（油气井工程专业论文）水平井井眼净化技术研究.pdf

a b s t r a c t t h eh o r i z o n t a lw e l lt e c h n i q u ei so n eo ft h ef a t a lt e c h n i q u e si no i la n d g a se x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n tn o w a d a y s ，w h i c hh a sa na d v a n t a g eo f ”l e a s tw e l l sa n dh i g ho i l & g a sp r o d u c t i o n ”d u et oi t ss p e c i a ld r i l l i n g t e c h n i c s ，s o t h a ti ti s b i g g i s hd i f f e r e n t f r o mv e r t i c a lw e l li t tb o r e h o ! , e c l e a n i n g i np r e s e n tp a p e r ，t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so fb o r e h o l ec l e a n i n g w e r es u m m a r i z e da n d c l a s s i f i e d ，a n dm e c h a n i s m o fr o c k c u t t i n g s t r a n s p o r tw a ga n a l y z e ds y n t h e t i c a l l yb a s eo np r e v i o u sw o r k s ；f u r t h e r m o r e ， l a b e x p e r i m e n t s a n df i e l d o p e r a t e w e r ec o n d u c t e dt o s t u d yc u t t i n g s m o t i o na n db o r e h o l ec l e a n i n gt e c h n i q u e ，i na d d i t i o n ，an i p p l e - j o i n tw a s d e s i g n e dt od e s t r o yc u t t i n g s b e d ，a s s u r e sb o r e h o l ec l e a n i n g t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so fb o r e h o l ec l e a n i n gh a v eg r e a tv a r i e t i e s ， i n v o l v i n gm u c hk n o w l e d g e ，m a n yf i e l d s i n t h e p a p e r , t h ei n f l u e n t i a l f a c t o r sw e r ec l a s s i f i e dt h r e e s o r t s ：g e o l o g i cp r o p e r t y , p h y s i c a l a r i d c h e m i c a lp r o p e r t ya n de n g i n e e r i n gp r o p e r t yu n d e r l i em i c r o s c o p i cr o c k p r o p e r t ya n dm a c r o s c o p i cd r i l l i n gt e c h n i c s ， o nt h