定向井岩屑浓度计算及井眼清洁分析

6
开始
输入基本参数：钻井液密度，6 速旋转粘度计读数，岩屑密度， 粒径，井斜角、转速，环空参数
计算岩屑传输速度 VT
迭代计算岩屑下滑速度 VSR
计算修正岩屑下滑速度 Vs
计算无岩屑床生成的最小钻井 液环空返速 CTFV
结束 图 2 斜井临界环空 CTFV 计算流程图
3.定向井井眼清洗分析 a. 超最小环空返速下环空岩屑浓度 若环空返速大于 CTFV，则按上述方法计算岩屑下滑速度 VS，代入（2-16）式即可求 出环空岩屑浓度。 b. 次最小环空返速下岩屑床面积 Ab，液流面积比 RA 若环空返速小于 CTFV，则称为次最小环空返速，环空低边将形成岩屑床，岩屑床面 积 Ab、液流面积比 RA 计算公式如下：
CTFV CTFVV
c. CTFV 计算方法
(CTFV30 CTFVV )
30
（2-18）
1）按公式（2-16）计算无岩屑床生成时的岩屑传输速度 VT 2）计算岩屑下滑速度 VS 岩屑下滑速度与钻井液环空返速有关，因此，需迭代计算岩屑下滑速度 VSR。 （1）试取一岩屑下滑速度 VSL，计算钻井液环空返速 Vcrit=VT+VSL； （2）根据 Vcrit 计算钻井液表观粘度η a； （3）按公式（2-4）计算岩屑下滑速度 VSR； （4）如果|VsR – VsL|≤0.0001，则 VS= VsR，否则令 VSL=(VSL+VSR)/2 重复步骤（2） 、 （3） 、(4)直到满足条件|VsR – VsL|≤0.0001； 3）按公式（2-3）计算修正岩屑下滑速度： 4）计算无岩屑床生成的最小钻井液环空返速 CTFV。 计算程序流程如图 2。
2
如果环空流速降低或者井斜角增大，举升力仍然能够举升岩屑，但不能使岩屑处于悬 浮状态，同时，重力沿井斜方向上的分力减小，则环空钻井液能够拖曳岩屑向上流动。因 此，这种流动模式是举升力和拖曳力的共同作用的结果。该流动模式通常发生在环空流速 低，而井斜角比较大的情况下。 （3）连续移动岩屑床 如果举升力小于重力产生的正压力，而拖曳力足够大，则井壁低边形成连续移动的岩 屑床。该流动模式通常发生在钻井液粘度较高，而环空流处于层流流态的情况。 如果环空流速继续下降，导致举升力和拖曳力都不能移动岩屑，就会形成一个稳定静 止的岩屑床。因此，应合理设计钻井液排量和流变性能以有效清洗倾斜井眼。 2.3 环空岩屑浓度及下滑速度计算 2．3.1 环空岩屑浓度 环空岩屑浓度 C a
VS VSR Cang Csize CdenF Crpm
（2-3）
式中： VSR 5.16a 0.916 ，η
a
≤ 0.053
a
（2-4）
VSR 25.54(a 0.053) 0.9997 ，η
> 0.053 （2-5） （2-6） （2-7） （2-8）
Cang—井斜角修正系数， Cang 0.0342 0.000233 2 0.213； Csize—岩屑尺寸修正系数， C size 1.286 40.9448Ds ；
( 1042.5) ； CdenF—钻井液密度修正系数 CdenF 1 0.0002779
Crpm—钻柱转速修正系数，Crpm = (600 - RPM) / 600。 η a 为钻井液表观粘度，常用钻井液流变模式的表观粘度计算公式如下： 宾汉模式： a
0
(2-9)

