水平井、大斜度井井眼清洁机理分析

（1渤海钻探井下技术服务公司 天津300283；2渤海钻探第三钻井公司 天津300280；3.大港油田井下作业公司 天津300283）

（1渤海钻探井下技术服务公司 天津300283；2渤海钻探第三钻井公司 天津300280；3.大港油田井下作业公司 天津300283）

根据大斜度井水平井的岩屑沉积及岩屑运移情况，通过理论分析，计算了粘度和流速对岩屑床的影响，结果表明增大粘度可以降低岩屑床高度和提高流速可以清楚岩屑床，理论分析了门限流速的产生以及转速对清洁岩屑床的影响，结果表明提高粘度对井眼清洁效果明显，流速是影响井眼清洁的主要参数，但是由于设备、井深等的限制粘度和流速的调节范围有限，钻柱旋转对井眼清洁起主要作用，在实际操作过程中要通过钻井参数控制，泥浆性能控制，钻井操作等几个方面共同作用才能很好的控制岩屑床，保证施工安全。

水平井岩屑清洁流速转速

1 前言

对于大斜度井和水平井而言，井眼清洁的好坏直接关系到一口井的成败。

从现场经验来看由于井下岩屑得不到充分清洗而直接导致的起下钻遇阻、卡现象时有发生[1-6]。

因此，研究水平井和大斜度井井眼清洁机理，不仅具有理论意义，而且也具有重要的实际意义。

一个清洁的井眼是指岩屑床的高度和分布不影响钻井施工。在大斜度井段和水平井段，岩屑重力沉降方向与钻井液流动轴向不在一条直线上，其合速度方向指向井眼下侧，因而极易在井壁下侧形成岩屑沉积床。

因此研究井眼清洁的关键就是研究井筒中岩屑的运移的影响因素，进而制定清除岩屑床的方法。

2 影响岩屑运移因素分析

根据现场经验，影响井眼清洁的主要因素可以归结为：钻井参数，泥浆性能，钻井操作和钻井设计几个方面，钻井设计是钻井开始以前进行的，而钻井液性能的调节需要考虑很多因素这里不做详细介绍，仅分析钻井参数对岩屑运移的影响。

Gavignet和Sobey[7]提出了大斜度井中岩屑传输的两层基本模型，此模型可用来模拟管内气液两相流动和颗粒水力传输等流动。Martins对该模型做了进一步的改进[8]，汪志明等[9]在Martins模型基础上考虑了岩屑颗粒的分散，建立了两层不稳定岩屑传输模型，本文以此模型为基础编制了相关的计算程序，分析粘度及流速的影响。

图1 粘度对于岩屑清除的影响

2.1 粘度的影响

在相同的环空返速（vt=0.6m/s）条件下，钻井液流变参数的影响规律如图1所示。

使用的低粘度钻井液参数为k=0.2mPa·sn，n=0.68；高粘度钻井液参数为k=0.37mPa·sn，n=0.70。

可以看出，高粘度的钻井液比低粘度的钻井液清洁的效果更好。

即使两钻井液具有相同的密度，其作用时间也不同：低粘度的钻井液在井眼中达到稳态大约需1200s左右，而高粘度的钻井液在2000s后还在冲蚀岩屑床。

从图中也可以看出，高粘度钻井液在稳态时所形成的岩屑床比低粘度钻井液在稳态时所形成的岩屑床要低一些。

但是同时也应该指出在实际钻井过程中，泥浆粘度会受到一定限制，这是因为，粘度增加沿程摩阻必然增加，从而对于泵压的要求就增加，从而在钻井设计阶段就要考虑泥浆泵的性能。

2.2 流速的影响

图2是环空返速分别是vt=0.6m/s（较低环空返速）和vt=1.2m/s（较高环空返速）情况下，岩屑床高度随时间的变化情况。

图2 环空返速对于岩屑清除的影响

从图中可以看出，如果环空返速较低，只有部分岩屑被除去。随着钻井液流速的增加至一定程度，岩屑床可以完全被除去。因此，在一定流速条件下，长时间循环钻井液可以完全除去岩屑床。这也就说明了，流速对于岩屑床的控制的必要性。最理想的情况，大位移井的每一段都应处于允许的最大流速，直到因为表面压力或者井底钻具限制而改变。其他的限制例如当量循环密度受限可能意味着流速需要降低。

另一方面通常认为高流速会冲刷井筒，紊流会导致井筒冲蚀，这是一个误解，原因如下：

在所有的目的井中使用粘性泥浆体系，不管流速多大在环空中都很难达到紊流，在隔水管中海水可能形成紊流，但是大部分还是层流。不管理论环空返速，实际紧贴井壁的流体速度等于0，这是因为流体是粘性的，流体越贴近井壁运动越慢，距离井筒中心越近，速度越快。

实际上大多数的井眼侵蚀发生在钻头处，这主要是为了高比水功率喷射钻进时，钻头喷嘴流出的高压高速流体对于井底和近钻头井壁的冲刷，高比水功率与几乎所有的井眼侵蚀有关。

2.3 门限流速的产生

从现场经验来看，岩屑运移流速存在门限值。从定性的角度考虑，主要是两个原因引起的：一是从岩屑床高度考虑，从岩屑床高度的计算来看[9]，颗粒扩散系数本身存在一个拐点，从而在达到一个临界点时会发生一个突变。另一方面从岩屑颗粒受力角度考虑，如图3所示。

