大斜度井井眼净化技术研究

【摘要】随着钻井中井斜角的增大，如水平井和大位移井钻井作业，钻井中产生的岩屑由于井斜大原因导致运移困难，由此产生的系列问题会影响钻井或完井的正常作业。通过对井下影响岩屑携带因素的分析，阐述了常用井眼净化技术，并指出了一种有效的井眼净化技术，为提高大斜度井机械钻速、降低钻井风险提供了保障。

【关键词】钻井 大斜度 岩屑床 井眼净化 摩阻

由于目前钻井技术的发展，大斜度井诸如水平井、侧钻水平井、大位移井越来越普及，但伴随着井眼井斜的增大，钻井产生的岩屑携带出地面也随之困难，由于井下岩屑的不能及时清除，在钻井作业中，遇阻划眼、卡钻现象时有发生，制约着该类井的钻井周期和施工质量，为此解决大斜度井的岩屑携带问题是一个重要的技术。

1 大斜度井岩屑形成原因

正常钻井施工中，钻头破碎的地层岩屑需要及时连续地被钻井液携带出地面，可随着井斜角的增大，井下钻具由于重力原因靠向井眼的下壁，这会导致钻具与井眼之间形成偏心环空，使岩屑的沉降、运移发生了变化，岩屑出现向井壁径向沉降的趋势，且使钻井液在环空的流速呈不均匀流动，导致岩屑不容易被携带出地面。而岩屑一旦在井下堆集，会增大钻具与井眼的摩阻，增加钻具的遇阻和卡钻几率，从而影响钻完井的顺利施工。研究表明：井下井斜角大于45°的井段，岩屑携带出地面就存在难度，容易发生井下复杂事故。

2 影响井眼净化主要因素分析

影响大斜度井岩屑净化的因素有很多，有井眼自身状况因素，也有技术和操作因素等，但主要因素可分析为以下几个方面：

2.1 井眼状况的影响

在钻井中井眼状况中，井斜角是影响钻井液携岩效果的主要因素之一，这主要是由于井斜大的条件下偏心环空的形成，同时岩屑在重力作用下也趋向向下井壁沉降。井斜为岩屑床的形成提供了条件，形成的岩屑床厚度取决于井斜角的大小，环空岩屑总浓度、临界流速（可携带岩屑的最低流速）均随井斜角的增大而增大，钻井液携岩效果则随井斜角增加而降低。

除井斜因素导致岩屑携带困难外，也与井眼轨迹的规则情况有关，井径不规则也不利于携带岩屑，尤其是所谓的“大肚子”井眼，同时所钻井眼的类型及位移的大小也与井下净化效果有关。2.2 钻井参数的影响

钻井参数中，排量是影响井眼净化的重要的参数之一，特别是在水平井、大位移井中更是如此，如果排量不够高，将会在水平井井眼下部环形空间形成一个稳定的钻屑床，这个钻屑床的形成潜在着卡钻的危险。增大排量可提高井眼清洁的效率，但是太高的排量会引起过高的ECD（等效循环当量密度）以致于压裂地层。

转速的影响，钻井中钻具的连续旋转增加了环空钻井液的紊流度，同时可使岩屑被搅动起来，另外钻具的旋转也可将大块岩屑挤压碾磨成小颗粒，有利于岩屑的进一步带出。

2.3 钻井液性能影响

钻井液俗称是钻井的“血液”，不同区块选用何种类型的钻井液和钻井液流态很重要。对岩屑携带而言，钻井液的流变性是个关键因素，其中的动塑比是重要因素。层流状态下的钻井液，在大斜度井下提高动塑比可提高携岩效果，但在紊流状态下，钻井液的携岩能力受动塑比影响不大，现场常用的平板层流需要调整合理的动塑比，才能取得较好的携岩效果。

钻井液液另一个主要性能密度参数，对井底净化效果也至关重要。合理的钻井液密度对携带岩屑而言，一是可以提高携岩能力和静止下的悬浮能力；二是平衡地层压力，避免易坍塌地层泥页岩的剥落掉块，增加钻井液中的有害固相。2.4 环空返速的影响

环空返速是在钻具与井眼之间环空的钻井液流速，其返速大小影响着岩屑净化效果，环空返速过低，携岩效果差井下摩阻大，环空返速过高，井下压耗大。小井斜下，提高环空返速有利于改善钻井液携岩效果，大井斜下，合理的环空返速可以降低岩屑床厚度降低。研究表明井斜角超过45°时，随着井斜角增大，临界返速也应增大，但对于大井斜井段来说，环空返速要进行优化选择一个最佳范围。

2.5 钻进方式和钻头的影响

目前的大斜度钻井，普遍采用滑动钻进和复合钻进两种方式，前者钻具不旋转携岩效果差，后者钻具转动有利于井底净化，在满足井眼轨迹的要求下，合理匹配两种钻井方式，既可达到轨迹控制需要，也可提高井下净化效率。另外钻井常用的PDC钻头和牙轮钻头这两种钻头，对破碎后形成的岩屑大小也不一样，相比而言，PDC破碎的岩屑更容易被携带出地面。

