淺層大位移井井眼清潔效果評價及優(yōu)化方法

程 仲，李 寧，丁翔翔，陳玉山，韓雪銀，李天太，張菲菲

（1．西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2．中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；3．長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

引 言

我國海域廣闊，海岸線長，灘海、淺層海域更是蘊(yùn)藏著豐富的石油天然氣資源，具有良好的勘探開發(fā)前景［1］。大位移井技術(shù)可以增加單平臺控制面積，減少鉆井?dāng)?shù)量，降低開發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)邊部區(qū)塊高效勘探開發(fā)，具有很大的應(yīng)用前景［2］。由于造斜率大、水垂比大、水平段長，淺層大位移井井眼清潔引發(fā)的問題更為嚴(yán)重［3-5］。鉆具嚴(yán)重偏離井眼中心，絕大部分鉆具壓向井壁，加上巖屑床影響，摩阻扭矩增大，必然出現(xiàn)鉆頭加壓困難，甚至托壓；巖屑床的存在致使環(huán)空間隙變小，增大鉆井液環(huán)空循環(huán)壓耗，加之淺部海域地層松軟，承壓能力差，鉆井液安全密度窗口窄，井筒壓力安全也成為不可忽視的問題。

井眼清潔是大位移井能否成功鉆進(jìn)的關(guān)鍵因素之一，井眼清潔困難在大位移井施工中經(jīng)常遇到，在淺層高水垂比大位移井中影響更為明顯。井眼清潔的關(guān)鍵是準(zhǔn)確預(yù)測井筒內(nèi)巖屑分布情況，以指導(dǎo)及時采取有效措施清理巖屑。目前文獻(xiàn)及商業(yè)軟件［6-11］中的井眼清潔計算方法大多為穩(wěn)態(tài)分析方法，不能表征巖屑沉降與累積的過程，少數(shù)瞬態(tài)計算模型［12-13］也只適用于某一井段或某一種流型的局部分析，計算結(jié)果不能拓展應(yīng)用到描述整個鉆井過程中巖屑在大位移井全井段的連續(xù)運(yùn)移過程。導(dǎo)致現(xiàn)有方法無法準(zhǔn)確模擬鉆井過程中的巖屑分布情況，及其對井筒壓力和鉆柱摩阻扭矩的影響，對實(shí)際施工提供的指導(dǎo)分析具有很大的局限性。

本文將考慮大位移井施工的特點(diǎn)，建立用于預(yù)測淺層大位移井動態(tài)巖屑運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型，判斷井筒內(nèi)巖屑分布狀況，并建立巖屑分布對鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（Equivalent Cycle Density，ECD）和摩阻扭矩的影響模型，用以優(yōu)化大位移井鉆井設(shè)計和鉆進(jìn)方案，為淺層大位移井安全鉆進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 井眼清潔模型

1．1 動態(tài)巖屑運(yùn)移模型

在大位移井實(shí)際鉆進(jìn)過程中，井筒內(nèi)固-液兩相流會因工程參數(shù)、井身結(jié)構(gòu)和井眼軌跡的變化出現(xiàn)多種不同的幾何分布形態(tài)［14］，也可稱之為流型。在實(shí)鉆過程中，流型可以被細(xì)分為7種不同的情況，如圖1所示。圖1（a）中巖屑全部懸浮在鉆井液中，不存在沉積巖屑；圖1（b）中部分巖屑在井眼底部沉降并形成可移動的巖屑床或沙丘，與除圖1（a）以外其他流型的區(qū)別為存在不穩(wěn)定的沉積巖屑、懸浮巖屑，且井筒中懸浮巖屑高度達(dá)到環(huán)空頂部；圖1（c）中部分巖屑沉積于底部且穩(wěn)定，形成靜止的巖屑床或沙丘，有懸浮巖屑，并且懸浮巖屑高度達(dá)到環(huán)空頂部；圖1（d）只有靜止的沉積巖屑床而沒有懸浮巖屑；圖1（e）只有不穩(wěn)定的沉積巖屑位于純流體流動的下部；圖1（f）有不穩(wěn)定的沉積巖屑、懸浮巖屑，懸浮巖屑高度沒有達(dá)到環(huán)空頂部，因此整個區(qū)域可以分為3層，固-液混合層在中間，純液層位于上方，移動床層位于下方；圖1（g）有穩(wěn)定的沉積巖屑、懸浮巖屑，懸浮巖屑高度沒有達(dá)到環(huán)空頂部，是另一種3層模式，固-液混合層在中間，純液層位于上方，靜止床層位于下方。需要注意的是，在圖1（b）、（e）、（f）中，巖屑床或沙丘可以在流動方向和逆流方向上移動。不同流型之間的轉(zhuǎn)換條件如圖2所示。