eb o r e h o l e c l e a n i n g m e c h a n i s mb a n d ，c u t t i n g s g e n e r a t i o n ， d e p o s i t a n d t r a n s p o r t w e r ed e s c r i b e df r o mb o r e h o l e s t a b i l i t y a n d m e c h a n i s mo fd r i l l i n gf l u i dc a r r y i n gc u t t i n g s ，am e t h o dw i t hc o m b i n i n g b o r e h o l e s t a b i l i t y r e s t r i c t i o na n d d r i l l i n g f l u i d c a r r y i n gc u t t i n g s w a s p r o p o s e d o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t sa n df i e l d o p e r a t i o n ，ad r i l l i n g f l u i d s e h e m ew a sp r o v i d e dt os e t t l eb o r e h o l ec l e a n i n g ，a n dan i p p l e - j o i mw a s p r o p o s e d i tc a nd i s t u r bc u t t i n g s ，r e d u c ec u t t i n g sa n dd e s t r o yc u t t i n g s b e d ， c l e a nb o r e h o l ef r o md r i l l i n gt e c h n i c s k e y w o r d s ：h o r i z o n t a lw e b ，h o r e h o l es t a b i l i t y , i n b u e n t i a lf a c t o r s b o r e h o l ec l e a n i n g ，d i s t u r b a n c ec u t t i n g sn i p p l e - j o i n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丛3 监一茎 1 寺吐一 。弓年j 5窍1日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有 权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：煎玉坐兰刀。饵 箩月 日一 靳签名： 虱逊 h 年厂月a 日一 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 第1 章前言 1 1 水平井井眼净化技术研究的意义及现状 水平井钻井技术具有产量高、成本低( 有时甚至接近于直井的成 本) 的优点，同时也解决某些特殊油藏采收率低的问题。这极大地促 进了此项技术的应用和发展。另外随着现有油气资源的开发殆尽，我 国的油气勘探开发正逐渐向低渗、超薄、海洋、稠油和超稠浊等特殊 油藏和复杂地层进行。这为水平井钻井技术的发展和应用提供了有利 的空间。 水平井井眼由直井段、倾斜段和水平段三部组成。在倾斜段和水 平段，岩屑在环空中受重力作用，下落的方向垂直于水平面，又由于 岩屑距离井眼底边的距离很短( 可以视为0 井眼直径) ，岩屑在环空 中的下滑速度的径向分速度会随着井斜角的增大而增大( 直井段可看 成井斜角0 6 ，水平段可看成并斜角9 0 。) ，岩屑滑向井眼底边的倾 向就会增大，如果不及时携岩，逐渐堆积起来就形成所谓“岩屑床”。 