浅析大位移井井眼净化问题_杨恒涛

引言

目前国内外钻井技术日新月异，井身结构越来越复杂。现代钻井技术已经实现对许多大井斜角、大水平位移的高难度井的钻进。在大位移井的钻进过程中，岩屑沉积问题一直尤为严重，若不能很好的清理沉积的岩屑，将会引发一系列问题影响钻进。岩屑沉积不仅增大了钻具的扭矩及摩阻，降低钻速，且直接影响钻井、固井等作业的正常运行[1]。

大位移井井眼净化问题是阻碍钻进速率的重要因素。为了更安全、高效的实现大位移井钻进，井眼净化问题的解决显得极为迫切。

1　大位移井井眼净化问题分析

在大位移、大斜度井中，岩屑有一种向下崩落的自然倾向，造成在井筒内的积累。当钻井泥浆的流速变得不足以维持一个干净的井眼时，在井底就会形成岩屑床，给钻井工作带来负担。尤其对于保持高速钻进的井眼倾斜超过30°的大水平位移井是十分关键的，现场作业中通常会需要额外的钻井时间来进行清理工作。过程中，钻井和井眼净化过程包括高转速、高流量、循环、高压冲洗、通井、循环冲刷井底、慢脱扣、划眼和倒划眼等。

井眼净化的好坏对钻井的性能和成本有很大影响，特别是对受时间成本影响很大的海上钻井平台。在钻井开始，一切工作似乎都进展顺利时，岩屑就开始从井底自下而上的充满井筒。当岩屑的量在一个可以接受的范围内时，因为并不影响正常的钻进而被人们忽视，直到钻井工作显示很多异常，出现越来越多的问题时才引起人们的警觉。如果继续无视这一问题，那么就会出现一系列钻井异常情况，比如机械钻速降低、需要高钻压、扭矩不稳定、切削速率不稳定、卡钻等现象。一旦发生这种情况，就必须采取必要的补救措施，诸如额外的通井、洗井、长时间的钻井液循环以及其他的常用的故障排除方法。

在井眼直径较小（小于8½英寸）时，尤其是水平井中，井眼净化的标准是不同的。过高的环空压力和高当量循环钻井液密度（ECD）会使岩屑在井底不断沉积，从而加快井底岩屑床的形成。随着井眼中水平段的长度增加，这个问题愈加严重，特别多见于大位移井（ERD）中。人们往往存在这样一个错误的认识，认为高速的管柱旋转和高的泵功率可以保持岩屑的悬浮，只要保持较高的水功率和钻柱旋转速度就可以把岩屑从井底运输到地面。从物理学的普遍规律来看，在任何给定的时间内将至少20%的岩屑总量以悬浮状态运输到地面是可能的。但在工程实践中，将规范的钻井操作、对钻井程序的连续监测结合起来才是保持井眼清洁，获得最优钻井时间的最佳方法。

2　影响大位移井井眼净化因素分析

实际钻井过程中，大位移井井眼净化问题的影响因素很多，比如井眼尺寸、钻井液性能及排量、钻具转速及钻速、人为操作等。综合分析，主要因素可分为以下四个方面：钻井条件、钻井机械、钻井参数、钻井液。

2.1　钻井条件

钻井条件主要包括地层特性、井斜角、井眼尺寸等。

在大位移井钻井过程中，地层特性将直接影响井眼净化问题。地层岩石胶结性越差，越可能引发钻进过程中井壁坍塌、井漏等井下复杂情况[2]。

在钻井条件中，井斜是造成井眼净化的根本困难。井斜角越大，所形成的岩屑床越厚，钻井液可携岩屑回返的临界流速越高，钻井液的携岩及清除能力越弱。另外，井斜的位移大小、所钻井井眼类型、井眼轨迹规则与否也会对井眼净化效果有所影响。

2.2　钻井机械

大量工程实践证明，大位移大斜度井所用钻头类型及钻具旋转情况对井眼净化有直接影响。钻头选用类型的不同，决定了碎岩后形成的岩屑大小不同，如钻井常用的PDC钻头和牙轮钻头，前者所形成的岩屑更小，更容易被钻井液携带回返至地面；钻具的旋转，不仅能将一些较大的岩屑碾碎成小岩屑，而且可以搅动回返的钻井液，增加环空内钻井液的紊流程度，钻井液携岩回返更为容易[3]。

2.3　钻井参数

钻井参数对大位移井井眼净化的影响主要表现在机械钻速和钻井液排量两方面。

机械钻速越高，所形成的岩屑越快越多，在大位移大斜度井中，由于钻井液携岩能力有限，在井眼残留堆积的岩屑越多，岩屑床高度越大，而且堆积的岩屑增大了环空

浅析大位移井井眼净化问题

杨恒涛

中石化胜利钻井研究院　山东　东营　257000

摘要：本文对大位移井井眼净化问题进行简要分析并重点归纳了四类大位移井井眼净化的因素，同时介绍了一种国外先进的机械井眼净化设备，为国内的大位移井井眼净化技术的发展提出了期望和建议。

关键词：大位移井　岩屑床　井眼净化　机械净化设备

Wellbore cleaning in extended reach well

Yang Hengtao

Research Institute of Drilling，Shengli Oilfi eld，SINOPEC，Dongying 257000，China Abstract：This paper describes the wellbore cleaning in extended reach well along with four kinds of factors that affect the cleaning. An advanced mechanical wellbore cleaning device is introduced as well to offer advices for the development of the cleaning technology.