圖1 井筒內(nèi)巖屑流型Fig．1 Cuttings flow pattern in wellbore

圖2 流型自動判別流程圖Fig．2 Automatic discrim ination flow chart of flow pattern

針對不同的流型，基于質(zhì)量守恒和動量守恒基本方程，構(gòu)建動態(tài)巖屑運(yùn)移模型。模型各參數(shù)可以根據(jù)流型變化自動進(jìn)行調(diào)整，能夠處理流型隨時間和巖屑位置的連續(xù)變化，適用于鉆井過程中鉆井參數(shù)的動態(tài)變化。模型如下：

式中：A為流動截面積，m2；C為巖屑體積濃度，%；U為流速，m／s；t為時間，s；S為單層周長，m；P為壓力，MPa；x為沿井筒長度，m；θ為井斜角，（°）；ρ為單層平均密度，g／cm3；τ為剪切應(yīng)力，Pa；Ex為不同層之間巖屑的體積交換率，無量綱；g為重力加速度，m／s2；下角標(biāo)α和β分別代表流型的不同部分（也稱為不同層）；n為給定流型的總層數(shù)，例如，在圖1（g）中，流型分為3層：頂部純鉆井液層、中部混合層和底部巖屑床層。

對于圖1所示的所有流型，不同層都有對應(yīng)的質(zhì)量和動量守恒方程。因此，對于給定流型，其方程總數(shù)取決于它的層數(shù)（例如，圖1（g）中的流型有3個不同的層，對應(yīng)有3個質(zhì)量守恒方程和3個動量守恒方程共6個方程。模型求解采用有限體積差分法，模型的求解過程及需要的閉合關(guān)系均可參考文獻(xiàn)［15］。利用該模型，可以模擬整個鉆井過程中任何時間點(diǎn)巖屑在整個井眼中的分布狀態(tài)。

1．2 井眼清潔對環(huán)空壓力影響

從已有研究可知［16］，巖屑引起的壓降可能比鉆井液流動產(chǎn)生的壓降大幾倍。井眼清潔狀況對大位移井環(huán)空壓力的影響非常顯著，隨著井眼水平段的延長，巖屑對環(huán)空壓力的影響增大。鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖屑通過3種方式影響環(huán)空壓力：其一，懸浮在井筒中的巖屑增加了鉆井液密度。實(shí)際井筒中鉆井液密度取決于懸浮巖屑濃度的大小和巖屑的運(yùn)移模式；其二，巖屑沉降在井筒中，形成難以清理的固定巖屑床或沙丘，會減少環(huán)空的有效流動面積，導(dǎo)致環(huán)空流速增加，環(huán)空壓力隨之增加；其三，巖屑床的存在同時增大了環(huán)空表面的粗糙度，也會導(dǎo)致井筒中壓力的增加。

本文考慮巖屑對環(huán)空有效流動面積、混合相密度和摩擦系數(shù)的影響，更新動量守恒方程，建立了環(huán)空壓力計算模型：

式中：ρm為鉆井液混合相密度，g／cm3；Am為有效流動截面積，m2；Um為環(huán)空流速，m／s；fm為摩擦系數(shù)，無量綱。

1．3 井眼清潔對鉆柱受力影響

研究表明［17］，大位移井井眼清潔不充分會使旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的鉆柱表面扭矩增加，并增加起下鉆時的大鉤載荷。隨著巖屑在井筒中的堆積，鉆柱上的扭矩明顯增加，井眼清潔不充分是發(fā)生托壓風(fēng)險的主要原因之一。巖屑床對鉆柱的影響如圖3所示。為了模擬巖屑對鉆柱受力的影響，需要結(jié)合整個井眼巖屑的分布情況，根據(jù)巖屑對鉆柱受力定量分析模型，確定鉆柱的實(shí)際受力情況。

