大斜度井井眼清洁影响因素及对策研究

王建龙， 张长清, 郭云鹏， 王 涛, 于 琛， 郑 锋，刘 轩, 尚 薇

(1中石油集团渤海钻探工程技术研究院 2中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井服务分公司 3中国石油渤海钻探工程有限公司)

大斜度井当井斜角超过一定值之后，普遍存在井眼清洁困难的技术难题，导致摩阻和当量循环密度(ECD)异常升高，增加了施工难度和卡钻、漏失的风险，严重制约了安全高效钻井。国内外学者在这方面做过大量的工作，较多的从理论方面分析了岩屑运移规律，这些研究对指导现场施工起到很大的作用[1-6]。但是，对井眼清洁影响因素、井眼清洁状态判断方法等研究较少。因此，本文利用软件对井眼清洁因素进行了模拟分析，确定了影响规律。分析了井眼清洁程度与大钩载荷变化规律，提出了井眼清洁程度判断方法。在上述基础上提出了保证井眼清洁的方法，为大斜度井安全高效钻井提供了理论指导。

1 井眼清洁影响因素分析

目前，一般利用悬浮岩屑浓度和岩屑床厚度表征井眼清洁状况。影响井眼清洁的因素主要有井斜角、钻井液排量、转盘转速和钻井液动塑比等[7-10]。为了分析上述因素的影响规律，利用Landmark软件进行了模拟，分析了悬浮岩屑浓度和岩屑床厚度与各影响因素之间的定性关系。

1.1 井斜角影响分析

假定钻井液排量30 L/s、机械钻速5 m/h、转盘转速60 r/min和钻井液动塑比0.5，得出了悬浮岩屑浓度和岩屑床厚度与井斜角的关系，如图1所示。

图1 岩屑床厚度、悬浮岩屑浓度随井斜角变化规律

图1所示，井斜角≤50°时，岩屑床厚度和悬浮岩屑浓度几乎为0，即基本上没有岩屑床形成；当井斜角≥50°时，岩屑床厚度和悬浮岩屑浓度直线上升，说明该井段最易形成岩屑床；当井斜角≥70°时，岩屑床厚度和悬浮岩屑浓度增加趋势变缓。由此可以看出，井斜角50°～70°井段最容易形成岩屑床，是井眼清洁的重点井段。

1.2 转盘转速影响分析

假定井斜角65°、钻井液排量30 L/s、机械钻速5 m/h和钻井液动塑比0.5，得出了悬浮岩屑浓度和岩屑床厚度与转盘转速的关系，如图2所示。

图2 岩屑床厚度、悬浮岩屑浓度随转盘转速变化规律

图2所示，岩屑床厚度和悬浮岩屑浓度与转盘转速负相关，说明提高转盘转速有利于提高井眼清洁状况。从图2中还可以看出，滑动钻进过程中(转盘转速为0)最易形成岩屑床。

1.3 钻井液排量影响分析

假定井斜角65°、机械钻速5 m/h、转盘转速60 r/min和钻井液动塑比0.5，得出了悬浮岩屑浓度和岩屑床厚度与钻井液排量的关系，如图3所示。

图3 岩屑床厚度、悬浮岩屑浓度随排量变化规律

图3所示，岩屑床厚度和悬浮岩屑浓度与钻井液排量负相关，说明提高钻井液排量有利于提高井眼清洁状况。

1.4 机械钻速影响分析

假定井斜角65°、钻井液排量30 L/s、转盘转速60 r/min和钻井液动塑比0.5，得出了悬浮岩屑浓度和岩屑床厚度与机械钻速的关系，如图4所示。

图4 岩屑床厚度、悬浮岩屑浓度随机械钻速变化规律

图4所示，岩屑床厚度和悬浮岩屑浓度与机械钻速成正相关，说明机械钻速越高，井眼清洁难度越大。这主要是因为机械钻速越高，单位时间内产生的岩屑量越多，需要更大的钻井液排量、更高的转盘转速保证井眼清洁。

