服務(wù)公司 天津300283；2渤海鉆探第三鉆井公司 天津300280；3.大港油田井下作業(yè)公司 天津300283）

根據(jù)大斜度井水平井的巖屑沉積及巖屑運(yùn)移情況，通過(guò)理論分析，計(jì)算了粘度和流速對(duì)巖屑床的影響，結(jié)果表明增大粘度可以降低巖屑床高度和提高流速可以清楚巖屑床，理論分析了門(mén)限流速的產(chǎn)生以及轉(zhuǎn)速對(duì)清潔巖屑床的影響，結(jié)果表明提高粘度對(duì)井眼清潔效果明顯，流速是影響井眼清潔的主要參數(shù)，但是由于設(shè)備、井深等的限制粘度和流速的調(diào)節(jié)范圍有限，鉆柱旋轉(zhuǎn)對(duì)井眼清潔起主要作用，在實(shí)際操作過(guò)程中要通過(guò)鉆井參數(shù)控制，泥漿性能控制，鉆井操作等幾個(gè)方面共同作用才能很好的控制巖屑床，保證施工安全。

水平井巖屑清潔流速轉(zhuǎn)速

1 前言

對(duì)于大斜度井和水平井而言，井眼清潔的好壞直接關(guān)系到一口井的成敗。

從現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看由于井下巖屑得不到充分清洗而直接導(dǎo)致的起下鉆遇阻、卡現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1-6]。

因此，研究水平井和大斜度井井眼清潔機(jī)理，不僅具有理論意義，而且也具有重要的實(shí)際意義。

一個(gè)清潔的井眼是指巖屑床的高度和分布不影響鉆井施工。在大斜度井段和水平井段，巖屑重力沉降方向與鉆井液流動(dòng)軸向不在一條直線上，其合速度方向指向井眼下側(cè)，因而極易在井壁下側(cè)形成巖屑沉積床。

因此研究井眼清潔的關(guān)鍵就是研究井筒中巖屑的運(yùn)移的影響因素，進(jìn)而制定清除巖屑床的方法。

2 影響巖屑運(yùn)移因素分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，影響井眼清潔的主要因素可以歸結(jié)為：鉆井參數(shù)，泥漿性能，鉆井操作和鉆井設(shè)計(jì)幾個(gè)方面，鉆井設(shè)計(jì)是鉆井開(kāi)始以前進(jìn)行的，而鉆井液性能的調(diào)節(jié)需要考慮很多因素這里不做詳細(xì)介紹，僅分析鉆井參數(shù)對(duì)巖屑運(yùn)移的影響。

Gavignet和Sobey[7]提出了大斜度井中巖屑傳輸?shù)膬蓪踊灸Ｐ停四Ｐ涂捎脕?lái)模擬管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)和顆粒水力傳輸?shù)攘鲃?dòng)。Martins對(duì)該模型做了進(jìn)一步的改進(jìn)[8]，汪志明等[9]在Martins模型基礎(chǔ)上考慮了巖屑顆粒的分散，建立了兩層不穩(wěn)定巖屑傳輸模型，本文以此模型為基礎(chǔ)編制了相關(guān)的計(jì)算程序，分析粘度及流速的影響。

圖1 粘度對(duì)于巖屑清除的影響

2.1 粘度的影響

在相同的環(huán)空返速（vt=0.6m/s）條件下，鉆井液流變參數(shù)的影響規(guī)律如圖1所示。

使用的低粘度鉆井液參數(shù)為k=0.2mPa·sn，n=0.68；高粘度鉆井液參數(shù)為k=0.37mPa·sn，n=0.70。

可以看出，高粘度的鉆井液比低粘度的鉆井液清潔的效果更好。

即使兩鉆井液具有相同的密度，其作用時(shí)間也不同：低粘度的鉆井液在井眼中達(dá)到穩(wěn)態(tài)大約需1200s左右，而高粘度的鉆井液在2000s后還在沖蝕巖屑床。

從圖中也可以看出，高粘度鉆井液在穩(wěn)態(tài)時(shí)所形成的巖屑床比低粘度鉆井液在穩(wěn)態(tài)時(shí)所形成的巖屑床要低一些。

但是同時(shí)也應(yīng)該指出在實(shí)際鉆井過(guò)程中，泥漿粘度會(huì)受到一定限制，這是因?yàn)椋扯仍黾友爻棠ψ璞厝辉黾?，從而?duì)于泵壓的要求就增加，從而在鉆井設(shè)計(jì)階段就要考慮泥漿泵的性能。

