水平井岩屑床控制技术浅析

195 1901. 28 89. 69
500
197 1920. 29 89. 47
500
199 1939. 25 88. 59
510
200 1948. 77 88. 81
510
204 1986. 66 89. 74
530
600
2. 5
640
3. 5
670
3
670
5. 5
用。
关键词： 水平井； 岩屑床； 控制
中图分类号： TE 243
文献标识码： A
DOI： 10. 3969 / J. ISSN. 1006 － 768X. 2011. 05. 08
一、岩屑床的形成条件及变化规律
1. 井斜角 水平井及大斜度井施工过程中，在钻井液体系
及性能相同的条件下井眼净化程度随井斜角的增加 而下降，随着井斜的增大钻井液携带岩屑越来越困 难。实践及资料表明，当水平井、定向井井斜角达到 30° ～ 65°时岩屑易下沉到井眼低边； 当钻井液停止 循环时，下沉到井眼低边的岩屑逐渐堆积形成岩屑 床，当井斜角大于 60° 后的井段形成的岩屑床更难 以破坏，随着其越积越厚、堆积井段越来越长，若钻 井液润滑性能差、处理方法不及时或不合理，则容 易导致粘吸卡钻。 2. 钻井液上返速度
Gx = G·cos（ a） ， Gy
Gy = G·sin（ a） ，W = 0
水平段 F
G Gx = 0，Gy = G，W = 0
图 1 岩屑受力分析图
二、防止和清除大斜度井段岩屑床方法
（ 1） 强化水力参数，以增加钻进排量为主。在 现场机泵条件允许的情况下排量尽可能大，当井下 出现遇阻或螺杆钻具粘脱等复杂征兆时，可以双泵 大排量进行循环洗井。从岩屑床的形成因素可知泥 浆泵排量越大、环空上返速度越高，岩屑床越不易形 成。
收稿日期： 2011 － 02 － 02 作者简介： 党克军（ 1963 － ） ，工程师，1984 年毕业于长庆石油学校钻井专业，2000 年毕业于西安石油大学石油工程专业，川庆钻探长庆钻 井总公司技术管理与发展部，现从事钻井技术与井控管理工作。地址： （ 710018 ） 陕西西安市未央路 151 号 长庆大厦 2105 室，电话： 029 － 86598401，E － mail： dkjdkj218@ sohu. com
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工
艺
DRILLING ＆ PRODUCTION TECHNOLOGY
2011 年 9 月
Sep． 2011
5. 岩屑受力分析 岩屑在井眼中的受力较为复杂，为直观、简单的
定量说明大斜度井段及水平段易形成岩屑床，假设 在某一斜井段，井斜角为 a、某一岩屑 A 的重量为 G，在旋转钻 进 过 程 中 其 受 力 有 钻 具 旋 转 时 的 离 心 力 Q、钻井液上返时的推力 F 及自身重力 G，其中： F 与岩屑重力分量 Gx 的合力使岩屑沿井眼轴线方向 上返，岩屑重力的分量 Gy 与岩屑所受离心力 Q 的 合力使岩屑靠近井眼低边形成岩屑床； 井斜角 a 越 大，则 F 与岩屑重力分量 Gx 的合力越小，岩屑重力 的分量 Gy 与岩屑所受离心力 Q 的合力越大，越容 易形成岩屑床； 水平井中岩屑重力 G 与岩屑所受离 心力 Q 的合力使岩屑靠近井眼低边形成岩屑床的 几率更大。岩屑受力分析见图 1，不同钻进方式下 的岩屑上返力和形成岩屑床力见表 1。
表 3 高平 1 井钻井液体系转换前后对比
钻井液 体系
钻井液性能
上返速度 临界速度 / m·s －1 / m·s －1
密度 1. 01，黏 度
聚合物 32，塑性黏度 5， 1. 20 ～ 1. 58 0. 3
无固相 动 切 力 1，动 塑
比 0. 2
密度 1. 05，黏 度
55，塑 性 黏 度
聚硅酸盐
当钻井液停止循环时下沉到井眼低边的岩屑逐渐堆积形成岩屑床当井斜角大于60后的井段形成的岩屑床更难以破坏随着其越积越厚堆积井段越来越长若钻井液润滑性能差处理方法不及时或不合理则容钻井液上返速度岩屑床的形成存在一个钻井液临界值即使钻其它因素钻具在井眼中不居中时会形成较厚的岩屑床井液处于紊流状态时若上返速度低于临界值仍会形成岩屑床
460
2
162 1596. 85 44. 12 420
460
2