12Va 0 Dh D p 2
(2-10) (2-11) (2-12)
4
幂律模式： a k n1
ROP Db
2 2
2
( Dh D p )VT
（2-1）
式中 ROP—机械钻速，m/s； VT—岩屑运移速度，m/s，VT=Va-Vs； Db—钻头直径，m； Dh—井眼直径，m； Dp—钻柱外径，m。 岩携运移工程要求环空岩屑浓度小于 5%， 岩屑运移效率通常用岩屑运移比 RT 表示：
RT V VT 1 s Va Va
1
拖曳力
举升力
垂 直 井斜角θ 方 向
岩屑
重力
图 1 作用在井壁低边岩屑上的力
（1）正作用力 该力趋向于使岩屑脱离岩屑床从而进入环空主岩屑流。包括：拖曳力和举升力。举升 力将岩屑举升进入沿井眼向上流动的主流中。该力来自于岩屑周围的非对称钻井液流速分 布和环空流中的湍流涡旋。拖曳力有利于拖曳和使岩屑翻滚脱离岩屑床，从而向上流动， 它来自于钻井液粘度对岩屑的上端出露。 （2）负作用力 该力趋向于使岩屑附着在岩屑床上。主要来自于岩屑的重力，它使岩屑沉降形成岩屑 床，其数量级同岩屑在钻井液中的浮重。其次，由于重力作用，岩屑对井壁产生正压力， 从而产生墨阻力，阻碍岩屑向上滑动。 2.2 岩屑运移流动模式 岩屑在井眼中流动时，由于井斜角、钻井液性能和环空流速不同，导致作用在岩屑上 的力关系不同，从而产生三种流动模式。 （1）非均质悬浮 由于举升力大于重力引起的正压力， 因此岩屑能被举升离开井壁保持悬浮状态。 然而， 在环空横截面上岩屑浓度不同，呈现非均质状态，低边处呈现更高的岩屑浓度。这种流动 模式通常发生在环空流动速度较大，产生强举升力或者是在井斜角比较小，从而重力在井 斜法线方向上的分力相对举升力较小这两种情况下。 （2）独立岩屑床
参考文献
[1] 李克向. 国外大位移井钻井技术. 石油工业出版社. 1998 [2] 陈庭根，管志川，刘希圣．钻井工程理论与技术．石油大学出版社，2000：174-177 [3] 郭学增. 最优化钻井理论基础与计算. 石油工业出版社，1987 [4] Clark, R. K., and K. L. Bickham. A Mechanistic Model for Cuttings Transport. SPE 28306, 1994 [5] Sanchez, R. et al. The Effect of Drillpipe Rotation on Hole Cleaning During Directional Well Drilling. SPE 37626, 1997
关键词：岩屑运移 岩屑受力 临界环空返速 井眼清洁 1.研究目的意义 在定向井特别是大位移井钻井过程中,因其大斜度段或水平段长,岩屑极易在大斜度井 段和水平井段形成岩屑沉积床,造成井壁不稳定,形成键槽、黏附卡钻事故等，因此保证井 眼清洁和有效控制岩屑床厚度是钻井成功的关键之一。 为消除可能存在的岩屑床,工程上常 采用长时间循环钻井液的方法,这就延长了钻井作业时间,从而增加了钻井成本。如何判断 井下是否已经形成了岩屑床以及确定岩屑床的厚度和位置是目前急需解决的难题。 在胜利油田长裸眼井的钻井施工中,常常出现井眼清洁困难的情况。严重时,在钻时比 较快的情况下,震动筛上甚至无任何钻屑。由于井眼清洁不好,钻屑停留在井眼内,常导致起 下钻阻卡、电测不顺利、划眼、卡钻、固井质量差等井下复杂情况。如何解决井眼清洁问 题,已经越来越成为制约这些井钻井速度、钻井安全和钻井质量的重要因素。 2.定向井岩屑传输机理 2.1 岩屑受力分析 作用在井眼低边岩屑上的力按照是否有利于携带运移岩屑分成正作用力和负作用力。 如图 1 所示。
(2-14)
岩屑下滑速度计算步骤： （1）根据环空返速 Va 按公式（2-9）至（2-13）计算不同流变模式的钻井液表观粘度 η a； （2）试取一岩屑下滑速度 VSL=0.1； （3）计算颗粒雷诺数 Rep； （4）计算岩屑下滑速度 VSR； （5） 如果|VsR – VsL|≤0.0001， 则 VS= VsR， 否则令 VSL=(VSL+VSR)/2 重复步骤 （3） 、 （4） 、 （5）直到满足条件|VsR – VsL|≤0.0001； （6）按下面公式计算修正岩屑下滑速度：
（2-2）
式中：Va—环空钻井液返速，m/s； Vs—岩屑下滑速度，m/s。 2.3.2 定向井岩屑下滑速度 VS 1）岩屑运移影响因素 a. 钻井液 描述钻井液流变性至少需要两个参数，然而由于使岩屑开始运移时，只有岩屑床附近 或井眼表面的钻井液起作用。因此，井眼低边处的钻井液表观粘度可用来描述钻井液的流 变性。加上钻井液密度，共有两个参数影响岩屑运移：η a，ρ 。 b. 岩屑
VS VS Csize CdenF
（2-15）
式中：Csize—岩屑尺寸修正系数， C size 1.286 40.9448Ds ； CdenF — 钻 井 液 密 度 修 正 系 数 ； ρ ≤ 1042.5 时 CdenF=1 ， 否 则
CdenF 1 0.0002779 ( 1042.5) 。
VT
ROP Db
2
2 2
3600( Dh D p )C a
(2-16)
式中 ROP—机械钻速，m/h； 工程上取环空岩屑浓度 Ca=0.05 时，认为无岩屑床生成，从而可求出无岩屑床生成时
5
的最小岩屑传输速度。 b. 最小钻井液环空返速 CTFV
（1）井斜角θ ≥30 度时 CTFV=VT+VS （2）井斜角θ <30 度时 按上述公式计算井斜角θ =30 时的最小钻井液环空返速 CTFV 30； 计算直井最小钻井液环空返速 CTFVV； 插值计算 0～30 度井斜角时的最小钻井液环空返速 CTFV： （2-17）
3
岩屑形状和尺寸以及岩屑密度用来描述岩屑特征。这两个参数：ρ s、Ds 影响岩屑运 移。 c. 重力和井斜角 岩屑在钻井液中的浮重和井斜角确定了岩屑对井壁的附着力和沿井壁的下滑力以及 抵抗岩屑向上的摩阻力。 附着力：g(ρ s-ρ )sin(θ ) 下滑力：g(ρ s-ρ )cos(θ ) 摩阻力：g(ρ s-ρ )fssin(θ ) d. 钻进作业 钻进作业时钻柱旋转有利于岩屑运移，衡量影响的变量为转盘转速 RPM。 2）定向井岩屑下滑速度 Vs 影响定向井岩屑传输的主要因素有：岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液性能、井斜角、钻 井液环空返速和作业条件。 将以上因素作为系数考虑， 建立定向井岩屑下滑速度数学模型：
Ab Aann Aopen
(3-1) (3-2)
Aopen Aann Aopen Aann
Q Qcrit Q Qcrit
7
RA

