小井眼钻井环空清洁控制技术研究与应用

小井眼钻井环空清洁控制技术研究与应用
高清春;雷鉴暄
【摘要】小井眼钻井是目前开发复杂油藏降本增效的重要手段，其中水力参数设
计及井眼清洁是小井眼钻井技术的关键难点之一。

在小井眼水力参数优化方法及环空中岩屑运移机理研究基础上，结合小井眼的特点考虑了地层亏空及地面设备限制来满足井眼清洁的因素，采用数值模拟方法揭示了小井眼环空内岩屑运移的本质规律，建立了适合于小井眼环空岩屑成床监测技术和岩屑清楚技术。

该技术能够实时监测环空中岩屑运移状态，预测岩屑床形成的时间，判定实施井眼清洁作业的标准，结合现场水力携岩及机械破床方法达到井眼清洁控制的目的。

【期刊名称】《非常规油气》
【年(卷),期】2014(001)003
【总页数】5页(P59-63)
【关键词】小井眼钻井;水力优选;井眼清洁;钻井液循环当量密度
【作者】高清春;雷鉴暄
【作者单位】;;
【正文语种】中文
【中图分类】TE246
小井眼钻井是指所钻井段的90%以上使用小于φ177.5mm的钻头打钻形成的井
眼［1］，其具有降低钻井成本，提高钻速的优点，在老油藏挖潜、边际油藏开发
方面具有较大的成本优势。

小井眼钻井存在井眼小、环空截面窄、循环压耗高等特点，与常规井相比其井眼清洁控制难度更大，低排量、高压耗的井眼环空岩屑携带更困难，井眼清洁问题仍是小井眼钻井施工技术难点［2］。

在斜井段与水平段由于钻具偏心及重力作用，岩屑极易发生堆积形成沉积床，造成井壁不稳，导致井下各种复杂情况的发生，延长钻井周期，增加钻井成本［3］。

认识小井眼钻井井眼清洁的本质，建立适合于小井眼的井眼清洁随钻监测技术，从水力学的角度优选水力参数，完善井眼清洁控制技术已成为小井眼钻井作业面临的迫切问题。

1 小井眼钻井水力携岩特性
小井眼与常规井在水力携岩特性方面具有较大不同:
(1)小井眼钻井90%的环空压耗发生在环形空间，而常规井90%的环空压耗损失在钻杆与钻头的喷嘴上。

(2)小井眼钻井受到地面管线与地层的双重限制，排量的选择不但考虑地层的承压能力还要考虑满足井眼清洁的要求，即明确小井眼钻井作业排量范围比确定最优排量更具有实际意义［4］。

(3)小井眼钻井环空间隙小，环空压耗占整个循环压耗的70%，计算环空压耗时需要考虑钻井液、井下管串及井眼质量的影响。

2 影响小井眼携岩的因素与实质
根据小井眼钻井的钻井工艺、破岩及水力携岩的性质，分析小井眼钻井过程中涉及岩屑运移情况的各种因素，利用成熟的数值软件，采用几何尺寸等比例模型，对6in①1in=25.4mm。