3 常用井眼净化技术措施

在大斜度井现场施工中，根据影响岩屑运移的主要因素，普遍采用以下一种或几种配合措施，以达到提高钻井液携岩效果。一是尽可能提高钻井排量和环空返；二是优化和维护好钻井液性能；三是合理匹配钻井方式；四是发挥好净化设备的功效。3.1 排量优化和尽可能提高环空返速

大斜度钻井施中，排量和环空返速是携带岩屑的一个主要因素。现场排量选择要在诸如井下动力钻具、无线随钻、地层冲刷、井眼状况等因素基础上进行优化，运用专用钻井软件进行排量优化设计和现场的适当调整；在确定合理的环空返速时，要综合考虑影响岩屑床厚度如偏心度等的六种因素，应用表明，2 cm的岩屑厚度是实现大斜度井安全钻进的安全厚度，因此把能达到此条件的环空返速认为是满足携岩要求最小的环空返速。

3.2 钻井液性能的优化和维护。

大斜度井施工作业中，钻井液体系的优化在考虑性、井眼稳定性等的基础上，也要考虑到大斜度钻井的携岩能力问题，钻井液流态选用有利于井眼净化和井壁稳定的平板层流，使用高动塑比、高动切力的钻完井液体系。动塑比范围可保持在0.36～0.70之间，动切力要大于2Pa，旋转粘度计Φ和Φ6读数值要大于2，同时严格控制初、终切力差值。另外现场应用中，可间断使用使用紊流段塞或重塞，配合高转速、大排量来提高携岩效果。

3.3 钻井方式和措施

目前大斜度钻井中，通常使用钻头+螺杆+无磁钻杆或钻铤+定向仪器（MWD或LWD）+钻杆的钻具组合，该套钻具组合可实现钻井的增、降、稳斜功能，因此常使用滑动钻进和复合钻进两种方式。根据井眼轨迹控制要求和井下钻遇地层情况合理使用这两种钻井方式，可以有效地达到井下岩屑的净化效果；同时为避免钻井照片能够岩屑床厚度的增加，及时破坏岩床，要坚持钻井中短起下钻或划眼的措施，必要时也可下光杆钻具进行通井带砂；钻头选择上，要尽可能地使用PDC钻头，在延长钻头使用时效的同时也有助于岩屑的被携带；疏松地层钻井中，要适当控制钻速，避免在疏松地层长时间定点循环，以避免“大肚子”井眼的形成。

3.4 净化设备的充分利用

大斜度井钻井，返出地面的钻井液是否净化良好也是一个注意事项，现场目前通常配置的如离心机、除砂器、除泥器、振动筛四级净化设备，要确保钻进中，设备的运转良好和正常工作，地面被净化好的钻井液返入井底后可避免井底岩屑的增加，有利于井底净化。

4 一种有效的井眼净化技术

现场实际施工中，有些大斜度井尽管采取了各种净化措施，但净化效果还不是很好，砂卡和遇阻等现象还常有发生，于是一种有效的井眼净化技术便随之被应用。该技术主要是依靠专用井眼清洁工具来实现，通过该工具的独特设计结构，利用机械方式来改变钻井液流态和提高携岩效果。4.1 专用井眼清洁工具结构简介

专用井眼净化工具要是由本体、保径扶正器、清洁带、搅动区、紊流区组成，见如下图1。该工具采用了三组特殊流型结构设计的扶正器，两端扶正器嵌镶有合金切削齿，能满足通井划眼光滑井壁的作业要求，凹槽设计可以有效松动下井壁的岩屑床，特殊设计的斜棱形扶正条及流道，可以起到紊流搅拌、加速的作用，将岩屑床破坏掉并运移至环空上部随钻井液上移、 “V“型流道使钻井液发生弯曲，产生螺旋流，提高岩屑运移效率（图1）。4.2 现场应用情况

专用井眼净化工具在研制投入现场后，先后在古巴大位移井、伊朗水平井、吐哈和吉林等油区水平井得到了推广使用。从现场使用来看，井下岩屑净化效果明显，明显地降低了井下钻井中的遇阻次数和摩阻、降低了卡钻风险、提高了钻速和减少了事故的发生。

以吉林油田富拉尔基TH5水平井为例，该井属于浅层水平井钻井，在后期井斜达到60°后，发现井下拖压严重，时有遇阻现象，分析为井下岩屑所致，于是起钻在钻具组合中增加了井眼清洁工具，在钻井液性能和排量等其它没改变的情况下，在540m～880m的造斜段和水平段钻进中，有效地降低了摩阻和提高了井下岩屑的携带，确保了该井的顺利施工。工具使用井段井斜数据和效果分析如下表1和图2、图3。

参考文献

[1] 陈浩，等.大井斜大位移井钻井液携岩问题分析及对策.胜利油田职工大学学报，2009

[2] 张哄泉，等.大斜度大位移岩屑床的解决办法.石油钻才工艺，1999；27（3）

[3] 胡景荣.再论大斜度定向井的井眼净化问题。钻采工艺，2001；24（2）

作者简介

王铁臣（1967-），男，工程师，1991年毕业于大庆石油学院钻井工程专业，现从事钻井工程技术管理工作。