(3-3)
式中：Aann—环空截面积，m2； Aopen—液流面积，m2； Q—排量，m3/s； Qcrit—无岩屑床生成的临界排量，m3/s。 c. 次最小环空返速下环空岩屑浓度 （1）按环空返速为 CTFV 计算表观粘度η a； （2）按下面公式计算环空岩屑浓度 Cconc；
Cconc (1
Q )(1 pbed )(0.97 2.31 a ) Qcrit
(3-4)
式中：pbed——岩屑床孔隙度，工程上取 pbed=0.37。 4.总结 定向井的井眼清洁问题一直是影响定向井安全高效施工的关键之一，本文详细介绍了 岩屑受力情况及传输机理，给出了环空岩屑浓度及下滑速度计算公式，归纳了环空最小返 速计算方法，分析了定向井井眼清洁的相关参数，对定向井、水平井施工有一定的帮助意 义。

12Va 2(n 1) Dh D p 3n
HB 模式： a
m k m n
nm
m 1
(2-13)
nm 1
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8nm 4 n m
Va D D p h

nm m nm k m (nm 1)
3）无岩屑床生成的临界环空返速（CTFV） 工程上将定向井岩携传输分成三个清洗区：0-30 度为易清洗区，30-60 度为不稳定岩 屑床区，60-90 度为稳定岩屑床区。岩屑床存在将导致井下复杂情况，因此水力参数设计， 应使井眼充分清洗，保证环空较低的岩屑浓度。当岩屑性质、钻井液性质以及井斜角一定 时，工程上只能调整钻井液排量，从而改善定向井岩斜传输，即计算无岩屑床生成的最小 钻井液环空返速 CTFV。 a. 无岩屑床生成时的岩屑传输速度 VT 岩屑传输速度 VT 与环空岩屑浓度的关系如下：
定向井岩屑浓度计算及井眼清洁分析
摘要：井眼清洁情况是影响定向井施工的关键因素之一，岩屑携带能力不足会导致岩屑床形成，严重
时甚至会造成卡钻，导致复杂的钻井事故，因此井眼清洗分析计算必须受到重视，它保证施工安全的基 础。 本文详细介绍了岩屑传输机理， 给出了环空岩屑浓度相关计算方法， 归纳了环空最小返速计算步骤， 对影响定向井井眼清洁的相关参数进行了详细分析， 有助于加深现场技术人员对井眼清洁相关知识的理 解，为现场工作提供帮助。