ECD 技術(shù)在勘探鉆井中的應用及提速效果

翟立偉（中海油深圳分公司深水工程技術(shù)中心，廣東 深圳 518000）

1 ECD 的概念

ECD(equivalent circulating density)是鉆井液循環(huán)當量密度的簡稱,它是指在鉆井液循環(huán)過程中某深度處的鉆井液液柱壓力(包括循環(huán)壓耗、波動壓力等)折算成的當量密度。在鉆井液正常循環(huán)時，井底的液柱壓力等于環(huán)形空間靜液柱壓力與環(huán)空中循環(huán)壓力損失之和。

2 實測ECD 的計算模型

目前，學術(shù)上對于ECD 值的計算模型研究，主要分為理論ECD 值計算和實測ECD 值計算。對于理論上鉆進至某一深度處的ECD 值，可通過下式計算

式中：α 為校正系數(shù)，利用井眼清潔時的實測ECD 對理論計算出的ECD 進行相應的校正；R 為考慮鉆柱偏心對環(huán)空壓耗產(chǎn)生的影響因子。

可見，理論計算出的ECD 值僅與鉆井液的密度、井筒的摩擦系數(shù)與鉆井液和鉆柱偏心度以及鉆柱旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，而與井眼是否干凈無關(guān)[1]。

但實測ECD 值是由實測環(huán)空壓力轉(zhuǎn)換而來，與井眼干凈與否密切相關(guān)。例如在大斜度井或者大位移井中，在部分井段，當鉆屑沉積形成巖屑床時，實際環(huán)空壓力下降，對應的實際ECD 值下降；當巖屑在環(huán)空中滯留時，實際環(huán)空壓力上升，對應的實際ECD 值上升。

對于實測ECD 的計算模型，在鉆進過程，環(huán)空壓力Fa主要由環(huán)空中攜帶鉆屑的鉆井液所產(chǎn)生的靜液柱壓力FS和環(huán)空循環(huán)摩阻損失Ff以及井口回壓Fb組成。

式中：Fa為環(huán)空壓力（Pa）；FS為靜液柱壓力（Pa）；Ff為環(huán)空循環(huán)摩阻損失（Pa）；Fb為井口回壓（Pa）；ρs為混合鉆屑的鉆井液密度（kg/m3）；h 為垂直井深（m）；f 為鉆井液摩擦系數(shù)，無量綱；V 為鉆井液在環(huán)空中的流速（m/s），△L 為井段長度(測深)(m)；Rb、Rd分別為井眼半徑與鉆柱外徑(m)。

鉆進過程，當鉆頭破碎或剪切的巖屑無法及時從井筒返出時，環(huán)空中鉆屑的濃度就會不斷增加，導致鉆井液密度增加，最終使得鉆井液靜液柱壓力不斷增加，井下環(huán)空壓力相應增加。將井下環(huán)空壓力進行相應的變換，將其轉(zhuǎn)化為鉆井液當量密度（ECD）值ρ實，則

3 實例計算

根據(jù)上述實測ECD 的計算方法，現(xiàn)以南海東部某井相關(guān)資料對鉆頭處ECD 值進行計算，并與現(xiàn)場儀器監(jiān)測值進行對比。

該井井型為直井，一開鉆進36”井眼至318 m，下30”導管至317.46 m，二開鉆進17-1/2”井眼至760 m，下13-3/8”套管至751.76 m，三開鉆進12-1/4”井眼至2 553 m，下9-5/8”套管至2 545.64 m，四開鉆進8-1/2”井眼至3 791 m。

鉆進至3474.12m 時，現(xiàn)場記錄sρsρ =1.31×103kg/m3，V=1.57 m/s，通過鉆井液性能實驗，此時f=0.7，代入公式（4）及（3）得

另一方面，根據(jù)現(xiàn)場儀器監(jiān)測，鉆進至3474.12m 時，ECD監(jiān)測值如圖1 所示。

由圖可知，鉆頭處ECD 監(jiān)測值為1.32。因此，該井鉆進至3 474.12 m 時，ECD 的實測計算值與儀器監(jiān)測值相符。

圖1 現(xiàn)場儀器監(jiān)測值

4 鉆進過程降低ECD 的方法

在鉆進過程，通過實測ECD 的計算或者現(xiàn)場儀器的監(jiān)測，可以得到ECD 值。該值的大小對于判斷井眼清潔狀況具有借鑒意義，現(xiàn)場鉆井作業(yè)可以通過采取以下工藝技術(shù)來降低ECD 值。