岩屑床的形成带来水平井眼净化不充分的问题，并由此产生钻头和钻 柱过早磨损，摩阻高、卡钻、钻速低、套管下入困难、固井质量难以 保证，并进而影响后期开采效果等一系列问题。目前由于并眼净化不 充分引起钻井事故和整口井的损失，在国内外很多水平井钻井过程中 时有发生。 确保井眼环空清洁是贯穿整个水平井钻井过程的关键问题。由于 水平井井眼净化问题比普通的直并严重且复杂，其受到的影响因素较 多，直接关系到水平井钻井的成败，因此水平井的井眼净化问题的理 论分析和实验研究具有十分重要的意义，也是目煎水平井钻井技术面 临的主要难题之一。 对于水平井井眼净化问题，国内外相关的文献报道较多，其研究 主要归结为两个方面：一是理论模型分析】，二是模拟回路实验研究 9 - 2 0 j 。研究工作主要集中在水平井井眼内岩屑颗粒的运动力学性质、 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 钻井液理化性质、水平井钻井参数等几个方面。但是到目前为止，仍 没有切实可行且较成熟的理论和技术，各研究都是针对特定的地层， 特定的工艺进行的。 1 2 本文的主要研究工作 水平井眼净化问题较为复杂，涉及到多个领域的问题，其影响因 素也较多。因此，本文在前人研究的基础上，综合考虑整个钻井过程 中井眼净化与井壁岩石稳定性质、钻井参数特性、钻井工具特性、钻 井液性质等因素的关系，对水平井井眼净化问题进行理论研究和分 析，优选合适的井眼净化方法，提出行之有效的水平井井眼净化方案， 设计了扰砂短节，并进行了现场验证。 2 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外水平井技术研究现状 第2 章国内外水平井技术研究现状 近几年来，世界油井作业面临着在降低成本的同时如何生产更多 油气的挑战，水平井技术的出现为达到这些目的提供了一种手段，它 使一些其他方法开采很不经济的油田可以进一步开发。目前各油田的 水平井钻井数不断增加，其应用已经带来了巨大的经济效益。 水平井钻井技术实际上是定向井技术发展的重大改进，并随着定 向钻井技术的发展而逐渐成熟。传统的水平井概念是从钻井工程角度 来定义的，即井斜角等于或接近于9 0 。后，井眼轨迹继续延伸一定长 度( 大于浊层厚度的六倍) 的定向井。但随着人们对油藏工程的不断 认识以及水平井在油气田勘探开发领域上应用的深入，水平井的概念 又提出了新的含义，即是为了获得油气藏三维几何形态的最大优点， 使油气呈平面流动状态的水平井眼或近似水平井眼。在某种意义上 说，水平井是平行于油层层理面钻进的，如果油层层理面是垂向的， 那么常规直井将平行于油层层理面钻井，从理论上讲，这种井也应是 水平井”。 2 1 水平井钻井技术的发展概况 1 9 5 4 年，前苏联石油行业钻成了第一口9 06 的分支水平井。随 后，前苏联开始采用井下动力钻井方式钻曲率半径较大的水平井和水 平分支井，最大垂直井深小于1 0 0 0 m ，水平延伸段较短。真正具有实 际意义的水平井诞生于2 0 世纪6 0 年代，当时水平钻井作为一种提高 产量的方法曾经在前苏联、美国、加拿大、意大利等国的许多油田受 到重视。 6 0 年代末期至7 0 年代末期这十年间，水平井钻井技术发展迟缓。 这主要是受到经济和技术两方面的限制，通常被认为是不经济的和有 风险的。从8 0 年代开始，随着定向井钻井技术、现场测试技术和开 发技术的发展，世界各石油公司为了提高勘探、开发综合效益，水平 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外水平井技术研究现状 井钻井规模呈现迅速发展趋势，至1 9 9 5 年己钻水平井1 2 8 5 2 口，在 生产中取得了重大经济效益，水平井技术成为2 0 世纪油气资源勘探 丌发的重大技术之一。 国内水平井钻井技术也是从2 0 世纪6 0 年代起步，1 9 6 5 年和1 9 6 6 年我国在四1 i 油田分别钻成两口水平井即磨3 井、巴一2 4 井，之后水 平井钻井技术也一直停滞不前。