杭錦旗區(qū)塊巖屑床清除技術(shù)探討

陳金舉，劉金牛，劉桂君

（中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州450000）

1 巖屑床的形成和影響

1.1 巖屑床的成因

在井斜大于45°的大斜度定向井中，由于重力作用，鉆具在井眼中靠向下井壁，即偏心，使巖屑易沉向下井壁且不易清除，形成巖屑床；尤其在鉆井液停止循環(huán)時，在井斜角大于45°的大斜度定向井中，巖屑主要沿著井眼徑向下沉，由于井筒徑向距離有限，巖屑很快地聚集停留在下井壁上，更加速了巖屑床的形成。

1.2 巖屑床的危害

巖屑床的形成，增加了環(huán)空泥漿中的固相含量，減小了環(huán)空間隙，容易引起憋泵；巖屑床的存在會使鉆具下部的扶正器產(chǎn)生相當大的扭矩或造成泥包扶正器，從而導致憋鉆；此外，停泵后井眼中巖屑下沉形成臺肩、砂橋，造成砂卡或粘卡。如果巖屑床過厚，會使井眼變成“橢圓”狀，導致起下鉆過程中阻卡，在中完作業(yè)過程中導致電測井遇阻、遇卡。

2 影響攜巖效率因素分析

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究[1-2]，參考冀東某油田巖屑床厚度半經(jīng)驗公式，如下：

式中：Hc——巖屑床厚度，mm；

DO——井眼直徑，mm；

DPO——鉆具外徑，mm；

DS——巖屑直徑，mm；

E——鉆具偏心度，無因次；

μe——鉆井液有效粘度，mPa·s；

vc——環(huán)空臨界返速，m/s；

va——鉆井液環(huán)空返速，m/s；

ρs——巖屑顆粒密度，g/cm3；

ρm——鉆井液密度，g/cm3；

θ——井斜角，rad；

k——鉆井液稠度系數(shù)，Pa·sn；

n——鉆井液流型指數(shù)，無因次。

設(shè)定DO為244.75mm（擴大率10%），一般將井眼直徑的10%作為巖屑床厚度的安全極限值，即在井徑擴大率為10%的情況下，巖屑床厚度的安全極限值Hc(Max)＜244.75mm×10%=24.5mm。設(shè)定DPO為127.0mm，DS為5.0mm，E為0.5，ρs為2.62g/cm3，ρm為1.20g/cm3，鉆井液θ600為70，鉆井液θ300為45，分別考察井斜、排量、鉆井液流變性、流態(tài)、鉆具轉(zhuǎn)速、短起下等對巖屑床的影響。

2.1 井斜角對巖屑床厚度的影響

設(shè)定泵沖為95spm（29.58L），分別計算θ為0°～90°形成巖屑床厚度，如圖1所示。由圖1可以看出：井斜超過30°以后，巖屑床厚度已經(jīng)達到安全極限；井斜在60°～70°時巖屑床厚度達到峰值，井斜在70°以后巖屑床厚度和峰值相差不大。

2.2 鉆井排量對巖屑床厚度的影響

設(shè)定θ為65°，分別計算泵沖從0～120spm形成巖屑床厚度，如圖2所示。

圖1 井斜角對巖屑床厚度的影響

圖2 排量對巖屑床厚度的影響

由圖2可以看出：泵沖越大，巖屑床厚度越??；泵沖達到120spm時，巖屑床厚度仍然超過安全極限。JPH-451井A靶點施工期間，泵沖一直控制在80spm左右，因此在3100～3200m形成巖屑床是必然的。

2.3 鉆井液流態(tài)、流變性對于攜巖效果影響

（1）環(huán)空鉆井液流態(tài)對巖屑床的影響[3]。在井斜45°以后，鉆井液處于紊流狀態(tài)更有利于斜井段、水平段的攜巖效率提升。在紊流狀態(tài)下，巖屑不存在轉(zhuǎn)動和滑落情況，能夠均勻分布于鉆井液中，幾乎全部攜帶到地面上來。鉆井液在紊流的情況下，高流速對于井壁的沖蝕嚴重，正好起到對巖屑床的沖刷，達到清理巖屑床的目的。

