深层水平井井眼净化技术浅析——以X10－1H井为例

李得立 刘 伟 李 丽 吴建忠 房 舟 王 辛

（1.成都理工大学 沉积地质研究院，成都610059；2.中国石化西南油气分公司 工程技术研究院，四川 德阳618000）

在水平井钻井施工过程中，随着井斜角的增大，在重力的作用下，钻具靠向井眼低边，钻具与下井壁之间的钻井液流速极大地降低；当钻具不旋转时，流速几乎为0，失去了悬浮、携带能力的岩屑沉积于井眼低边形成岩屑床是不可避免的［1］。研究表明：井斜角30°～60°的井段最易形成岩屑床，而且随着井斜角的增大，岩屑床越厚。岩屑床的存在，增大了钻具上下活动的摩擦阻力和钻进时的扭矩，易产生卡钻、断钻具等井下事故。现场常采用增大排量、加强短程起下钻等措施提高井眼净化程度；但对于深层水平井，由于井深、水平段长、井眼不规则、地面机泵条件限制等诸多因素的影响，效果并不理想。

1 X10－1H井基本情况

X10－1H井是针对须家河组第二段的1口深层水平井，完钻井深5 815m，水平段长815m，完钻井眼直径215.9mm，最大全角变化率32°／100 m；钻井液性能：密度1.70g／cm3，黏度70s，塑性黏度34mPa·s，静切力18／30Pa，动切力28Pa；Ø244.5mm技术套管下深4 626.5m；井深5km进入水平段，水平段井斜85°～88°；钻具组合：Ø 215.9BIT×0.25m＋Ø172PDM×1.25°×7.5 m＋431×410×0.38＋411×410（回压凡尔）×0.5＋Ø127NMDP×9.31m＋MWD×1.41＋Ø 127DP×8柱＋Ø127HWDP×27.77m＋411×410×0.5（旁通阀）＋Ø127HWDP×120.35m＋防磨套×0.5＋Ø127HWDP×74.99m＋防磨套×0.5＋Ø127HWDP×223.41m＋Ø127DP×479.42＋震击器×9.72＋411×520×0.5＋Ø139 DP。

2 井眼净化的影响因素分析

根据文献可知［2，3］，大斜度井段和水平段岩屑床高度计算公式为：

式中，hc为岩屑床高度；Dh为井眼或套管直径；d0为钻杆直径（内径）；μe为钻井液有效黏度；λ为钻杆偏心度；vc为临界环空返速；va为平均环空返速；k为钻井液稠度系数；n为钻井液流变指数；ρs为岩屑密度；ρf为钻井液密度；ds为平均颗粒直径；θ为井斜角。

从上式可以看出，井眼净化的影响因素主要有钻井液性能、井径扩大率、机械钻速、钻具转速、钻井液排量等。本文以X10－1H井为例，分析这些因素对大斜度井段和水平段井眼净化的影响。

2.1 钻井液动切力对井眼净化的影响

在其他条件不变的情况下，调整钻井液动切力值，分别对钻井液排量为1.60m3／min、1.65 m3／min和1.70m3／min时井眼净化情况进行分析。结果表明：随着动切力值的增大，岩屑床高度减小，动切力值为15Pa左右时出现一明显“拐点”，当动切力值＜15Pa时，不利于携眼；＞15Pa时，岩屑床高度变化不明显，基本趋于平稳（图1）。排量越大，岩屑床高度越小。因此，在现场施工过程中，需要提高钻井液动切力值到某一值才能在现有排量下有效携岩。

图1 钻井液动切力对水平段井眼静化的影响Fig.1 The impact of the drilling fluid dynamic force on the horizontal section borehole purification

2.2 钻井液塑性黏度对井眼净化的影响

在其他条件不变的情况下，调整钻井液塑性黏度。塑性黏度对岩屑床的影响比动切力对岩屑床的影响要弱，塑性黏度在10～70mP·s之间变化，岩屑床高度只改变2mm左右；随塑性黏度的提高，岩屑床高度逐渐降低；低排量时，岩屑床高度随着塑性黏度的增加变化较快，高排量时，变化较缓（图2）。因此，在现场施工过程中，特别是排量不足时，提高钻井液塑性黏度能有效携带岩屑。