圖3 考慮巖屑影響的鉆柱單元體受力示意圖Fig．3 Force diagram of drill string unit considering influence of cuttings

為了模擬巖屑對鉆柱摩阻扭矩的影響，將來自巖屑床的附加力添加到標(biāo)準(zhǔn)軟桿模型中，提出了一種新的摩阻扭矩模型。該模型遵循傳統(tǒng)軟桿模型的假設(shè)，鉆柱被當(dāng)作一根軟桿，忽略其抗彎強(qiáng)度，鉆柱與井眼軸線方向一致且與井壁連續(xù)接觸。假設(shè)參數(shù)Fcb表示巖屑床和鉆柱之間的復(fù)雜相互作用，例如，對于起下鉆，可將附加阻力Fcb加到鉆柱的軸向，用于表示巖屑床對鉆柱軸向力的影響。對于旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的鉆柱，將阻力Fcb加至與鉆柱曲線相切并與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向，用于表示巖屑床對鉆柱扭矩的影響。通過對鉆柱元件的單元體進(jìn)行力學(xué)分析，單元體軸向力和扭矩平衡方程可以表示為：

式中：Ft為軸向力，N；Mt為扭矩，N·m；wbp為單根鉆柱的質(zhì)量，kg；tz、nz和 bz分別為z方向上單位切向、法向和副法向向量；wc為接觸力，N；κ為井眼曲率，m-1；μ為摩阻系數(shù)，無量綱；φ為法向接觸力分量的方向，無量綱；Fcb為巖屑床導(dǎo)致的附加力，N；rp為鉆具半徑，mm。

除了每個單元體的附加摩擦力Fcb需要基于局部巖屑床高度來計算之外，用于求解改進(jìn)軟桿模型的算法與求解標(biāo)準(zhǔn)摩阻扭矩模型的算法相似。

在淺層大位移井鉆井過程中，鉆井液安全密度窗口比較窄。提高大位移井井眼清潔程度，降低鉆井液流動帶來的環(huán)空壓耗（即環(huán)空壓力與鉆井液靜水壓力之差）對避免漏失意義重大。除了降低環(huán)空壓耗，另一項(xiàng)必須控制的因素是鉆柱的摩阻扭矩。對于該類井，簡單地以巖屑濃度或巖屑床高度并不能有效評估井眼清潔狀況。在實(shí)際鉆井設(shè)計和施工過程中，為了成功高效地鉆進(jìn)，避免出現(xiàn)井下事故，控制環(huán)空壓力及摩阻扭矩是關(guān)鍵。從壓力安全窗口和摩阻扭矩變化兩個角度出發(fā)去優(yōu)化鉆井過程，可以先滿足摩阻損失方面的要求，然后根據(jù)泵量與環(huán)空壓耗損失之間的關(guān)系來控制環(huán)空壓力，也可以通過降低鉆速來有效降低環(huán)空壓力，使壓力始終保持在安全窗口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)有效的井眼清潔控制和鉆井參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到快速高效的鉆進(jìn)。

2 算例分析與討論

某淺層大位移井A，泥線水垂比高達(dá)6．62，屬于高難度級大位移井。該井造斜點(diǎn)為135 m，980 m達(dá)到井斜84．49°，造斜率 3°／30 m，完鉆井深 5 271 m，井身結(jié)構(gòu)如圖4所示。水平段長約為3 500 m，巖屑堆積引起的裸眼段井筒壓力風(fēng)險和鉆進(jìn)過程中的高扭矩是限制該井安全、高效鉆進(jìn)的2個重要因素。針對該井實(shí)施難點(diǎn)，利用本文的理論模型，分析現(xiàn)有鉆井方案對環(huán)空壓力和鉆具受力的影響，并模擬改變不同鉆井方案對鉆井過程的影響。