4.1 泵入高粘度或者高密度鉆井液。

高粘度鉆井液俗稱稠漿，是指漏斗粘度通常在120 ～180 s之間的鉆井液。高密度鉆井液俗稱重漿，是指密度通常高于正在循環(huán)鉆井液0.2～0.3 g/cm3的加重鉆井液。利用上述兩種鉆井液優(yōu)良的攜巖性能及時帶出鉆頭破碎或剪切的巖屑，能有效改善鉆柱與所鉆井眼環(huán)空的清潔狀況，從而降低環(huán)空壓力，降低ECD 值。該方法是海上鉆井作業(yè)改善井眼清潔程度的常用方法。

4.2 調(diào)整鉆井液的性能。

實驗表明低流變性的鉆井液有助于降低井眼環(huán)空摩擦損失，降低ECD 值。當環(huán)空返速一定時，選擇合適的流變參數(shù)是井眼清潔的關(guān)鍵。比如鉆進過程適當提高屈服值，適當提高Yp/Pv 的值均有利于井眼的清潔，同時提高鉆井液低剪切速率下的流變性也有利于井眼的清潔。結(jié)合鉆井液性能與振動篩返出情況，表明在較高的低剪切速率下的鉆井液能明顯減少井內(nèi)巖屑數(shù)量，提高攜砂效果，且在鉆進過程可以通過提高3 r/min和6 r/min 的讀數(shù)，及時排出鉆屑，達到降低ECD 的效果。

此外，可以使用相關(guān)專業(yè)軟件，分析鉆井液的流態(tài)和流變性，得出最佳的參數(shù)配合組合，從而降低ECD 值。

4.3 增大泵排量。

理論與實踐證明，在泥漿泵等鉆井設(shè)備及工況條件允許的情況下，增大泵排量，鉆井液可以及時攜帶井底巖屑，同時也能提高鉆井液的環(huán)空返速，進而改善井眼清潔的效果，降低ECD值。另一方面，平板型層流攜巖效果好于層流，盡量采用平板型層流流態(tài)也是一種改善井眼清潔狀況，降低ECD 值的方法。

4.4 進行短起下鉆作業(yè)。

當鉆頭持續(xù)進尺較多時，ECD值會相應一定程度的增大，進行短起下鉆作業(yè)，可以最大限度的攜帶所鉆井眼鉆進過程滯留在井底及環(huán)空的巖屑，使井筒徹底清潔。繼續(xù)進行鉆進作業(yè)時，ECD 值會相應低一些。

4.5 使用較新技術(shù)。

4.5.1 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由BP，SHELL UK, TOTALD 等六家石油公司投資研發(fā)，且于2003 年7 月試驗成功。它是一種在頂驅(qū)鉆機上使用的不間斷循環(huán)系統(tǒng)，核心是一個連續(xù)循環(huán)聯(lián)結(jié)器以實現(xiàn)鉆完一柱卸頂驅(qū)接新立柱時，仍保持井筒與地面循環(huán)，及時攜帶巖屑改善井眼清潔狀況，降低ECD 值[2]。

4.5.2 降低ECD 工具

該工具由威德福公司研制。它由三部分組成：上部是一臺渦輪馬達，它從循環(huán)的鉆井液中吸收液壓能并將其轉(zhuǎn)換成機械能；中部是由渦輪馬達驅(qū)動的多級混合流量泵（部分軸向、部分徑向），它抽吸環(huán)空返回的鉆井液；下部由軸承和密封組成。該泵可以在裸眼井段產(chǎn)生更低的ECD 值。該工具主要優(yōu)點是可降低裸眼井段局部ECD 值，保持井筒壓力，從而保持井眼清潔。

5 結(jié)語

(1)ECD 值對于現(xiàn)場鉆井工作者具有重要參考意義，它是判斷井眼清潔與否的主要指標之一，通過實測ECD 的計算或者儀器監(jiān)測，可以判斷所鉆井眼清潔狀況是否在合適范圍內(nèi)。

(2)目前，降低ECD 值的方法有多種。視現(xiàn)場作業(yè)具體情況，采取泵入高粘度或者高密度鉆井液、調(diào)整鉆井液的性能、增大泵排量、進行短起下鉆作業(yè)以及使用較新技術(shù)等措施對于降低井眼ECD 值具有良好效果。

(3)在鉆進過程，鉆井液及時攜帶出鉆頭破碎或剪切的巖屑，避免巖屑壓持在井底，縮小環(huán)空壓力與地層壓力之間的壓差，使ECD 保持在相對較低值，可提高機械鉆速。