2 井眼清洁判断方法

岩屑床和悬浮岩屑的存在影响了井眼清洁程度，然而实钻过程中无法直接获取岩屑床和悬浮岩屑浓度的数据，进而影响井眼清洁程度的判断。但是，实钻数据表明，当井壁上形成大量的岩屑床后钻井液中悬浮岩屑浓度大幅增加后，钻进过程中的扭矩和起钻时的大钩载荷会异常变化，甚至出现蹩停转盘或顶驱、卡钻的现象[9]。因此，本文结合岩屑床厚度与大钩载荷的相互关系，提出了利用实钻过程中的大钩载荷变化判断井眼清洁程度的方法，该方法判断过程主要有3个步骤。

第一步，钻前预测大钩载荷曲线。根据钻井工程设计的井身结构、井眼轨迹、钻井液体系及性能、钻具结构等参数，利用钻井参数优化软件预测整口井钻井过程中的大钩载荷数据，包括复合钻进载荷、滑动钻进载荷和起钻载荷，并绘制成曲线。

第二步，实钻过程中绘制大钩载荷曲线。通过收集录井系统采集的大钩载荷数据，实时绘制实钻过程中的大钩载荷变化曲线。

第三步，对比分析。将钻前和实钻过程中的大钩载荷变化曲线绘制在同一坐标系统下，根据两条曲线的偏离程度判断井眼清洁状态。如图5某井所示，实钻钻进至3 800 m、4 100 m和4 300 m附近预测和实钻大钩载荷偏离程度急剧增大，说明井眼不清洁，随后及时采取了井眼清洁措施，保证了后续安全钻进。

图5 某井利用摩阻曲线判断井眼清洁情况

3 井眼清洁技术措施

3.1 常规技术措施

井眼轨迹控制过程中，尽量减少井斜角50～70°的斜井段，并尽量减少在该井段滑动钻进。转速在无特殊要求的前提下，尽量提高转速，利用高速旋转的钻具刮削岩屑床和扰动携岩提高井眼清洁效率。根据悬重变化情况，控制机械钻速，及时进行短起下钻配以划眼。为了方便现场优选合适的排量，绘制了保证Ø215.9 mm井眼清洁的最小循环排量，如图6所示。

图6 保证井眼清洁的最小循环排量

3.2 主动井眼清洁技术

在井斜角50°～70°井段，一旦形成岩屑床，岩屑堆积会越来越严重，清除难度越来越大，仅仅依靠钻井液冲刷、钻杆的刮削很难从根本上清除岩屑床。此时，就需要在钻具中加入岩屑床破坏器，利用特殊结构机械刮削和水力旋流的双重作用，提高井眼清洁效率[10]。岩屑床破坏器清除岩屑床的原理如下：首先，在转盘或顶驱的带动下，岩屑床破坏器高速旋转，利用具有特殊结构的螺旋棱刮削井壁，使井壁上的岩屑床从压实状态变为自由状态；然后高流速钻井液流经岩屑床破坏器的特殊结构槽道后产生涡流作用，将自由状态的岩屑向上推举并携带出井眼。由于单个岩屑床破坏器的能力有限，现场需要根据井眼轨迹、钻井液性能等参数，优化岩屑床破坏器的数量和安放位置。

4 结论

1)岩屑床厚度和悬浮岩屑浓度与井斜角、机械钻速正相关，与钻井液排量、转盘转速负相关，井斜角50°～70°井段最容易形成岩屑床。

2)当井眼形成岩屑床之后，随着岩屑床厚度和悬浮岩屑浓度增加，大钩载荷会出现阶梯式变化。因此，可以通过对比大钩载荷变化判断井眼清洁状况，当预测和实钻的大钩载荷的偏离程度增大时，就需要采取相应技术措施，破坏岩屑床，提高井眼清洁效率。

3)在未形成岩屑床之前，可以通过提高钻井液排量和转盘转速等方式提高井眼清洁效率；当形成岩屑床之后，就需要在钻具中下入岩屑床破坏器，采用机械刮削和水力旋流相结合的方式，保证井眼清洁。