圖4 A井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig．4 W ellbore structure diagram of well A

A井三開下入的鉆具組合：?215．9 mm PDC鉆頭 ＋?171．45 mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具 ＋?171．45 mm方位電阻率成像測井儀＋?171．45 mm隨鉆測量儀＋?171．45 mm 無 磁鉆 鋌 ＋?171．45 mm 浮箍 ＋?171．45 mm脈沖信號過濾器 ＋?165．1 mm 鉆鋌＋?165．1 mm 震擊器 ＋?165．1 mm 加重鉆桿 ＋?165．1 mm X／O＋?127 mm鉆桿。

該井平臺井架頂驅(qū)最大連續(xù)輸出扭矩60 kN·m。安全泥漿密度窗口最小為 1．15～1．81 g／cm3。該井所用實(shí)際鉆井液信息及工程參數(shù)見表1。

表1 鉆進(jìn)操作參數(shù)Tab．1 Drilling operation parameters

2．1 鉆井方案反演分析

在實(shí)際大位移井鉆井過程中，為防止出現(xiàn)大量巖屑堆積，遵循“鉆進(jìn)-停鉆循環(huán)”交替出現(xiàn)的鉆進(jìn)程序（即每鉆進(jìn)1根立柱，停鉆循環(huán)45 min），巖屑床在水平段內(nèi)會呈現(xiàn)出波狀的不連續(xù)分布。自4 000 m連續(xù)交替鉆進(jìn)5根立柱后環(huán)空中的巖屑分布情況，如圖5所示。從圖5中可知，隨著連續(xù)鉆進(jìn)長度增加，井筒中不連續(xù)巖屑床分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)平穩(wěn)分布，僅循環(huán)45min，大量巖屑在造斜段堆積并未被清出井筒，井筒中累積的巖屑總量會增加，從而導(dǎo)致ECD（即環(huán)空壓力的密度表現(xiàn)形式）和摩阻扭矩的嚴(yán)重增加。

圖5 交替鉆進(jìn)5根立柱后巖屑濃度隨井深變化剖面Fig．5 Variation profile of cuttings concentration with well depth after alternately drilling five stands

ECD隨鉆進(jìn)長度的變化如圖6所示。由圖6可知，剛開始鉆進(jìn)時，井筒清潔，ECD約為1．56 g／cm3（初始鉆井液密度為1．18 g／cm3）。隨著井深的增加，ECD增加，在交替鉆進(jìn)5根立柱后最大可達(dá)1．80 g／cm3。ECD的增加是由于鉆井過程中鉆井液的摩擦壓降和巖屑引起的壓降增加，導(dǎo)致環(huán)空內(nèi)的總壓降增加。對比圖6中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，若井眼干凈，每鉆進(jìn)30 m，ECD只增加0．02 g／cm3，交替鉆進(jìn)5根立柱后 ECD增加了 0．24 g／cm3，其中 0．14 g／cm3為巖屑引起的壓降。如前文提及，巖屑引起的壓降可能比鉆井液本身運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦壓降大幾倍。在鉆遇窄安全密度窗口地層時，隨著連續(xù)鉆進(jìn)井段的延長，巖屑的累積會使井底壓力大幅度提高，ECD將接近安全密度窗口的上限。到達(dá)某特定井深，ECD將超過上限，造成井漏事故。

圖6 交替鉆進(jìn)過程中ECD隨井深變化Fig．6 Variation of ECD w ith well depth during alternately drilling

在連續(xù)交替鉆進(jìn)時，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況下扭矩的變化情況如圖7所示。使用考慮巖屑影響的摩阻扭矩模型，假設(shè)發(fā)生托壓情況時，計算不同井深下的鉆柱扭矩分布，裸眼摩阻系數(shù)0．3，套管摩阻系數(shù)0．25。計算結(jié)果顯示：雖然在當(dāng)前條件下，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的計算扭矩值并未到頂驅(qū)扭矩極限，但巖屑對扭矩的影響十分明顯，隨著巖屑進(jìn)一步累積，托壓現(xiàn)象會越來越突出。