2.2 流速的影響

圖2是環(huán)空返速分別是vt=0.6m/s（較低環(huán)空返速）和vt=1.2m/s（較高環(huán)空返速）情況下，巖屑床高度隨時(shí)間的變化情況。

圖2 環(huán)空返速對(duì)于巖屑清除的影響

從圖中可以看出，如果環(huán)空返速較低，只有部分巖屑被除去。隨著鉆井液流速的增加至一定程度，巖屑床可以完全被除去。因此，在一定流速條件下，長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)鉆井液可以完全除去巖屑床。這也就說(shuō)明了，流速對(duì)于巖屑床的控制的必要性。最理想的情況，大位移井的每一段都應(yīng)處于允許的最大流速，直到因?yàn)楸砻鎵毫蛘呔足@具限制而改變。其他的限制例如當(dāng)量循環(huán)密度受限可能意味著流速需要降低。

另一方面通常認(rèn)為高流速會(huì)沖刷井筒，紊流會(huì)導(dǎo)致井筒沖蝕，這是一個(gè)誤解，原因如下：

在所有的目的井中使用粘性泥漿體系，不管流速多大在環(huán)空中都很難達(dá)到紊流，在隔水管中海水可能形成紊流，但是大部分還是層流。不管理論環(huán)空返速，實(shí)際緊貼井壁的流體速度等于0，這是因?yàn)榱黧w是粘性的，流體越貼近井壁運(yùn)動(dòng)越慢，距離井筒中心越近，速度越快。

實(shí)際上大多數(shù)的井眼侵蝕發(fā)生在鉆頭處，這主要是為了高比水功率噴射鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭噴嘴流出的高壓高速流體對(duì)于井底和近鉆頭井壁的沖刷，高比水功率與幾乎所有的井眼侵蝕有關(guān)。

2.3 門(mén)限流速的產(chǎn)生

從現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，巖屑運(yùn)移流速存在門(mén)限值。從定性的角度考慮，主要是兩個(gè)原因引起的：一是從巖屑床高度考慮，從巖屑床高度的計(jì)算來(lái)看[9]，顆粒擴(kuò)散系數(shù)本身存在一個(gè)拐點(diǎn)，從而在達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生一個(gè)突變。另一方面從巖屑顆粒受力角度考慮，如圖3所示。

圖3 巖屑床顆粒受力情況

從巖屑顆粒受力分析來(lái)看，巖屑床表層顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)，從而所有與顆粒運(yùn)動(dòng)有關(guān)的力都為0，其中F為顆粒對(duì)流體的阻力，同時(shí)也是流體對(duì)于顆粒的推動(dòng)力，如果顆粒發(fā)生運(yùn)移，巖屑床厚度變薄，F(xiàn)必須克服下層顆粒對(duì)于此顆粒的阻力，即T1與T2在水平方向上分力與阻力f（主要是摩擦力）的合力，在顆粒運(yùn)動(dòng)以前T1與T2都是不變的，運(yùn)動(dòng)后，T1瞬間消失從而對(duì)于F就存在一個(gè)門(mén)限值，根據(jù)圓球形物體阻力計(jì)算的一般公式為：

式中：

ρ為流體密度，kg/m3；

u1為圓球體與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（顆粒靜止，u1即為流體速度），m/s；

ds為圓球體直徑，m；

Ф為與雷諾數(shù)Re有關(guān)的系數(shù)（對(duì)非圓球體，還與物體形狀有關(guān)），由實(shí)驗(yàn)確定。

F對(duì)巖屑單元來(lái)說(shuō)也是驅(qū)使巖屑發(fā)生運(yùn)移的主動(dòng)力。

若把F力看成球體直徑平面上的分布力，則

從而可知，F(xiàn)與顆粒的大小和流體流速呈二次方關(guān)系，在顆粒大小一定時(shí)，要使顆粒運(yùn)動(dòng)必須達(dá)到一定流速，從而存在門(mén)限流速，只有流速達(dá)到一定程度，流速改變很小就可以讓顆粒運(yùn)移。

2.4 鉆柱旋轉(zhuǎn)的影響

在大斜度井段，鉆具的高速旋轉(zhuǎn)對(duì)井眼清潔是必須的。

由于鉆桿旋轉(zhuǎn)的影響較為復(fù)雜，難以將其引入實(shí)際的理論計(jì)算中，故理論計(jì)算中很難考慮鉆桿旋轉(zhuǎn)，本文定性的分析了鉆柱旋轉(zhuǎn)對(duì)于巖屑運(yùn)動(dòng)的影響。