2.3 钻井液密度对井眼净化的影响

随着钻井液密度的提高，井眼净化程度越好，岩屑床高度越低。在不同排量下，变化规律和变化幅度基本一致，排量越大，越利于井眼净化（图3）。这也是现场施工时，提高钻井液密度循环洗井的原因所在。因此，在现场施工过程中，若出现井眼净化不良，可在确保不压漏地层的情况下，提高钻井液密度和钻井排量洗井。

2.4 井径扩大率对井眼净化的影响

图2 钻井液塑性黏度对水平段井眼净化的影响Fig.2 The impact of the drilling fluid plastic viscosity on the horizontal section borehole purification

图3 钻井液密度对水平段井眼静化的影响Fig.3 The impact of the drilling fluid density on the horizontal section borehole purification

随着井径的增加，井眼净化难度增大。当钻遇夹层、垮塌层，扩径严重时（按扩径30%计算），排量27.5L／s以上（图4），能够保证岩屑床高度低于8mm。

2.5 机械钻速对井眼净化的影响

机械钻速低于某临界值时，对井眼净化的影响较小，随着钻速的提高，岩屑床高度缓慢增加；当机械钻速大于某临界值时，随着钻速的提高，岩屑难以及时携带而迅速堆积。在井径扩大率为15.7%，排量22L／s时，当钻速低于40m／h，岩屑床高度低于7mm；当钻速高于40m／h时，岩屑迅速堆积；当钻速达到50m／h时，岩屑床高度超过15mm（图5）。因此，实际施工过程中，水平段机械钻速不易过快，每钻进一段距离应进行短程起下钻。

图4 井径对水平段井眼净化的影响Fig.4 The impact of the well diameter on the horizontal section borehole purification

图5 机械钻速对水平段井眼净化的影响Fig.5 The impact of the mechanical drilling speed on the horizontal section borehole purification

2.6 钻具转速对井眼净化的影响

当井内钻具转动时，岩屑容易被携带出井；钻速为0时，岩屑床厚度最大；随着转速的逐渐提高，岩屑量迅速下降，在转速低于10r／min时，下降速率最快；当转速高于某一“定值”后，在此排量下，能够将岩屑迅速清除，不会存在岩屑床堆积。排量越大，“定值”越小，达到有效携岩的转速越小［4］（图6）。

图6 钻具转速对水平段井眼净化的影响Fig.6 The impact of the drilling speed on the horizontal section borehole purification

3 井眼净化技术措施

从上述井眼净化影响因素分析可以看出，岩屑床与钻井液性能、井径扩大率、机械钻速、钻具转速、钻井液排量等关系密切，但只是在限定其他条件不变的基础上进行的分析，并未考虑地面泵注设备工作能力、钻具结构等。因此，现场施工时，应综合考虑各种因素，达到井眼净化最优效果。

3.1 优化钻具结构，减少循环压耗，为携眼创造条件

对3种钻具组合（X10－1H井实际钻具组合、去掉马达的简化钻具组合、X21－2H井旋转导向钻具组合）进行对比分析发现，在钻井液性能、钻井液排量相同的情况下，X10－1H井旋转钻进时循环压耗最大，泵压最高；采用旋转导向钻进方式产生的循环压耗最小，泵压最低。相比之下，采用不带马达的旋转导向钻进方式更适合深层水平井钻井，在地面机泵条件受到限制的情况下，采用旋转导向钻进方式能够获得更大的排量，更利于净化井眼。

3.2 合理调整钻井液性能

通过上述单因素分析可知，塑性黏度、动切力、钻井液密度越大，越容易清除岩屑；但同时也增大了施工泵压和钻井成本，不能单一依靠调整钻井液性能来净化井眼。

通过对3种钻井液复配性能分析发现，高密度、高黏度、高切力形成的泵压最高，但相同井段岩屑床高度最低（图7、图8）。

图7 不同钻井液性能下排量与泵压关系Fig.7 Relationship between displacement and the pump pressure under different drilling fluid performance