Keywords：extended reach well；cutting bed；wellbore cleaning；mechanical cleaning devices

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岩屑浓度，导致钻井液携岩回返能力下降，大大影响了井

眼的有效净化[4]。

在一定范围内，钻井液排量越大，井眼净化效果越

好。大位移大斜度井中，钻井液排量不够大时，会导致岩

屑不能及时被携返，岩屑堆积形成岩屑床，卡钻的风险大

大增加。但是，钻井液排量超过一定值时，会导致等效循

环当量密度过高，压裂地层。

2.4　钻井液性能

钻井液性能对大位移井井眼净化的影响主要表现在钻

井液流变性及钻井液密度。

钻井液流变性是影响岩屑运移的重要因素。钻井液处

于层流状态时，提高其动塑比可以明显提高携岩效果，但

在钻井液处于紊流状态时，其动塑比的大小对钻井液的影

响不大。在现场实践中，应该调整合理的动塑比，使钻井

液的携岩能力达到最佳。

钻井液密度是影响井眼净化效果的另一关键因素。在

现场施工中，一般情况下，为了更好的净化井眼，提高钻

井液密度来循环洗井，因为随着钻井液密度的提高，地层

压力得到一定的平衡，一定程度上避免了地层剥落，钻井

液携岩屑回返能力提高，所形成的岩屑床高度越低，井眼

净化效果越好。故在确保不压漏地层的前提下，尽可能的

提高钻井液密度可以实现较好的井眼净化效果。

3　一种国外先进的大位移井井眼净化技术

针对大位移大斜度井井眼净化问题，国内采取的方法

不仅耗时耗力，而且施工过程较难控制。国内采取的方法

主要是通过提交钻井液性能、钻井液回返速度等，其弊端

较为明显，成本高，且易引发井下复杂情况。国外现已具

备较为先进的井眼净化工具及相应的配套设备。下面介绍

一种国外先进的大位移井井眼净化技术。

机械井眼净化设备（MCD），例如水力净化技术，是

一种十分有效的井眼净化方法。作为一个将流体动力学和

液压机械效应结合起来的设备，该工具可以逐渐减小在正

常钻井条件下产生的岩屑床的高度，并避免岩屑床的堆积

对钻井产生不利影响。该工具使岩屑不断被挖出并在钻杆

环空中被高速运移至地面。因此可以减少井眼调整时间、

增加破岩效率，使钻井性能达到最佳。最具代表性的是国

外VAM 钻井公司生产的 Hydroclean TM[5]，其作用机理如图1

所示。

图1 Hydroclean TM水力净化设备作用机理示意图

此设备作用机理是借助钻杆转动带动工具表面的刀片

结构及螺旋槽旋转，搅动钻井液，提高钻井液的紊流程

度，使岩屑颗粒重新悬浮。此设备对钻井液的流变性有一

定的要求。

Luc Van Puymbroeck等人将液压机械净化设备整合在

工具接头上[6]，设计出了一种新型钻杆。钻杆的新特性在

于专门设计的刀刃沟槽在不影响钻杆正常性能的前提下可

以在每个工具接头上联合产生液压机械清洁效应。这种

新型水力净化Hydroclean TM钻杆是一项专利技术，它创新

的在钻杆接头处集成了现有的Hydroclean TM技术，开拓性

的解决了在水平井和大斜度井中经常会遇到的环空压力

和等效循环密度（ECD）的问题，大大增加了钻井时的井

眼净化效率，提高了钻井系统的整体性能和安全性，减

少了在水平井和大斜度井中的无效钻井时间。新型集成

HydrocleanTM钻杆示意图如图2所示。

图2　新型集成Hydroclean TM钻杆示意图

4　结论与建议

随着大位移井钻井技术的不断发展，大位移井井眼净

化难题已急需解决。本文从四个方面阐述了大位移井井眼

净化影响因素，为了更好的解决大位移井净化问题，需要

从钻井条件、钻井机械、钻井参数和钻井液性能四个方面

着手，优化钻具组合，调整钻井液性能，开发井眼净化实

时监测系统，研发井眼净化工具。与国外相比，中国在机

械井眼净化设备等方面的研究还很不够，需要加强这方面

的研究，也需要广大科学工作者付出更多艰苦的努力。

参考文献

[1]Bradley W B，Jarman D，Plott R S，et al. A taskforce

approach to reducing stuck pipe costs[R]. SPE21999. 1991.

[2]马世昌，许树谦.大位移钻井井筒减小扭矩和摩阻

防止卡钻技术[A].见：中国石油学会石油工程学会钻井工

作部：石油工程学会2000年度钻井技术研讨会[C].北京，

石油工业出版社，2001：110-115.

[3]王铁臣.大斜度井井眼净化技术研究.中国石油和

化工标准与质量.2013（15）.

[4]肖国益等 .X10-1H水平井井眼净化技术及应用.石

油地质与工程.2011（7）.

[5]Ahamed R，Sagheer M，Takach N，et al. Experimental

studies on the effect of mechanical cleaning deviceson annular

cuttings concentration and application for op-timizing ERD

systems[R]. SPE 134269，2010.

[6]Luc Van Puymbroeck.New Generation Drill Pipe

to Increase Drilling Performance in ERD Wells. SPE/IADC

166775，2013.