圖7 交替鉆進(jìn)過程中扭矩隨鉆柱分布Fig．7 Torque distribution along drill string during alternately drilling

上述連續(xù)交替鉆進(jìn)方案表明，巖屑對大位移井的ECD和摩阻扭矩均有顯著影響，若按現(xiàn)有方案持續(xù)施工，井下復(fù)雜發(fā)生率將極大提升。為了將ECD控制在安全密度窗口內(nèi)，增加鉆井機(jī)械延伸長度極限，可以利用本文的理論模型，分析不同鉆井方案對井眼清潔效果的作用，以優(yōu)化鉆井方案，實(shí)現(xiàn)高效、快速鉆進(jìn)。

2．2 鉆具組合優(yōu)化

三開段裸眼鉆進(jìn)過程中采用了?127．0 mm鉆桿，環(huán)空間隙為44．45 mm，過流斷面較大，流速降低，巖屑更易沉降。為了增大全井段環(huán)空流速，可采用?139．7 mm鉆桿進(jìn)行替代。采用兩種鉆桿連續(xù)交替鉆進(jìn)5根立柱后的ECD分布情況，如圖8所示。結(jié)果表明，全井段采用?139．7 mm鉆桿后，雖然鉆井液的摩擦壓耗有所增加，但是環(huán)空中巖屑含量下降，由巖屑引起的壓耗下降，總體ECD較先前略有降低。

圖8 不同鉆桿下連續(xù)交替鉆進(jìn)5根立柱后的ECD分布Fig．8 ECD distributions after continuously alternately drilling five stands using different drill pipes

2．3 連續(xù)鉆進(jìn)長度優(yōu)化

原有鉆井方案表明，連續(xù)交替鉆進(jìn)5根立柱后，繼續(xù)鉆進(jìn)將增大井漏、托壓事故發(fā)生幾率。現(xiàn)場一般做法是連續(xù)鉆進(jìn)一定長度后，停鉆徹底循環(huán)或倒劃眼通井，清理環(huán)空中的巖屑。通井前的連續(xù)鉆進(jìn)長度通常由經(jīng)驗(yàn)法則或司鉆憑經(jīng)驗(yàn)決定，并沒有特定依據(jù)。為了降低ECD，可根據(jù)安全密度窗口，優(yōu)化各井段連續(xù)鉆進(jìn)長度。圖9模擬了按照不同連續(xù)鉆進(jìn)長度鉆裸眼段時，不同井深處的最大可能ECD。如圖9所示，如果每交替鉆進(jìn)5根立柱進(jìn)行一次徹底循環(huán)，則最大 ECD增加至1．95 g／cm3，可鉆進(jìn)到4 150 m；如果每交替鉆井3根立柱進(jìn)行一次徹底循環(huán)，最大ECD增加至1．84 g／cm3；如果每鉆進(jìn)1根后進(jìn)行徹底循環(huán)，則最大ECD為1．80 g／cm3。

圖9 不同連續(xù)鉆進(jìn)方案下ECD隨井深變化Fig．9 Variation of ECD w ith well depth under different continuous drilling schemes

圖10 模擬了按照不同連續(xù)鉆進(jìn)長度鉆裸眼段時，不同井深處的最大可能井口扭矩。相比于井筒無巖屑的情況，每交替鉆進(jìn)5根立柱進(jìn)行一次循環(huán)，巖屑床增大的井口扭矩約為井筒清潔狀態(tài)下的1倍，并超過了鉆機(jī)扭矩極限。其他方案均極大地增大了扭矩，但還在扭矩極限范圍內(nèi)。

圖10 不同連續(xù)鉆進(jìn)方案下井口扭矩隨井深變化Fig．10 Variation of wellhead torque w ith well depth under different continuous drilling schemes