165 1625. 35 49. 66 430
470
1. 5
167 1644. 38 56. 29 430
520
4
169 1663. 45 60. 60 440
480
2
表 5 高平 1 井水平段接单根遇阻情况统计
井深 单根号
/m
井斜角 钻具 上提时 停转盘 / （ o ） 悬重 / kN 悬重 / kN 倒车 / 圈
岩屑床的形成存在一个钻井液临界值，即使钻 井液处于紊流状态时，若上返速度低于临界值，仍会 形成岩屑床； 实践证明当钻井液上返速度大于 0. 91 m / s 时，仍可形成岩屑床，此时形成的岩屑床极易被 破坏，其厚度也不固定，岩屑床处于沉积和冲蚀交迭 发生的状态。虽然提高钻井液上返速度有助于防止 或减缓岩屑床的形成，但钻井液上返速度过高时对 井壁冲刷严重会造成井眼掉块或坍塌，因此钻井液 上返速度应选择适当。根据设备、井身结构设计状
（ 2） 接单根前适当循环钻井液。在井斜 30o ～ 60o井段钻进过程中每钻进一单根，接单根前循环 2 ～ 3 min，可将岩屑提升到一定高度不至于沿井眼低 边滑落到井底。当使用单点测斜时，测斜前循环 2 ～ 3 min。
（ 3） 使用聚硅酸盐钻井液体系，动塑比控制在 0. 36 ～ 0. 48 Pa / （ mPa·s） 以达到最好携岩效果。
分析原因为： 当井斜角大于 60° 之后大斜度井 段内形成的岩屑床虽不再向井底下滑，但随着井段 的不断加长岩屑床对钻具滑动时的摩阻不断增大， 钻压难以传递到钻头，出现粘托； 起、下钻时由于钻 井液柱压力的作用，钻具紧贴井眼低边，钻头和扶正 器的挤推作用使岩屑床越积越厚（ 见表 4） 。
针对这种情况，决定在水平段滑动钻进过程中， 每钻进 100 m 进行一次短程起下钻，每起出两根立 柱（ 约 57 m） 开泵循环及上提、下放反复活动几次或 接方钻杆划眼，后续施工比较正常； 同样在高平 8 井 施工过程中应用了高平 1 井的经验，钻进过程中防 止了岩屑床 的 形 成，机 械 钻 速 由 高 平 1 井 的 17. 4 m / h 提高到 20. 5 m / h，提高了 18% ，接单根、起下钻
1. 26
1. 56
20，动 切 力 9. 5，
动塑比 0. 47
流态 紊流 层流
2． 大斜度井段应用效果 高平 1 井在进入水平段，滑动钻进时粘托现象
开始明显，接单根上提有遇阻、转盘打倒车； 钻井到 井深 1 960 m 起钻换钻头，在水平段起钻过程中摩 阻逐渐增大，下钻过程中距离井底约 60 m 时遇阻， 下不到井底。
中途电测完之后钻井液转换为聚硅酸盐体系，
第 34 卷 第 5 期
Vol. 34 No. 5
钻
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在大斜度井段中钻井液上返速度为 1. 26 m / s，小于 临界上返速度； 动塑比为 0. 47 Pa / （ mPa·s） ，流态 为平板层流，在连续滑动钻进 30 m 后接单根（ 井斜 53°） 上提时摩阻达到 90 kN，转盘打倒车 3 ～ 4 圈， 接完单根后距离井底 1 m 下不到底，启动转盘旋转、 开泵循环正常； 因为形成的岩屑床在重力作用下沿 井底下滑，造成接单根上提时遇阻，下放不到底； 之 后循环泵入 8 m3 聚合物无固相钻井液，利用其紊流 的特点破坏了大斜度井段的岩屑床，再继续以硅酸 盐体系钻进，携带出岩屑，同时补充处理剂、调整钻 井液使其达到稀释前的性能。后续的钻进中每钻进 一单根在接单根前循环 3 min，在大斜度井段内，接 单根过程中上提、下放钻具时再未出现明显遇阻，滑 动钻进中也未出现钻具粘托现象（ 见表 3） 。
过程中没有出现明显的遇阻（ 见表 5） 。
表 4 高平 1 井井斜 30° ～ 60°井段内接单根遇阻情况统计
井深 单根号
/m
井斜角 钻具悬重 上提时 停转盘
/（ o）
/ kN 悬重 / kN 倒车 / 圈
158 1561. 12 31. 33 400
450
1. 5
159 1568. 27 34. 32 410
ห้องสมุดไป่ตู้
摘 要： 在水平井施工过程中，大斜度井段、水平段岩屑会沉淀在井眼低边形成岩屑床； 岩屑床极易造成钻进