首先，根據(jù)雷諾數(shù)判斷鉆井液環(huán)空流態(tài)[13]。當Re≥2100為紊流，當Re＜2100為層流，Re計算公式如下：

式中：Re——鉆井液在環(huán)空中的雷諾數(shù)，無因次；

τy——動切力（屈服值），Pa；

μPV——塑性粘度，mPa·s。

設(shè)定井斜為65°，泵排量為95spm（29.58L），鉆井液θ600為70，鉆井液θ300為45，計算得Re為224。再次對θ600、θ300在正常范圍內(nèi)調(diào)整，Re始終在200～300之間，即鉆井液在環(huán)空始終處于層流狀態(tài)。

其次，根據(jù)Z值（流態(tài)指示值）判斷鉆井液環(huán)空流態(tài)[13]。當Z≥808為紊流，當Z＜808為層流，Z計算公式如下：

式中：Z——流態(tài)指示值，無因次。

設(shè)定井斜為65°，泵排量為95spm（29.58L），鉆井液θ600為70，鉆井液θ300為45，計算得Re為246。再次對θ600、θ300在正常范圍內(nèi)調(diào)整，Re始終在100～500之間，即鉆井液在環(huán)空始終處于層流狀態(tài)，再次驗證了利用Re對環(huán)空鉆井液流態(tài)的判斷。

2）基于三維模型的動態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)，實現(xiàn)對人員及故障設(shè)備位置的及時掌握，便于進行巡檢管理及開展事故應(yīng)急處理[5]；

綜上，通過改變環(huán)空流態(tài)達到紊流效果以提高攜巖效率基本不可能實現(xiàn)。

（2）鉆井液流變性對巖屑床厚度的影響。設(shè)定θ為65°，泵沖為95spm（29.58L），鉆井液θ600為60，分別計算動塑比在0.1～1.0Pa/mPa·s時形成的巖屑床厚度，如圖3所示。

圖3 鉆井液流變性對巖屑床厚度的影響

由圖3可以看出：當動塑比為0.25Pa/mPa·s時，巖屑床厚度達到峰值；當動塑比超過0.25Pa/mPa·s以后，巖屑床厚度明顯降低。由此可知：調(diào)節(jié)鉆井液動塑比可以有效提高攜巖效率，降低巖屑床的厚度，但動塑比過高以后會導致鉆井液流動困難，“裹”氣泡嚴重，嚴重影響定向儀器信號傳遞及鉆井泵上水效率，因此將動塑比控制在0.3～0.4Pa/mPa·s比較合適。

2.4 提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、短起下對清除巖屑床的分析

（1）提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速有利于提高攜巖效率[4-6]。在大斜度段和水平段，鉆柱在重力作用下，躺在井眼低邊，鉆柱旋轉(zhuǎn)時鉆柱與巖屑和鉆井液間產(chǎn)生引帶力和撞擊力，該力方向與鉆柱轉(zhuǎn)動方向相同，在這種引帶力和撞擊力的作用下，鉆屑被撞松并涌向井眼中心，隨著上返的鉆井液向上運移，這兩種作用力隨著井斜角的增加作用力增強，因此大斜度井段效果較為明顯。

（2）統(tǒng)計了2017～2019年部分井短起下節(jié)點以及通井時間，見表1。

表1 2017～2019年施工井A靶點鉆進期間短起下及通井時間統(tǒng)計對比

圖4 通井時間小于50h井與JPH-451井、J72-5-P2井對比

從圖4可以看出：A靶點通井時間小于50h的井，短起下節(jié)點最小井斜在55.7°，大部分井在井斜50°以后還進行1～2次短起下；通井時間較長的JPH-451以及J72-5-P8井在井斜23°以后沒有再進行過短起下；對比可知，及時進行短起下可以有效地破壞巖屑床[7]。