圖9 、圖10表明，通過井眼清潔措施將巖屑從井筒中攜帶出來，可顯著降低ECD和井口扭矩，且隨著水平段的增加，影響越來越明顯。然而隨著清潔頻率和清潔井段長度的增加，所消耗的非鉆進(jìn)時間也大大增加。

如果按照井筒壓力極限和頂驅(qū)額定扭矩來優(yōu)化鉆井方案，則可按照圖11中的連續(xù)鉆進(jìn)長度優(yōu)化方案進(jìn)行鉆井。在本方案中，該井從4．00～4．15 km交替鉆進(jìn)5根立柱，在4．15 km井底進(jìn)行徹底循環(huán)。然后在接下來的480 m內(nèi)每交替鉆進(jìn)4根立柱徹底循環(huán)一次。從4．66～5．02 km起，最多連續(xù)鉆進(jìn)3根立柱，然后進(jìn)行循環(huán)。對于最后的251 m，每鉆完2根立柱后停鉆循環(huán)。

圖11 可連續(xù)鉆進(jìn)長度優(yōu)化方案Fig．11 Optim ization scheme of continuous drilling length

2．4 機(jī)械鉆速優(yōu)化

考慮到井筒中的巖屑含量是由于鉆頭切削巖石形成，與機(jī)械鉆速直接相關(guān)，因此優(yōu)化機(jī)械鉆速可有效控制井筒中的巖屑含量。如果仍然通過每交替鉆進(jìn)5根立柱徹底循環(huán)一次鉆進(jìn)4．00 km以上的井段，當(dāng) ROP降低到15 m／h，可有效解決 ECD和扭矩增長過快問題。ECD可以控制在1．81 g／cm3以下（圖12），井口扭矩也依然在額定范圍之內(nèi)（圖13）。

圖12 每交替鉆進(jìn)5根立柱徹底循環(huán)一次不同機(jī)械鉆速下ECD隨井深變化情況Fig．12 Variation of ECD w ith well depth under different ROP after thoroughly circulating every five columns drilled alternately

圖13 每交替鉆進(jìn)5根立柱徹底循環(huán)一次不同機(jī)械鉆速下扭矩隨井深變化情況Fig．13 Variation of torque w ith well depth under different ROP after thoroughly circulating every five columns drilled alternately

從以上分析可以看出，淺層大位移井的鉆井方案優(yōu)化是個比較復(fù)雜的問題，其核心是井眼清潔、ECD和摩阻扭矩控制，簡單的經(jīng)驗(yàn)方法并不是鉆井施工的最優(yōu)選擇，最有效的方法應(yīng)該是通過井眼清潔效果評價對目標(biāo)井進(jìn)行模擬，綜合考慮井筒中的最大允許巖屑量和鉆進(jìn)效率來優(yōu)化鉆井方案，根據(jù)實(shí)際情況確定。

3 結(jié) 論

（1）在淺層大位移井動態(tài)巖屑運(yùn)移模型的基礎(chǔ)上，引入巖屑分布對ECD和摩阻扭矩的影響，建立更全面的井眼清潔評價模型，該模型可以更加準(zhǔn)確地模擬受巖屑影響的ECD和摩阻扭矩分布情況，為井眼內(nèi)清潔程度評價和淺層大位移井鉆井方案優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

（2）隨著裸眼段連續(xù)鉆進(jìn)長度的增加，井漏風(fēng)險和托壓現(xiàn)象突出，當(dāng)井筒內(nèi)巖屑堆積到一定值后，鉆具托壓，嚴(yán)重的會引起地層漏失，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，嚴(yán)重威脅大位移井的安全及高效鉆進(jìn)。

（3）為了減小淺層大位移井鉆進(jìn)風(fēng)險，需要對鉆井設(shè)計和鉆井施工方案進(jìn)行全面優(yōu)化。合理優(yōu)化鉆具組合，適當(dāng)提高環(huán)空返速，同等循環(huán)時間返出更多巖屑；合理確定連續(xù)鉆進(jìn)長度，控制井筒中巖屑含量，節(jié)約非鉆進(jìn)時間；優(yōu)化機(jī)械鉆速，提高鉆井效率。