巖屑單元的運(yùn)移趨勢(shì)由巖屑所受的主動(dòng)力狀況決定。在偏心環(huán)空軸向流動(dòng)下旋轉(zhuǎn)鉆柱，環(huán)空鉆井液呈螺旋流動(dòng)，此情況下靜止的巖屑床表面巖屑顆粒受力，如圖4所示。

與不旋轉(zhuǎn)時(shí)候相比，旋轉(zhuǎn)的時(shí)候表面顆粒受液流旋轉(zhuǎn)影響還產(chǎn)生了一個(gè)彎矩，而由于流速產(chǎn)生的主推動(dòng)力仍然不變，從而在此工況下，由于旋轉(zhuǎn)鉆柱的擾動(dòng)，靜巖屑床的巖屑易于進(jìn)入流動(dòng)區(qū)域，而進(jìn)入流動(dòng)區(qū)域的巖屑顆粒由于液流的旋轉(zhuǎn)作用受力更加復(fù)雜，并且更容易產(chǎn)生徑向位移，增加了顆粒間碰撞的幾率，從而獲得更大動(dòng)量，與下層巖屑顆粒的碰撞增加，從而使巖屑床都易于破壞。

圖4 有鉆具旋轉(zhuǎn)情況下巖屑床顆粒受力情況

通過(guò)以上分析可以認(rèn)為井眼清潔有兩個(gè)機(jī)理：分散和機(jī)械清除。

分散有效的將巖屑分散到泥漿中，這樣巖屑就可以相當(dāng)輕松地移除。

要達(dá)到這樣的目的需要具備兩個(gè)條件：

首先，所鉆地層必須是松軟并且易于分散的。

然后，泥漿體系必須無(wú)抑制性，因?yàn)橐种菩詴?huì)阻止巖屑進(jìn)入泥漿。

總之，分散只在大直徑的上部井段中應(yīng)用，此時(shí)使用低價(jià)的水基泥漿。從井筒中機(jī)械清除巖屑，需要許多參數(shù)共同作用。但是在水平井和大斜度井中，旋轉(zhuǎn)和流速是井眼清潔兩個(gè)最重要的參數(shù)。旋轉(zhuǎn)控制井眼清潔的效率，流速控制井眼清潔的速度。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于巖屑運(yùn)移的偏微分方程組進(jìn)行數(shù)值求解，結(jié)果表明高粘度鉆井液在穩(wěn)態(tài)時(shí)所形成的巖屑床比低粘度鉆井液在穩(wěn)態(tài)時(shí)所形成的巖屑床要低一些。隨著鉆井液流速的增加，當(dāng)流速達(dá)到一定程度時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)鉆井液可以將巖屑床完全除去。

（2）通過(guò)對(duì)巖屑床表面顆粒的受力分析，認(rèn)為清除巖屑床存在門(mén)限流速，這主要是因?yàn)橐环矫鎺r屑的擴(kuò)散本身存在突變性，另一方面在顆粒大小一定時(shí)，要使顆粒運(yùn)動(dòng)必須達(dá)到一定流速，從而存在門(mén)限流速。

（3）對(duì)巖屑床表面顆粒進(jìn)行靜態(tài)受力分析，結(jié)果表明在斜井和水平井中旋轉(zhuǎn)鉆柱有助于破壞巖屑床，提高環(huán)空中巖屑的運(yùn)移行程。鉆井液在環(huán)空流動(dòng)過(guò)程中，由于液流的紊動(dòng)以及巖屑間的相互碰撞，會(huì)對(duì)某些巖屑的運(yùn)移有一定影響，但在環(huán)空流動(dòng)過(guò)程中巖屑被運(yùn)移的基本趨勢(shì)不會(huì)變。

（4）在井眼清潔中，單獨(dú)依靠提高轉(zhuǎn)速，提高流速和改變泥漿流變性都不能高效的清潔巖屑，在實(shí)際操作過(guò)程中要相互配合使用才能有效清潔井眼。

[1]Ozbayoglu E M,Saasen A,Sorgun M.Effect of Pipe Rotation on Hole Cleaning forWater Based Drilling Fluids in Horizontal and Deviated Wells[C].IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition.Jakarta,Indonesia,SPE 114965,2008. Galveston,Texas,SPE 154759,2012.

[2]張振興，李清，閻宏博."兩速"對(duì)大斜度井井眼清潔的影響 [J].石油化工應(yīng)用，2010，29(2-3)：90-94.

[3]GAVGNET A and SOBEY I J.Model aids cuttings transport prediction[J].JPT,1989：916-921.

水平井、大斜度井井眼清潔機(jī)理分析

■朱炎琛1魯超2姜艷3

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-10-438-2