井眼环空岩屑运移分布情况进行数值模拟，揭示窄环空岩屑运移的规律。

2.1 因素分析
2.1.1 油藏因素分析
老油田地层亏空严重，岩层胶结弱，砂岩、泥岩段易发生扩径、井塌、沉砂等井下
复杂情况。

2.1.2 施工工艺
常规定向水平井井斜角在30°～60°之间最易形成岩屑床［5］。

在长水平段 (井斜角≥86°)岩屑床稳态存在，钻具偏心、井斜、机械钻速等条件影响加剧了岩屑沉积。

2.1.3 水力参数及岩屑物性
钻井液物性参数、岩屑的大小、形状、运移速度均为造成井眼不清洁的关键因素。

2.2 井眼清洁本质
井眼清洁的本质是岩屑在环空中的运动与分布规律，即环空岩屑运移规律。

研究表明，岩屑在环空中的运移状态受到多项因素的影响，不同的工况及井段各有不同［6］。

小井眼钻井窄环空内属于“敏感区”，岩屑的运移规律可以划分为产生、运移、堆积3个过程，由于井下多项因素的制约，水平段岩屑规律的数值模拟较
为困难。

根据小井眼环空的几何特点，研究选取水平段位置，建立水平位移为20m，井筒
直径为152.4mm，钻杆直径为88.9mm的动态物理模型。

采用数值模拟的方式，利用流体力学软件CFD，根据固液两相理论，分析水平段岩屑运移分布情况。

综
合考虑多项影响因素，如地层岩性、施工工艺、流体及岩屑物性、钻具偏心等，较为真实地模拟了岩屑在井下环空中的运移情况，进而总结小井眼窄环空内岩屑运移规律。

图1是模拟岩屑在环空中运移的速度云图，预示着局部区域内岩屑的分布状态，
用无量纲的速度等直线表示。

图2是模拟不同井眼尺寸 (不同环空尺寸)环境下，
岩屑在径向距离上的速度变化。

通过图1和图2可知，水平段内岩屑运移分层明显，总体上以底边运动为主，由
于窄环空偏心的存在，岩屑通常在靠近环空底部易发生堆积。

如果井眼内流体物性和工艺不变，可以得出结论:环空尺寸越小岩屑运移碰撞过程中越容易发生堆积，
且随着时间的推移逐渐成床。

图1 水平段环空岩屑运移状态图Fig.1 Transport state diagram of horizontal section annulus cuttings
图2 水平段环空岩屑浓度分布规律图Fig.2 Distribution diagram of horizontal section annulus cuttings concentration
图3是模拟钻井液与岩屑固液两相混合运动下的岩屑浓度分布云图，图4是模拟钻杆旋转过程中岩屑在环空中的运移情况。

图3 水平段环空岩屑运移分布图Fig.3 Transport maps of horizontal section annulus cuttings
图4 钻杆旋转时环空岩屑运移分布图Fig.4 Transport map of annulus cuttings when drill rotates
由图3和图4可以看出，在旋转钻井过程中，钻杆旋转，尤其是钻杆接箍部分的旋转，在窄环空内是有利于岩屑的悬浮和携带的。

如果采用井下动力钻具钻进，钻杆串是不旋转的，导致岩屑成床严重，小井眼水平段清洁更为困难［7］。

3 井眼清洁监测技术
井眼清洁控制的基础是岩屑运移规律的研究，对具有水力携岩特性和工艺特点的小井眼钻井而言，如何建立井眼清洁工程预测模型是环空岩屑监测技术的关键。

本文建立的数值关系可以模拟岩屑运移规律，预测环空中岩屑堆积、成床时间，对环空内岩屑的运移和分布进行实时监测，为现场进行携岩作业提供指导依据，配合现场携岩工艺，达到井眼清洁控制的目的。

如图5所示，侧钻水平井在不同井段具有不同环空状态。

以环空返速为标准衡量岩屑运移，发现环空返速与岩屑浓度直接反映环空中岩屑的运移状态。

并且，环空中岩屑浓度越大，环空压耗越高。

由此可通过测量立管压力及计算环空压耗转化成现场可以实测的 ECD(钻井液循环当量密度)值，依据ECD连续数据的采集，绘制
ECD随时间变化曲线，根据不同工况下ECD曲线的变化，实现井眼清洁程度的监测。

图5 环空岩屑运移分布示意图Fig.5 Annular cuttings transport distribution diagram
理论环空压耗公式为:
式中Δpx——环空压耗，MPa;
Δps——立管压力，MPa;
Δpp——钻柱内压耗，MPa;
Δpb——钻头压降，MPa;
Δpm——井下动力钻具压耗，Pa，为0.5MPa。

转化为某一井深的钻井液当量密度公式为:
式中ρx——某一井深的钻井液当量密度;
Hx——井深，m。

循环钻井液当量密度公式为:
式中ρECD——钻井液循环当量密度;
ρf——钻井液密度，kg/m3。

由文献［8］和［9］中的环空压耗模型分别求出岩屑成床时环空压耗Δpx1，以及岩屑浓度小于标准值时的环空压耗Δpx2。

再根据式 (3)转化成存在一定厚度的岩屑床时的理论ρECD2及岩屑不成床时的ρECD2，计算表达式为:
式中ρECD1——有岩屑床时的钻井液循环当量密度;
Δpx1——有岩屑床时环空压耗，MPa。

式中ρECD2——岩屑不成床时的钻井液循环当量密度;
Δpx2——没有岩屑床时的环空压耗，MPa。

综上所述，井眼清洁监测技术的关键是分析依据标准环空岩屑浓度区分的两种岩屑存在状态，即环空中不存在岩屑床时的环空压耗和存在岩屑床时的环空压耗，据此分别建立相应两种状态的数学模型，以及以此转化的两条ECD曲线，根据曲线形
成岩屑成床的上限和下限，在此区域及区域以下，说明井眼清洁，超出该范围说明存在岩屑床，需要进行井眼清洁作业。

