水平井的減摩降阻技術(shù)研究

于長華

（大慶鉆探工程公司工程技術(shù)處，黑龍江大慶163000）

三肇地區(qū)致密油勘探開發(fā)主要目的層為泉頭組的扶余油層，研究區(qū)域構(gòu)造上位于松遼盆地中央坳陷區(qū)三肇凹陷南部，扶余油層主要受南部物源控制，縱向上主要含油層段位于扶一組和扶二組。該區(qū)塊井設(shè)計二開技套下深為姚家組葡萄花油層以下20m；三開主要是青山口組和目的層泉頭組。該區(qū)塊水平井使用的是水基鉆井液體系，并且設(shè)計的水平段一般較長，因此施工摩阻扭矩特別大。

1 井眼軌跡優(yōu)化

合理的井眼軌跡是減摩降阻的重要因素，它能夠減少井下復雜，保障水平井安全鉆進。

1.1 降低造斜率

以三維井肇平23-平1井為例：從鄰井施工來看，使用PDC鉆頭馬達造斜率不一定能達到要求，后期大段扭方位以及進入泉頭組后，鉆遇紫紅色泥巖時，鉆速不足1m/h，影響施工效率,且整個造斜段曲率較高，施工難度較大。

（1）鑒于已施工的肇平23井偏移距400多米，造斜段扭較大方位，定向施工托壓嚴重；水平段施工后期摩阻扭矩大，施工難度非常大。而肇平23-平1井與其是同平臺施工井，偏移距也達到400多米。為了順利打成肇平23-平1井，現(xiàn)場對其軌跡進行優(yōu)化，設(shè)計出了三種施工方案：

方案一：增加大井眼定向，降低下部施工難度。造斜點上移至1310m，311.2mm井眼定向，鉆至1527m，垂深1516m中完與工程設(shè)計保持一致，大井眼定向曲率4.5°/30m，長度為217m，難度不大。215.9mm井眼可正常使用旋轉(zhuǎn)導向，在井斜76°時扭方位41.56°，最大曲率位3.31°/30m，鉆井深度減少約224m，同樣實現(xiàn)地質(zhì)開發(fā)目標，鉆井施工難度比原軌道降低。

方案二：優(yōu)化三開軌道，降低下部施工難度。1525m開始造斜，曲率6.5°/30m，增斜至70°，段長323m，使用LWD+螺桿，仍存在造斜率不足的可能性。在井斜81.46°時扭方位41.60°，造斜段后期即可使用旋轉(zhuǎn)導向，施工難度比原設(shè)計有所降低。

方案三：優(yōu)化三開軌道，與原設(shè)計造斜2完對齊。1525m開始造斜，曲率5.32°/30m，在井斜75.28°時扭方位74.06°，2372.07m與原設(shè)計造斜2完對齊，對比井眼曲率有所降低。

（2）三種方案與原設(shè)計軌道對比如下：通過模擬軟件計算四種軌道方案在下鉆和鉆進狀態(tài)下的摩阻、扭矩情況，可以得出，在相同條件下，同一井深3713m，方案一的摩阻和扭矩都最小。因此，三維井肇平23-平1井實鉆時選擇了方案一，通過上移造斜點增加大井眼定向?qū)④壽E優(yōu)化后，鉆井施工難度比原軌跡大大降低，本井最終順利完鉆并完井。

1.2 井眼軌跡平滑控制技術(shù)

由于肇源油田致密油水平井的目的層厚度較薄、油層發(fā)育不連續(xù)、垂深變化較大，增大了地質(zhì)導向的難度，著陸段、水平段頻繁調(diào)整井眼軌跡，導致施工難度增加。

（1）井眼軌跡模擬。運用模擬軟件計算兩種軌跡的摩阻扭矩，可以得出源211-扶平6井實鉆軌跡的摩阻扭矩較設(shè)計明顯偏大。而實際施工過程中正是由于水平段導向追層時，頻繁調(diào)整井斜，導致后期摩阻扭矩顯著增大，起下鉆阻卡嚴重。

（2）現(xiàn)場為了保證施工井眼軌跡平滑，采用了以下措施：充分發(fā)揮地質(zhì)錄井作用，建立工程與地質(zhì)一體化的導向模式，積極做好軌跡預判；堅持少滑動、多轉(zhuǎn)動、微調(diào)及勤調(diào)的原則；一旦目的層走向發(fā)生較大變化，保證軌跡平滑過度，不能只為了跟層而不考慮井眼軌跡。

（3）試驗效果。運用模擬軟件計算兩種軌跡的摩阻扭矩，可以得出肇平23井實鉆軌跡的摩阻扭矩較設(shè)計增加不明顯。實際施工過程中雖然在水平段調(diào)整井斜追層，但也是平緩過渡，本井施工順利。

2 清砂工具的應用研究

水平井最為突出的體現(xiàn)是鉆具容易貼近井壁下側(cè)，巖屑顆粒在重力作用下容易沉積在下井壁，形成巖屑床，從而使鉆柱扭矩增大、摩阻增大，導致鉆壓不能全部傳遞到鉆頭、螺桿鉆具定向托壓、機械鉆速慢、起下鉆阻卡甚至鉆進中直接造成沉砂、粘吸卡鉆等問題，直接影響到鉆井作業(yè)的正常進行。