图8 不同钻井液性能下岩屑床高度与井斜角关系Fig.8 Relationship between the cutting bed height and well bevel under different drilling fluid performance

实际施工过程中，可调整钻井液性能，适当降低流性指数，提高动塑比，使处于紊流状态钻进。钻进过程中间断泵入一定量的比原浆黏度低的钻井液，使其成为紊流态循环，再配合泵入比原浆黏度高的钻井液来清除环空岩屑。

3.3 加强短程起下钻，清除死角岩屑

执行定时间、定井段短起下钻作业，起下钻过程中分段循环，循环时要上下活动钻具或旋转钻具。对普遍认为岩屑床最易形成的井斜角30°～60°的井段，要进行划眼处理机械破坏岩屑床。

3.4 选择合理的钻进方式和钻井速度

形成岩屑床的重要原因是产生的岩屑不能及时清除，要么是钻速太快，要么是形成死角。因此，井眼净化还应从控制钻井速度、选择合理钻进方式入手。从岩屑床影响因素分析可知：机械钻速＜40m／h，钻具转速＞60r／min利于岩屑清除。通过机械钻速和钻具转速的不同配置可以看出，钻速40m／h＋转速60r／min的配置与钻速20m／h＋转速60r／min和钻速40m／h＋转速100r／min的配置基本相同，井眼净化程度不变；当机械钻速高于40m／h，转速低于60r／min时，岩屑床高度偏差较大。对于致密气藏水平井而言，斜井段机械钻速普遍低于3m／h，应重点考虑钻具转速对井眼净化的影响，建议采用复合钻井方式，钻具转速＞60r／min。

3.5 积极研制破坏岩屑床的新工具、新技术

国内岩屑清除工具主要是通过在钻具上安装岩屑清除装置达到提高环空返速、改变流体流态的作用，进而提高斜井段井眼净化程度的目的［5］。其原理主要是靠其特定的几何结构引起周围流场的剧烈变化来破坏、清除岩屑床。无论何种岩屑床破坏工具，都是在钻具组合上添加相应的装置，通过其特殊的几何尺寸改变流体流态，这些工具的应用只能提高部分井段岩屑清除效果，要想长水平段均达到明显效果，需要在钻具结构中添加多个相应的工具，同时增大了卡钻风险。笔者认为，可以在钻具组合特别是钻铤以及加重钻杆方面下工夫，采用螺旋形结构，螺旋钻铤并将斜井段加重钻杆的本体加厚部分加工为螺旋形，在转动钻具的同时搅动底边岩屑床，提高其运移速度。

3.6 优化钻井设计，加强轨迹监控，降低井径扩大率

在进行钻井设计前，充分论证地层稳定性，向地层稳定的方位钻进，避免钻进过程中出现井壁失稳和坍塌掉块。减少30°～60°特别是50°左右斜井段长度。优选旋转导向工具，减少因地质变化带来的轨迹调整，降低全角变化率。

4 结论

a.井眼净化问题一直是深层水平井钻井的难题，在目前条件下，要想彻底清除岩屑床还存在诸多困难，只能通过多种途径减少或降低岩屑床。

b.减少或降低岩屑床需要统筹考虑钻井液性能、钻具组合、钻进方式、井下工具、钻井操作等，即增加排量、提高动切力和密度、增大钻杆转速、采用岩屑床破坏工具、控制机械钻速、加强短程起下钻。

［1］吴钊，陈向军，张正禄.水平井关键技术探讨及对策［J］.江汉石油科技，2002，12（4）：41－43.

［2］汪志明，郭晓乐，张松杰，等.南海流花超大位移井井眼净化技术［J］.石油钻采工艺，2006，28（1）：4－8.

［3］王文广，翟应虎，黄彦，等.冀东油田大斜度井及水平井岩屑床厚度分析［J］.石油钻采工艺，2007，29（5）：5－7.

［4］石晓兵.大位移井中利用钻柱旋转作用清除岩屑床的机理研究［J］.天然气工业，2000，20（2）：51－53.

［5］魏文忠，刘永旺，管志川，等.一种用于大斜度大位移井岩屑床清洁的新装置［J］.石油天然气学报，2006，28（5）：138－140.