4 小井眼钻井井眼清洁控制技术
井眼清洁是钻井全过程中需要注意的常态问题，如果环空中岩屑过多，井下易出现各种复杂问题，如:钻头过早磨损、机械钻速较低、扭矩和摩阻大、发生黏附卡钻、压裂地层及测井仪器下井难等。

井眼清洁监测技术是井眼清洁控制技术的前提，井眼清洁控制技术的关键是在沉砂未出事故之前选择有效的井眼清洁处理方法，达到破床携岩的目的。

4.1 井眼清洁的标准
由于钻井遇到的地质情况复杂，以及井筒固液两相运动本身就是极其复杂的运动力学关系，使得井眼清洁难以建立能够考量的标准。

通常使用环空岩屑总浓度、环空无量纲岩屑床厚度、环空无量纲岩屑床面积、岩屑运移比、岩屑最小运移速度等进行定性划分，这些参数都只能在一定程度上反映了井眼清洗情况，很难进行定量评价。

本文采用的井眼清洁标准为:直井段环空岩屑浓度小于5%，水平段岩屑床高度小于10%。

4.2 水力清洗
本文模拟的结果和前人的试验均证明，提高排量，即增大钻井液的环空返速可有效进行井眼清洁。

对于不同的环空结构存在一个最优的排量或最优的环空返速，一般认为在0.9～1.2m/s之间。

在这一速度区间时，岩屑运移达到动态平衡，以波状
运动为主 (水平段)。

提高环空返速的效果是显而易见的，但是排量增大使得循环压耗增加，进而环空内压增加，容易造成井壁失稳，引起复杂事故。

同时因为地面钻井液泵的能力限制及地层因素的影响，排量往往存在最优值。

钻井液的流态分为层流和紊流，不同的流态下不同的井斜角携岩的效果不同(图6)。

总的来说，相同条件下紊流的携岩效果要好于层流，但是紊流的水力能量对井眼的内壁冲蚀严重，容易引起井壁不稳定。

4.3 机械破岩
4.3.1 机械破岩清理岩屑的方法
该方法包括划眼、短起下钻、打稠塞、控制钻杆转速、机械钻速等。

图6 不同井斜角小环空流态携岩效果图Fig.6 Effect of small annulus flow regime with the rock in different inclination
短起下钻和划眼是现场常用的破岩、清岩的方法。

主要是利用钻具在井眼中的上、下运动来改变钻井液的流态，以及刮、转、挤、碾岩屑，尤其是在大斜度段或者水平段有岩屑床存在的时候，搅动岩屑床表面的岩屑使之重新进入钻井液核心流态部分，随着时间的推移破坏范围越来越大，达到破床携岩的效果。

打稠塞是在容易发生岩屑堆积的部位，或者预测到井眼存在岩屑堆积状况前，用钻井泵打入一定量的具有高黏特性的清扫液来改善局部岩屑堆积状况，进而改善环空中井眼清洁的状况。

4.3.2 专用的井眼清洁工具
小井眼钻井环空间隙较小，应用常规井眼清洁工具容易卡钻;而使用专用偏心式扩
孔破床工具 (图7)可以破除岩屑床，增大环空紊流状态，有效携岩，其缺点是需要
重新起下钻，增加钻井周期，加大了钻井成本。

图7 偏心式扩孔破床工具示意图Fig.7 Eccentric reaming broken bed tool schematic
偏心式扩张破床工具的工作原理是:在工具的下部设有重力偏心块，它从主体侧面突出。

偏心块旋转支撑产生偏心力作用，使在另一轴心的金刚石切削齿旋转切削井壁，达到破床、扩孔、促进携岩的目的［10］。

5 结论
(1)小井眼钻井具有其自身的岩屑运移特性，井眼清洁与常规井相比更困难。

井眼清洁控制技术能够随钻监测岩屑运移分布情况，配合现场携岩工艺可以有效携岩，实现井眼清洁控制。

(2)井眼清洁监测技术的核心是对环空岩屑浓度的监测，为了保证钻井安全，应根据岩屑浓度严格控制ECD在一个合理的范围。

(3)井眼清洁监测技术、最优排量计算配合水力和机械携岩方法，能够实现小井眼钻井过程中井眼清洁控制。

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