2.1 大斜度井段巖屑運移機理

在大斜度井段，巖屑的運移機制與直井段有很大不同。大斜度井段顆粒速度見圖1，隨著井斜角的增大，鉆井液環(huán)空實際返速Va在垂直方向的分量鉆井液的上返速度Vs逐漸變小，當Vs＜Vh時，巖屑顆粒會向下井壁沉降，在下井壁上形成巖屑床。在井斜角進一步增大的情況下，鉆井液環(huán)空流速Va在垂直方向的分量越來越小，在井斜角達到90°的情況下，此分量甚至變小為零。因此，巖屑顆粒在垂直方向由于受到重力作用，而又沒有相應的垂直向上的速度將其舉升起來的情況下，很容易沉降在下井壁底部形成比較穩(wěn)定的巖屑床，井眼清洗起來很困難。

圖1 大斜度井段顆粒速度示意圖

2.2 井眼環(huán)空的流態(tài)

當流速較小時，流體分層流動，互不混合，稱為層流；逐漸增加流速，流體的流線出現(xiàn)波狀擺動，擺動的頻率和幅度隨流速增加而增加，此種流況稱為過度流；當流速增加到很大時，流線不再清晰可辨，流場中有許多小漩渦，稱為紊流[4]。

層流時環(huán)空內(nèi)流速分布不均勻，環(huán)空中巖屑在鉆柱旋轉(zhuǎn)情況下巖屑更容易被推向井壁，而由于井壁和鉆柱處軸向流速較低，因此巖屑可能由原來的上升變?yōu)殚_始滑落。在滑落過程中，有的巖屑貼在井壁上形成“假泥餅”。

紊流時由于流體質(zhì)點間的互相摻混和碰撞，使得各流體質(zhì)點的運動方向雜亂無章，因此導致了過流斷面上的速度分布比較均勻。在這種流場中，巖屑上升一般不存在翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，是一直上升。

研究表明，不同流態(tài)的鉆井在不同的井斜角下的洗井效果是不同的：井斜角小于30°的井段，層流凈化效果更好；井斜角在30°～60°井段，液體流態(tài)幾乎不影響井眼凈化效果；井斜角大于60°井段，紊流凈化效果更好。

但是，要達到紊流需要的鉆井液排量較大，必然受到地面泵壓和泵功率的限制，也因此會影響泵功率的合理分配。而且對于環(huán)空面積較大或高粘、高切力鉆井液的情況，環(huán)空紊流通常難以實現(xiàn)。

2.3 清砂鉆桿的結(jié)構(gòu)與原理

在排量、鉆井液性能等條件一定的情況下，如何更好地利用鉆井液紊流時流體質(zhì)點的橫向脈動對井壁巖屑床產(chǎn)生的沖刷作用來提高水平井返砂效果。清砂鉆桿包括內(nèi)螺紋接頭、外螺紋接頭和中間帶葉輪結(jié)構(gòu)。清砂鉆桿依靠自身特定的幾何結(jié)構(gòu)，使其周圍流場發(fā)生劇烈的變化來破壞和清除巖屑床[6]，其工作原理主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）清砂鉆桿周圍的環(huán)空截面積比鉆具表面積大得多，流體流經(jīng)其截面，速度會迅速增大，這有利于巖屑的攜帶和對井壁沉積巖屑的剪切清除；

（2）工具的直棱和V形葉片會使周圍的流體方向發(fā)生改變產(chǎn)生旋流，而且，清砂鉆桿快速旋轉(zhuǎn)也會使其周圍的流體產(chǎn)生旋流，對流體進一步增壓，提高流速，尤其是下井壁附近產(chǎn)生更強的剪切速度，這將對沉積于井底的巖屑產(chǎn)生更有效的清除；

（3）工具的槽道采用三段式結(jié)構(gòu)，按照不同導程設(shè)計，使得鉆桿可以在不同的角度去除巖屑，使巖屑清除效率更高。

2.4 清砂鉆桿的現(xiàn)場應用效果

為了進一步驗證清砂鉆桿的應用效果，肇平24井在三開作業(yè)鉆具組合中加入了清砂鉆桿，鉆具組合方式：從加重鉆桿開始，每隔5柱鉆桿加一根清砂鉆桿，一共入井5根。與沒有加入清砂鉆桿的源357-扶平9井進行鉆井參數(shù)對比，可以知道，對于相同的地層、鉆井液等參數(shù)，肇平24井相比源357-扶平9井，泵壓遞增較平緩，扭矩較低，上提下放摩阻較小。

同時，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，正常鉆進時鉆具組合有清砂鉆桿的肇平24井，在單位進尺下巖屑返出明顯較多；循環(huán)劃眼時，憋泵、憋頂驅(qū)的情況明顯減少。因此說明清砂鉆桿確實提高了水平井的井眼凈化程度，減少了巖屑床的存在。

3 結(jié)論與認識

（1）通過井眼軌跡優(yōu)化技術(shù)可以達到減摩降阻的效果，減少井下復雜事故，提高施工效率。

（2）通過在鉆具上加裝清砂鉆桿改善環(huán)空中流場，提高鉆井液對巖屑顆粒的輸送效率，提高水平井井眼凈化程度。這樣可以有效減少鉆柱的摩阻和托壓等問題，減少井下復雜事故的風險，提高鉆井效率。