从2 0 世纪9 0 年代开始，国内各研究 及时追踪国外先进技术，解决我国日益发展勘探和开发的要求，至 1 9 9 8 年共在1 4 个油田钻成1 6 5 口水平井取得了减少油田勘探开 发费用，缩短油田建设时间的成果。这些效果的取得主要得益于两方 面的原因：一方面是由于多种类型油气藏钻水平并开发试验取得显著 成效；另一方面是发展了现代水平井的钻井、测控和开采技术，提高 了成功率，降低了成本。 水平井钻井技术的发展进入9 0 年代以后，随着水平井规模的扩 大、实践经验的积累和各项配套技术和工艺的成熟，水平井钻井技术 也有突飞猛进的发展，突出表现在以下几方面：( 1 ) 地质导向钻井技术； ( 2 ) 径向水平井钻并技术；( 3 ) 分支井钻井技术；( 4 ) 闭环钻井技术；( 5 ) 先进的钻井工具应用技术等。 2 2 水平井的分类1 】 水平井的分类是根据从垂直并段向水平井段转弯半径( 曲率半 径) 的大小进行，基本上有四种类型，它们是长曲率半径水平井( 曲 率半径3 0 0 6 0 0 m ) ，中曲率半径水平井( 曲率半径 6 h = 6h 时( 所钻地层基本上没受构造运动的影响) 。 坍塌压力随着井斜角的增大而增加，而地层破裂压力则随井斜角 增大而下降。这表明随着井斜角增大，保持井壁稳定所需的井筒内的 液柱压力的范围在缩小，井壁越容易发生井塌。地层坍塌压力和破裂 压力与井筒的方位角无关。 当6v 6h “时( 处在正断层附近的地层) 。 沿最大水平应力方向钻进，坍塌压力随着井斜角的增大而增加， 而地层破裂压力随井斜角增大而下降。井壁容易发生井塌。而沿最小 水平应力方向钻进，随井斜角增大，坍塌压力增加，破裂压力增加： 但当井斜角大于5 0 。，地层破裂压力反而下降。 当各种条件均相同时，坍塌压力比时的值高，而则比时 的值低。这说明随着地应力不均匀程度的增加，井壁越不稳定；随井 筒方位角的增大，坍塌压力值比时的降低，破裂压力比时的 增高，故在正断层附近钻水平井，应向最小地应力方向钻进，井壁更 容易稳定。 当6h 6v 6h 时( 处在平推断层附近的地层) 。 坍塌压力随着井斜角的增大而减小，地层破裂压力则随井斜角增 大而增加，这意味着随井斜角增大，保持井壁稳定所需的井筒内的液 柱压力的范围在增大，井塌不很严重。 在平推断层附近钻水平并，随井眼方位角增大，坍塌压力增大， 破裂压力亦增大，但方位角大于5 0 。后，破裂压力稍有下降，但仍高 于向最大水平应力方向钻进时的破裂压力值。 由上可知，在平推断层附近钻水平井，沿最大水平地应力方向钻 进，井眼不易坍塌，但易被压裂；沿最小水平地应力方向钻进，井眼 易坍塌，但不易被压裂。 当6h 6h 6v 时( 处在逆断层附近的地层) 。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水平井井眼净化的机理研究 如井眼沿最大水平应力方向钻进，随井斜角增大，坍塌压力下降， 破裂压力增加，当在井斜角大于4 0 。则地层破裂压力大幅度下降；如 沿最小水平应力方向钻进。随井斜角增大，坍塌压力稍增，但破裂压 力大幅度下降，保持井壁稳定所需的井筒内的液柱压力的范围急剧缩 小，钻井过程中极易发生井塌。因此，当在逆断层附近钻水平井，井 斜角增大，井壁更稳定，但是向靠近最小水平应力方向钻进，大斜度 井段易漏失，应向最大地应力方向钻进，这正好与在正断层附近钻水 平井稳定井壁规律相反。 井斜角对存在弱面地层的坍塌压力的影响。 a a d n o y 的模拟实验结果表明，存在弱面的地层岩石的屈服强度为 层面方向的函数，弱面使岩石抗剪强度几乎降低两倍。钻水平井时， 如向最大水平应力方向倾斜，则弱面起作用，对坍塌压力影响最大的 井斜角为1 0 - 4 0 。，此时岩石易沿层面发生破坏，井眼容易发生坍塌， 但沿最小水平应力方向倾斜，地层趋于稳定。 ( 2 ) 井斜角和方位角对并璧不稳定物理化学因素的影响 钻井过程中，在钻井液与地层孔隙压力之间的压差、化学势差、 地层毛细管力等力的驱动下，钻井液滤液进入地层，引起地层中的粘 土矿物发生水化膨胀，形成水化应力，改变了井眼周围地层的孔隙压 力与应力分布，引起岩石强度的降低，导致地层坍塌压力的增高，加 剧了地层的坍塌趋势；此外，由于地层中所含的各种粘土矿物的水亿 膨胀特性不同，蒙皂石 伊蒙间层，伊利石 高岭石 绿泥石，因而当钻 井液滤液进入地层后，地层中所含的各种粘土矿物颗粒所产生的水化 应力不同，如钻井液滤液的抑制性能较差，则颗粒之间所形成的应力 差值就有可能大子颗粒之间的联结力，使岩石产生裂纹，造成更多的 钻井液滤液进入地层，引起井塌。钻水平并时，随着井斜角的增加， 井眼倾斜通过坍塌地层，因而易塌地层裸露在钻井液中的面积增大， 浸泡时间增长，由流阻引起的附加压差变大，使侵入坍塌层的钻井液 滤液数量增加，为此而引起对坍塌地层的物理化学作用与直井相比大 大加剧，从而造成井壁不稳定的可能性增加。 3 3 2 水平并段环空携岩机理9 u 2 - 1 5 】 2 0 】 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章水平井井眼净化的机理研究 1 岩届颗粒的运动形式 ( 1 ) 岩屑颗粒的受力分析 大斜度井段和水平井段钻进时，由于钻具长时间平躺于下井壁， 增加井眼钻屑清洗的困难，易于形成不稳定的岩屑床。当液流经过由 松散固体颗粒组成的床层时，床层表面固体颗粒将承受拖曳力和上举 力。对于研磨很细的岩屑颗粒，抗拒液流作用力的，除了颗粒的重力 以外，还有相邻颗粒间的粘结力。当大量颗粒以推移形式运动时，由 于推移质问存在着颗粒间离散力，这一部分离散力最终以压力的形式 作用于床层颗粒上，有助于床层颗粒的稳定。图3 7 为床面松散颗粒 的受力分析。 图3 7 床面松散岩屑颗粒的受力分析 拖曳力和上举力 当液流经过床层表面时，由于颗粒表面粗糙不平，液流与颗粒表 面相接触后将因摩擦而产生摩擦力f 1 ，因为只有一部分颗粒表面与液 流相接触，摩擦力f 1 并不通过颗粒重心，方向与液流方向相同。在 颗粒雷诺数r e c 3 5 时， 颗粒顶端的液线会发生分离，在颗粒背水面产生漩涡，因而在颗粒前 后产生压差力，造成形状阻力f 2 。若颗粒为球形，则f 2 将穿过颗粒 重心。拖曳力f d 为f 1 和f 2 的合力。 当液体运动时，岩屑颗粒顶部与底部的流速不同，前者为液流的 运动速度，后者则为颗粒间渗透流体的运动速度，比液流速度要小得 多。根据伯努利定理，颗粒上下将产生压力差，此压差便产生了上举 力f l 方向向上。若颗粒为球形，则f l 通过颗粒重心。 3 0 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水平井井眼净化的机理研究 拖曳力和上举力的一般表达式为 f d ：c d 嘎嵝 ( 3 2 7 ) f ? = c ，a 。盟 “。 。 2 ( 3 - 2 8 ) 式中c d ，c r 分别为阻力系数和上举力系数； pl 一流体密度； a s 一固相颗粒平均投影面积； uo 作用于床面颗粒上的流速。 粒间离散力 当岩届颗粒离开床面而以推移的形式运动后，一方面因与流得更 快的液流相接触，拖曳力大幅度增加，而另一方面由于颗粒上下的压 力急剧减小，上举力很快消失。实验中发现：当球形颗粒离开床面大 约3 倍圆球直径时，上举力已不复存在。但在环空中流动的绝不止一 颗岩屑，当大量岩屑同时存在且液流和颗粒间存在相对运动时，粒间 的绕流流态将使颗粒间相互产生影响。其表现形式之一是颗粒将承受 一个与液流方向相垂直的力，此力便是粒间离散力。颗粒靠得越近时， 离散力越大。 当大量推移质运动时，粒间离散力的产生还可以通过另一种机 理：这些推移质有的刚开始运动不久，速度还很小，有的则已经从液 流中取得了较大的动能，以较快的速度运动。这样，它们在运动中便 不可避免在会相互碰撞。随着推移运动强度的增大，碰撞的机会也不 断增多。颗粒在碰撞过程中发生动量交换，从而产生一定的力。其中 液流方向的颗粒动量交换会产生颗粒剪切力t ，与液流垂直方向的颗 粒动量交换就产生粒间离散力p 。 ( 2 ) 岩屑颗粒的不同运动形式 岩屑颗粒依其运动形式不同可分为接触质、跃移质、悬移质和层 移质4 部分。接触质、跃移质和层移质又统称为推移质。图3 - 8 为岩 屑颗粒的不同运动形式。 推移质：推移质运动是种剪切运动，包括各层颗粒间的剪 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水平井井跟净化的机理研宄 切运动以及颗粒周围的液体的剪切运动。为了维护剪切运动，沿运动 方向必须有一推进的力。对 于环空二相流动，此力来自 压力。岩屑颗粒比钻井液重， 其自然趋势将下沉。因此， 颗粒若保持运动，必将有一 向上的力支持它的重量。这 个力来自剪切过程。支持岩 屑颗粒的力从床层上以两种 机理传到分散在液体中的颗 粒上。对于推移质，此力来 自颗粒与颗粒间相互碰撞后! 产生的动量交换，也即颗粒 间离散力。对于悬移质，此 力来自漩涡运动所产生的垂 图3 - 8 岩屑颗粒的不同运动形式 直方向的动量交换。推移质运动的剪切力由两部分组成：一部分为颗 粒碰撞后通过液流运动方向的动量交换产生的颗粒剪切力，另一部分 为颗粒周围液体发生变形后产生的液体剪切力，后者产生紊动，前者 不产生紊动。随推移质运动强度增大，前者增大，后者下降，即紊流 越来越弱。 悬移质：随着环空流速的进一步加强，液流中充满大小不同 的漩涡。这时岩屑颗粒在床层跃起的过程中，有可能遇到向上的漩涡， 并被带入离床面更高的流区中。一般来讲，不但漩涡的向上分速必须 超过颗粒的沉速，而且漩涡的尺寸也一定比岩屑大，才能带走岩屑颗 粒。若二者大小相仿，则岩屑很易掉在漩涡之外，漩涡对之失去作用。 若漩涡较颗粒大得很多，则漩涡可以较长时间地对颗粒发生作用。等 到颗粒掉在漩涡以外时，岩屑已进入主流区。由此可见，岩屑的传送 是靠大尺寸紊动的作用。 ( 3 ) 岩屑颗粒的起动 考察位于群体岩屑中的某一岩屑a 的临界起动条件( 图3 9 ) ，若 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水平井井眼净化的机理研究 岩屑采取滚动的形式运动，则f d 、f l 将构成阻力矩。若岩屑a 以0 点为转动中心，则表达颗粒起动临界条件的动力平衡方程式为 即c d - a s 竽峨c c 鸣旦夕瑙垤g 慨嘞) ( 3 2 9 ) 式中v s 一颗粒体积。 由于岩屑颗粒尺寸、形状及颗粒处于群体中的位置都是随机变 量，因此岩屑的起动具有随机性。当着眼于一颗特定岩屑的起动时， 由于流速具有脉动，因此单个颗粒的起动具有随机性；当着眼于特定 床层多颗粒起动时，则除流速脉动外，还受颗粒形状及位置变化影响， 起动也具随机性。 墅一 且o i ，l h l 岬。 图3 - 9 床面岩屑颗粒的启动条件 ( 4 ) 沙波运动 凡是推移质运动达到一定规模的场所，床层表面便形成起伏的沙 波，沙波运动是推移质运动的一种主要形态。 沙波表面附近的流态和沙波的纵剖面形状是紧密相关的。实验表 明：沙波表面附近的液流速度不是均匀的，波谷处最小，波峰处最大。 沙波的迎流面属于冲刷区，背流波面属于淤积区，二者相互作用形成 整个沙波向下有些“爬行”的趋势。若液流是稳定的，则一系列的沙 波将沿流向以缓慢的速度向前运动，且沙波的尺度基本保持不变。每 一岩屑运动的速度略小于接近床面液流的速度，速度较快。但岩屑运 动后，要被埋藏很长一段时间才能重新开始运动。因此组成沙波的全 部岩屑的平均运行速度，也即沙波的运行速度是很慢舶。 沙波这两种具有周期性的、规则外形的床层形态，有其产生、发 展和消失的规律。由于岩屑床层组成不均匀，加上液流的脉动，即使 原来比较平整的床层，也可能产生小的凹凸不平，这种不平经产生， 3 3 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水平井井眼净化的机理研究 就会影响液流，使接近床层的液流流速产生变化。在床层凸起处流速 增大，在凸起部分的下游，产生平轴环流，环流以下将出现较稳定的 加速区。