图3 岩屑床颗粒受力情况

从岩屑颗粒受力分析来看，岩屑床表层颗粒处于静止状态，从而所有与颗粒运动有关的力都为0，其中F为颗粒对流体的阻力，同时也是流体对于颗粒的推动力，如果颗粒发生运移，岩屑床厚度变薄，F必须克服下层颗粒对于此颗粒的阻力，即T1与T2在水平方向上分力与阻力f（主要是摩擦力）的合力，在颗粒运动以前T1与T2都是不变的，运动后，T1瞬间消失从而对于F就存在一个门限值，根据圆球形物体阻力计算的一般公式为：

式中：

ρ为流体密度，kg/m3；

u1为圆球体与流体的相对运动速度（颗粒静止，u1即为流体速度），m/s；

ds为圆球体直径，m；

Ф为与雷诺数Re有关的系数（对非圆球体，还与物体形状有关），由实验确定。

F对岩屑单元来说也是驱使岩屑发生运移的主动力。

若把F力看成球体直径平面上的分布力，则

从而可知，F与颗粒的大小和流体流速呈二次方关系，在颗粒大小一定时，要使颗粒运动必须达到一定流速，从而存在门限流速，只有流速达到一定程度，流速改变很小就可以让颗粒运移。

2.4 钻柱旋转的影响

在大斜度井段，钻具的高速旋转对井眼清洁是必须的。

由于钻杆旋转的影响较为复杂，难以将其引入实际的理论计算中，故理论计算中很难考虑钻杆旋转，本文定性的分析了钻柱旋转对于岩屑运动的影响。

岩屑单元的运移趋势由岩屑所受的主动力状况决定。在偏心环空轴向流动下旋转钻柱，环空钻井液呈螺旋流动，此情况下静止的岩屑床表面岩屑颗粒受力，如图4所示。

与不旋转时候相比，旋转的时候表面颗粒受液流旋转影响还产生了一个弯矩，而由于流速产生的主推动力仍然不变，从而在此工况下，由于旋转钻柱的扰动，静岩屑床的岩屑易于进入流动区域，而进入流动区域的岩屑颗粒由于液流的旋转作用受力更加复杂，并且更容易产生径向位移，增加了颗粒间碰撞的几率，从而获得更大动量，与下层岩屑颗粒的碰撞增加，从而使岩屑床都易于破坏。

图4 有钻具旋转情况下岩屑床颗粒受力情况

通过以上分析可以认为井眼清洁有两个机理：分散和机械清除。

分散有效的将岩屑分散到泥浆中，这样岩屑就可以相当轻松地移除。

要达到这样的目的需要具备两个条件：

首先，所钻地层必须是松软并且易于分散的。

然后，泥浆体系必须无抑制性，因为抑制性会阻止岩屑进入泥浆。

总之，分散只在大直径的上部井段中应用，此时使用低价的水基泥浆。从井筒中机械清除岩屑，需要许多参数共同作用。但是在水平井和大斜度井中，旋转和流速是井眼清洁两个最重要的参数。旋转控制井眼清洁的效率，流速控制井眼清洁的速度。

3 结论

（1）对于岩屑运移的偏微分方程组进行数值求解，结果表明高粘度钻井液在稳态时所形成的岩屑床比低粘度钻井液在稳态时所形成的岩屑床要低一些。随着钻井液流速的增加，当流速达到一定程度时，长时间循环钻井液可以将岩屑床完全除去。

（2）通过对岩屑床表面颗粒的受力分析，认为清除岩屑床存在门限流速，这主要是因为一方面岩屑的扩散本身存在突变性，另一方面在颗粒大小一定时，要使颗粒运动必须达到一定流速，从而存在门限流速。

（3）对岩屑床表面颗粒进行静态受力分析，结果表明在斜井和水平井中旋转钻柱有助于破坏岩屑床，提高环空中岩屑的运移行程。钻井液在环空流动过程中，由于液流的紊动以及岩屑间的相互碰撞，会对某些岩屑的运移有一定影响，但在环空流动过程中岩屑被运移的基本趋势不会变。

（4）在井眼清洁中，单独依靠提高转速，提高流速和改变泥浆流变性都不能高效的清洁岩屑，在实际操作过程中要相互配合使用才能有效清洁井眼。

[1]Ozbayoglu E M,Saasen A,Sorgun M.Effect of Pipe Rotation on Hole Cleaning forWater Based Drilling Fluids in Horizontal and Deviated Wells[C].IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition.Jakarta,Indonesia,SPE 114965,2008. Galveston,Texas,SPE 154759,2012.

[2]张振兴，李清，阎宏博."两速"对大斜度井井眼清洁的影响 [J].石油化工应用，2010，29(2-3)：90-94.

[3]GAVGNET A and SOBEY I J.Model aids cuttings transport prediction[J].JPT,1989：916-921.

水平井、大斜度井井眼清洁机理分析

■朱炎琛1鲁超2姜艳3

P62[文献码]B

1000-405X（2016）-10-438-2