大位移井井眼清洁技术简析

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第8期
大位移井井眼清洁技术简析
石磊，孙帅帅，王翊民
（中海石油有限公司天津分公司工程技术作业中心， 天津 300452）
[摘 要] 大位移井指水垂比大于或等于2且测深大于3000m的井或水平位移超过3000m的井，由于其井斜大、稳斜段长、水平位移长导致井眼清洁较常规定向井困难，如果作业过程中井眼得不到有效的清洁，则可能会发生憋压、蹩扭矩、卡钻等工程事故，因此井眼清洁技术是大位移井钻井工程中的难点和重点所在。

大位移井井眼清洁主要受钻井参数、钻井液性能、钻井液流态、钻井液返速等多方面影响，文章分析了井眼清洁的主要影响因素并推荐合理的作业参数，旨在减少大位移井作业过程中的复杂情况和工程事故的发生。

[关键词] 大位移井；井眼清洁；钻井参数；钻井液性能；钻井液流态；钻井液返速
作者简介：石磊（1988—），男，天津人，本科，学士学位，
工程师。

中海石油有限公司天津分公司工程技术作业中心钻井副监督。

大位移井井眼清洁是一个系统工程，国外很早就已开始研究大位移井环空岩屑运移规律，而国内则是从上世纪80年代开始进行实验和理论的研究[1]。

井斜角在45°～65°之内，环空岩屑清洁比较困难，容易形成岩屑床[2]，而大位移井由于其较长的稳斜段，较大的水平位移，定向井轨迹设计时很难避开45°～65°的稳斜角，因此大位移井作业过程中如果不能及时有效地进行井眼清洁，则极容易导致岩屑床的形成，造成复杂情况和工程事故发生。

本文以建立钻井液为非牛顿流体的塑性流体模型进行研究，作业过程中钻井参数中的钻具转速，机械钻速；钻井液性能中的剪切应力、剪切速率；钻井液流态中的层流携砂、紊流携砂；钻井液返速等都会对环空岩屑运移规律产生影响，合理地调节相应参数来达到最优的井眼清洁状态是本文研究的重点。

1 钻井参数对井眼清洁的影响
钻具的转动能将环空岩屑搅动起来，防止岩屑的沉降，有助于岩屑的清除，对一般钻井液来说，如果把钻具转速提高到100-120r/min ，岩屑
的清除效果会大大提高，而提高到150-180r/min 时岩屑清除效果更明显，但由于钻井设备和井下动力钻具的限制，作业过程中钻具钻速往往达不到最佳的清除岩屑的钻速，因此在允许的范围内提高钻具钻速有助于岩屑清除，其相应关系如图1所示。

机械钻速是指作业过程中每小时的钻井进尺，机械钻速越高则钻头岩磨性越快，形成的岩屑颗粒极不均质，较大颗粒岩屑较多，相对应的环空中岩屑密度越大，极不利于环空清洁，因此相对的控制机械钻速有利于环空岩屑清除，避免岩屑床的形成。

2 钻井液性能对井眼清洁的影响
非牛顿流体的塑性流体的钻井液流体模型流动时的剪切速率和剪切应力之间的关系如图2所示，图2中流变曲线可以看出当t>tr 时，此时的钻井液体系还不能均匀地被剪切，继续增加t 值，当其数值达到一定程度后，此时的钻井液体系被均匀地剪切，此时的性能也达到了稳定值，其流变曲线变成直线，此直线的斜率为塑性黏度，直线段的延长与剪切应力轴相交的值称为动切应力，因此剪切速率和剪切应
力组成的流变曲线根
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据其相应值的变化可得到相应的塑性黏度和动切应力，这两个参数也是钻井液性能的重要指标，工程上追求钻井液性能为低塑性黏度和高动切应力，也就是高t/r，对钻井液携砂有利。

3 钻井液流态对井眼清洁的影响
钻井液循环流动过程中常见的流动模式为尖
峰型层流和紊流状态，尖峰型层流的特点是流体流动过程中过水断面流速分布不均与，流动中心的流速最快，靠近两侧的流动速度最慢，这种流体状态下会导致井壁周围的岩屑无法有效清除，从而堆积形成岩屑床。

紊流的特点是流体过水断面流速分布均匀，携砂过程中岩屑不存在翻转滑落现象，对携砂较利，但不足之处是紊流时流体的流动是紊乱和无规则的，而且紊流流速高，动能大，对井壁有较强的冲蚀作用，容易引起井壁垮塌，不利于井壁稳定。

结合这两种流态的优点，工程上追求钻井液的流态为平板型层流。

平板型层流流动中心存在一个等速核，等速核直径越大越可实现用环空返速较低的钻井液有效地携带岩屑。

钻井液流态的判断采用综合雷诺系数来判别，当综合雷诺系数>2000时为紊流，雷诺系数为2000时按公式(1)计算出临界返速，钻井液流动
过程中返速大于临界返速时为紊流。

公式(1)式中：v c -临界返速，cm/s；μp -塑性黏度，Pa•s；τo -动切力，Pa；ρ -钻井液密度，g/cm；
D -井径，cm；d -钻杆或钻铤外径，cm。

平板层层流的理想状态是流动中心的等速核和环空直径相等，即环空流动状态为完全平板化，影响平板化层流平板化程度的因素如公式(2)。

公式(2)式中：d0 -流核直径，cm；D -井径，cm；d -钻杆或钻铤外径，cm；v f -钻井液上返速度，m/s。

从公式中可以看出流核直径的大小与动塑比及上返速度有关。

4 钻井液返速对井眼清洁的影响
钻屑在环空中的运移规律为靠自重岩屑在环空中有下沉的趋势，而钻井液向上流动过程中由于摩擦力的存在会携带岩屑向上运移，根据实验证明，对于钻井液非牛顿流体的塑性流体模型，钻屑在钻井液中的下沉速度小于或等于环空返速的一半则能达到井眼净化要求，由公式（3）可以得出最小的环空返速[2]。

公式(3)式中：v a -环空返速，m/s；d s -钻屑当量直径，mm（通常牙轮钻头d s=10mm；PDC钻头d s=8mm）；ρm -钻井液密度，g/cm；μ-环空钻井液视黏度，mPa•s。

根据公式计算的井眼净化所需的最小环空返速可以指导作业过程中满足井眼清洁所需的钻井排量要求。

5 结论
（1）通过钻井参数对井眼清洁的影响分析，作业过程中在允许的范围内尽量提高钻具转速和适当的控制机械钻速来达到井眼净化要求。

（2）提高钻井液性能中的动塑比来提高钻井液的携砂能力，从而达到井眼净化要求。

（3）钻井液循环流态尽量避免紊流和尖峰型层流的出现，尽量使钻井液流态处于平板化程度较高的平板型层流，既能满足携砂要求又能保证井壁稳定性。

（4）井眼清洁对于钻井液环空返速要求较高，作业过程中尽量使钻井液环空返速处于大于2倍岩屑下沉速度而小于紊流的临界返速之间。

（5）影响井眼清洁的因素还有很多，本文只针对了其中一部分影响因素进行了分析，其它方面的影响因素还需后续继续分析研究。

◆参考文献
[1] 郭晓乐，连吉弘，胡家品，等. 惠州油田大位移井水力参数设计难点及对策研究[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2011，13(4)：36-40.
[2] 董星亮等编著. 海洋钻井手册[M].北京：石油工业出版社，2009.
收稿日期：2019-04-15；修回日期：2019-06-18。