水平井井眼净化技术探索样本

摘要: 在钻井施工过程中, 井眼净化是一个非常重要而且不易处理的难题, 井眼净化不好会导致摩阻增大, 扭矩增大, 钻压加不到井底, 有时甚至无法钻进, 钻头过早磨损; 岩屑在井底被钻具重复破碎, 侵入钻井液, 糊在井壁上, 形成假泥饼, 使泥饼的粘滞系数增大, 会造成起下钻, 电测, 下套管作业困难, 甚至会导致沉砂卡钻, 压差卡钻等井下事故。

1．水平井钻井中钻屑运移规律及受力分析:

1.1 钻屑受力分析:

环空中的钻屑主要受到以下几种力的影响:

１．拖拽力: 即液流与表面粗糙的颗粒相接触后因摩擦而产生的摩擦力与因颗粒前后的压力差而产生的形状阻力的合力, 它与液流方向一致．

２．上举力: 当液流运动时, 岩屑颗粒顶部与底部的流速不同, 前者为液流的运动方向, 后者为颗粒间渗透流体的运动速度, 此液流流速相差很多, 根据伯努力定理, 颗粒上下将产生压力差, 此压差产生上举力, 方向垂直于液流方向．

３．粒间离散力: 当岩屑颗粒离开床面已推移的形式运动时, 一方面因与流速较高的液流相接触, 拖曳力大幅度增加, 而另一方面由于颗粒上下的压力急剧减小, 上举力很快消失, 但在环空中流动的绝对不止一颗岩屑, 当大量岩屑同时存在且液流和颗粒间存在相对运动时, 粒间的绕流流态将使颗粒间相互产生影响, 其表现形式是颗粒将承受一个与液流方向相垂直的力, 此力就是粒间离散力, 颗粒靠的越近离散力就越大．

４．悬浮力: 悬浮力为滞缓钻屑下沉速度的力, 方向与重力方向相反, 大小取决于钻井液在实际环空剪切速率下的切应力．

５．重力: 重力是使钻屑沉向下井壁的力, 方向垂直向下, 力的大小取决于钻井液密度, 对大多数地层来说可近似看作常数．

1.2 水平井钻井中钻屑运移规律:

水平井施工过程中, 钻屑上返经过0°～90°各井段, 在直井段中, 岩屑下滑速度Vs与岩屑受重力作用方向一致, 不存在径向分量Vsr与轴向分量Vsa, 随着井斜角的增大, 径向

分量Vsr随之增大, 当井斜角为90°时, 径向分量Vsr增大为最大值; 而轴向分量Vsa随着井斜角的增大而降低, 当井斜角为90°时, 轴向分量Vsa降为0°。根据受力分析, 钻屑在水平井中运移规律按井斜角可分为３类:

１．井斜角0°~30°井段

在此井段中, 当环空中钻井液上返速度大于岩屑的下滑速度时, 只要不停止循环, 岩屑就会被带出井筒, 不存在岩屑床。

２．井斜角30°~60°井段

当井斜角超过３０°时, 径向分量Vsr增大至足够使岩屑脱离钻井液, 滞留在井眼底侧, 形成岩屑床, 当钻井液停止循环, 岩屑床在重力的作用下有可能停留在井壁下侧, 也有可能下滑到境地。

３．井斜角60°~90°井段

当井斜角超过60°时, 轴向分量Vsa逐渐减小至为0, 岩屑沉淀并聚集在井眼底侧, 当钻井液停止循环时, 岩屑床也不再向下滑动。

由以上分析可看出, 随着井斜角的增大, 井眼净化的难度越来越大, 在井斜角超过300的井段及水平井段表现得特别明显。

2．影响水平井井眼净化的因素

2.1 井斜角

井斜角是影响水平井井眼净化的主要因素之一, 随着井斜角的增大, 井眼净化的难度越来越大, 在井斜角超过300的井段及水平井段表现得特别明显。不论使用何种钻井液都有岩屑床的形成和存在,井斜角提供了其形成的条件,岩屑床的厚度与井斜角大小密切相关。不论是用清水或触变性流体作钻井液,环空岩屑总浓度,环空止动流速,环空临界流速均随井斜角的增大而增大,井眼净化程度也随其增加而下降。国内普遍把井斜角30°～60°作为洗井的最关键区域,因为在该区域岩屑不但会因环空返速不足逐渐沉聚在井眼下侧形成岩屑床而且岩屑床可能下井壁逐渐下滑。

另外狗腿角过大, 则井眼曲率过大, 造成井眼轨迹不规则, 就会造成岩屑在环空中流动方向多变性, 使得岩屑易聚集在不规则处, 因此需要在钻进时严格控制好井斜角和方位角的变化。

2.2 环空返速

环空返速也是影响水平井井眼净化的主要因素之一, 其大小直接影响环空岩屑的运移方式。在任何井斜角下, 提高环空返速, 都会使井眼净化状况得到改进; 有岩屑床时, 环空返速对岩屑床厚度影响很大,环空返速的增加能够使岩屑床厚度大幅度减小,当环空返速达到某一临界值时,岩屑床处于沉积与冲蚀掉交迭发生的动态平衡状态,当环空返速冲蚀起岩屑时,环空有效面积增大,返速随之下降,岩屑开始堆积,继而环空有效面积减小,返速的大小直接影响着岩屑的运移方式、状态以及环空岩屑浓度。对于特定的井斜角和钻井液流变参数等存在一个阻止岩屑床沿井壁成层下滑的环空止动返速和防止岩屑沉积成床的临界环空返速。众多资料显示,环空止动返速的统计值为0.8～1.03m/s;井斜角在30°～90°范围内,环空岩屑成床的临界环空返速为0.85～1.2 m/s。

2.3 环空流型

当环空倾角在0°～45°时, 层流比紊流携岩效果好; 当环空倾角在55°～90°时, 环空钻井液的流态对井眼净化影响比较大, 当流态从层流过渡到紊流时, 岩屑床面积急剧下降, 紊流比层流携岩效果好; 当环空倾角在45°～55°时, 两种流态的携岩效果基本相同。但在实际钻井过程中, 由于受到各种条件的限制, 很难在环空中形成紊流, 此时可经过调整钻井液流变性能, 改变层流速度剖面的平板程度来取代紊流, 使钻井液在环空处于平板性层流, 从而以可达到改进净化的目的。