3 JPH-451井A靶點施工概況

JPH-451井是部署在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部的一口三級結(jié)構(gòu)導眼水平井，目的層位于二疊系下統(tǒng)下石盒子組盒1段，設(shè)計鉆井周期64d，實際鉆井周期78.5d，超設(shè)計鉆井周期14.5d。A靶點電測前通井時間長達347.00h，合14.46d，其中兩次電測均在3175m左右遇阻。從電測曲線上來看，其A靶點井徑規(guī)則，擴大率僅4.89%，井徑曲線見圖5，兩次電測遇阻點沒有明顯的“大肚子”井眼，因此排除物理支撐不足、封堵性能差導致的井壁失穩(wěn)影響，推斷該井A靶點電測前通井時間長主要原因是巖屑床影響。

圖5 JPH-451井A靶點井徑

4 J72-9-P2井A靶點施工針對性措施

（1）由于低剪切粘度更能直觀地放映出鉆井液的懸浮攜巖性能，施工期間控制鉆井液的低剪粘度θ3≥3[12]；

（2）施工泵沖不小于90spm（28L/s）；

（4）每班加入0.5t隨鉆堵漏材料，復配使用SCD、FDL、PSD以及剛性堵漏劑；

（5）鉆進至下石盒子組之前，提高密度至1.20g/cm3，中完控制密度最高為1.21g/cm3；

（6）鉆井液性能：粘度 50～65s；靜切2～4Pa/8～12Pa；動塑比：0.36～0.40Pa/mPa·s；中壓濾失量不大于4mL；固含不大于7%。

5 J72-9-P2井A靶點施工情況

5.1 本井概況

J72-9-P2井是部署在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部的一口三級結(jié)構(gòu)無導眼水平井，目的層位于二疊系下統(tǒng)下石盒子組盒1段，設(shè)計完鉆井深4474.52m。井身結(jié)構(gòu)：?311.2mmbit×401m+?222.3mm×3270m+?152.4mmbit×4474.52m。

2019年11月30日，J72-9-P2井于井深2660m完成磺酸鹽復合鹽水鉆井液體系轉(zhuǎn)型，層位為石千峰組。

5.2 鉆井液性能

A靶點施工期間鉆井液性能，見表2。

表2 J72-9-P2井A靶點鉆井液性能

5.3 鉆井排量及短起下情況

本井造斜點2325m，A靶點施工期間排量一直控制在29L/s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為35～40r/min。

鉆進期間進行4次短起下，分別是斜深2660m/井斜40.4°、斜深2940m/井斜66°、斜深3103m/井斜73.8°、斜深3232m/井斜83.06°。

5.4 A靶點電測前通井情況

本井A靶點井深3280m，地層盒1組，12月10日1:00接A靶點完鉆通知，使用原鉆具通井短起下5次，于12月11日13:00起鉆完開始測井，期間循環(huán)通井共計用時36.0h。

6 認識與建議

（1）J72-9-P2井A靶點施工期間井壁穩(wěn)定，測井顯示井徑擴大率僅5.61%。A靶點井徑見圖6。

圖6 J72-9-P2井A靶點井徑

（2）J72-9-P2井A靶點電測前通井時間較2018年平均水平降低50%以上，說明采取的措施較好地解決了A靶點施工期間的井壁穩(wěn)定問題，及時清理了斜井段存在的巖屑床，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

（3）建議后續(xù)施工控制低剪粘度θ3≥3，同時控制動塑比在0.4～0.5Pa/mPa·s，n在0.4～0.7之間，繼續(xù)觀察效果。

（4）建議在A靶點施工期間將轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到60～70r/min，提高鉆屑的上返能力，進一步降低巖屑床厚度。