中钻压不能全部传递到钻头、螺杆钻具粘托、机械钻速慢、起下钻遇阻严重造成卡钻等问题，甚至钻进中直接造成
粘吸卡钻。文章从分析形成岩屑床的影响因素入手，总结出在现有条件下通过采取强化钻进排量等相应的技术措
施，优化钻井液体系和性能，防止或控制岩屑床的形成，对确保水平井大斜度井段及水平段安全钻进具有显著的作
况等计算，在大斜度井段、水平段的钻井液上返速度 控制在 1. 22 ～ 1. 58 m / s，可满足正常钻井施工。 3. 钻井液流变性及流态
研究资料表明，当钻井液处于紊流状态时液流 的运动方向是紊乱的和无规则的，岩屑总会被运移 走； 此时形成的岩屑床厚度极不稳定，处于沉积与冲 蚀破坏交迭发生的动平衡状态。当井斜角大于 50° 的大斜度井段，钻井液洗井时紊流状态比层流状态 效果要好，但是对井壁有较强的冲蚀作用，容易造成 地层垮塌，不利于井壁稳定； 因此在钻进时应保持钻 井液处于层流状态，在层流状态下要提高钻井液携 岩能力，就必须提高钻井液动切力、动塑比以实现平 板型层流。 4. 其它因素
为减小岩屑的滑落速度，钻井液的塑性黏度不 能太低，应当保持在 8 ～ 16 mPa·s，同时为了弥补 钻井液上返过程中层流状态洗井不如紊流状态的不
（ 4） 大斜度井段短程起下钻，破坏岩屑床。当 井斜角超过 60o 以后，应定期或规定井段长度短起 下钻作业，分段循环和上、下活动钻具、转动钻具，利 用钻头、扶正器棱角等的挤推作用有效破坏已形成 的岩屑床。
足，循环补充钻井液时泵入转换前使用过的 8 m3 左 右聚合物无固相钻井液体系，利用其上返时的紊流 状态破坏岩屑床，再用聚硅酸盐钻井液体系把冲蚀 起来的岩屑带出井筒。这样既充分发挥两种体系紊 流和平板层流的互补优势，同时维护了井壁稳定。
表 1 不同钻进方式下的岩屑上返力和形成岩屑床力
岩屑上 形成岩 钻进方式 井段
第 34 卷 第 5 期
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钻井工艺
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水平井岩屑床控制技术浅析
党克军1 ，王增年2 ，简章臣1 ，杨英锋1
（ 1 中国石油川庆钻探长庆钻井总公司 2 中国石油集团工程技术分公司）
党克军等 . 水平井岩屑床控制技术浅析 . 钻采工艺，2011，34 （ 5） ： 25 － 27
返力 屑床力
备注
直井段 F － G W
Gx = G，Gy = 0
复合或旋 斜井段 F － Gx Gy + W
转钻进
Gx = G·cos（ a） ， Gy = G·sin（ a）
水平段 F G + W
Gx = 0，Gy = G
直井段 F － G
0 Gx = G，Gy = 0，W = 0
滑动钻进 斜井段 F － Gx
三、现场应用
高平 1、高平 8 井为长庆安塞油田高 52 井区同 一井组两口水平井，主力油层为延长组长 10 油层 （ 见表 2） 。
表 2 高平 1、高平 8 水平井指标 完钻 水平 水平 最大 钻井 机械 井号 井深 /m 段长 /m 位移 /m 井斜 /（ °） 周期 /d 钻速 /d 高平 1 2088 336 525 90. 8 15. 29 17. 4 高平 8 1985 231. 93 407. 26 91. 2 13. 08 20. 46
钻具在井眼中不居中时会形成较厚的岩屑床， 这是因为钻具不居中时阻卡、降低了井眼低边处的 流速所致。由于钻具旋转时可将井眼低边的岩屑推 入循环的钻井液中，还可将大块岩屑甩挤压碎成小 颗粒，有利于岩屑的清除。转盘转速越高，清除井眼 低边处的岩屑效果愈好。当滑动钻进时由于钻具不 转动，因此可通过短程起下钻的方法使钻头通过井 眼以清除井眼低边处的岩屑、破坏岩屑床或增大钻 井液上返速度等措施清除岩屑。
1． 大斜度井段应用效果 高平 1 井钻井到井深 1 600 m 中途电测，电测
前使用聚合物无固相钻井液体系，中途电测后转换 后为聚硅酸盐钻井液体系。
在中途电测前使用聚合物无固相体系时钻井液 上返速度远大于其临界上返速度，流态属于紊流，同 时在钻进过程中定期使用高黏切聚合物进行了清 扫，中测前井斜角达到 44°，接单根过程中监测到摩 阻为 40 ～ 60 kN，接单根上提与下放过程中无遇阻。