这种流速分布状态要求岩屑床层变成与之相适应的形式一沙 波的形式。至于沙波发展过程中的规律性及其在高强度液流作用下沙 波的消失，是由流速脉动造成的液流作用力脉动与颗粒抗拒运动能力 的对比关系决定的。流速愈大，液流作用力愈大，岩屑起动后运动的 距离愈长，沙波的波长也愈大。超过一定限度后，沙波即归于消失。 2 水平井环空中的典型流型 宏观上讲，在任一给定的岩屑浓度下，当由高到低逐渐降低混合 物速度时，可以观察到四种不同的流动物理模型： ( 1 、均称悬浮 对固液系统而言，在最高的流速下，细的和中等的岩屑颗粒完全 悬浮。它们虽然在环空中心轴周围的分布不定是均匀的，但却是均 称的。在适当的返速下，若钻井液紊流且岩屑沉速低，就能达到一个 均称的浓度分布型。在某些情况下，浓度分布型接近于速度分布型。 这是一个均称的悬浮的流动模型。如图3 一1 0 ( a ) 削i l 鞴 绀垂均聃 “，衲库t 靖 番曩主瘩悯 图3 j 0 固液二相流在水平环空中的流态图 ，4 移 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水平井井眼净化的机理研究 ( 2 ) 非均称悬浮 当钻井液流速、紊动强度和岩屑升力降低时，由于力的减弱使岩 屑能够悬浮和沉降。因而浓度分布变形，特别是环空下半部更具有较 多的大尺寸岩屑。结果使在底部的岩屑与管壁发生冲击并弹回于水流 中，这是非均称悬浮流型。如图3 1 0 ( b ) 。 ( 3 ) 带有移动床的流动模型 在某速度下，全部岩屑冲击管壁，有的岩屑反弹于液流中，有 的岩屑堆积于管底，先是呈个别的沙丘形式，然后形成连续的移动床。 沙丘或床层顶部岩屑移动比下部的更迅速，由于液体的切应力作用使 岩屑旋转和跌落。对于形状相近的岩屑基本上全部在沙波中或移动床 中，此时上部液体中岩屑颗粒很少。对于存在粒径分选的岩屑系统， 其具有广泛的沉速范围。床层是由沉速最快的岩屑所组成，具有中等 沉速的岩屑处于非均称悬浮中，这就是带有移动床的流动模型，如图 3 1 0 ( c ) 。 ( 4 ) 开始出现颗粒沉积和不动的底床 当混合物流速进一步降低时床层最底部的颗粒几乎停止运动， 使床层增厚，由于最上层岩屑相互翻滚的原因使床层发生运动，形成 淤积，其结果使液流有效断面减小。较小的岩屑在床层上仍处于非均 称悬浮模型。最后当连续降低流速并且形成床层时，流动的压降急剧 增加，即阻力增大，若流动进步减弱，可能会导致堵塞。如图3 1 0 ( d ) 。 3 4 评价井眼净化效果的方法 在井眼净化上，水平井不同于直井，评价水平井净化能力的方法 根据具体条件和需要可采用不同方法，下面介绍几种国内外常采用的 方法： 3 4 1 测定返出钻井液中的钻屑浓度 钻井过程中，单位时间内从环空中返出的钻井液中所含的岩屑浓 度愈大，则表示携带出的岩屑愈多，留在环空内的岩屑愈少，说明井 眼净化好。有些学者采用清洁率来表示，清洁率指每分返出的钻屑量。 石油大学( 华东) 硕上论文第3 章水平井井眼净化的机理研究 3 4 2 环空中岩屑浓度 环空中岩屑浓度愈大，说明未带出而留在环空中岩屑愈多，表示 井眼净化差。 3 4 3 观测岩屑床形成的临界流速或称为最低流速 采用此方法基于两个原因，其一是岩屑床的形成是水平井净化问 题的核心，直接影响水平井的成败；其二是环空返速是水平井净化的 关键影响因素。因而把两者结合起来作为净化程度的评价方法和指标 较为合适，通过它可以获得各种因素对净化效果影响的数据。 3 4 4 观测加重钻井液垂沉系数 加重钻井液重心位移表征上下密度差程度，此值愈大，说明垂沉 愈严重，重心位移随时间而发生变化。垂沉系数是加重钻井液重心位 移对时间的积分值，当不发生垂沉时，此值为零。 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章水平井井眼净化实验研究和_ _ i 二艺措施 第4 章水平井井眼；争化实验研究和工艺措施 4 1 水平井眼钻井液携岩规律的实验研究 4 11 实验方法 采用透明的环空试验管段作为模拟井段，实验流体出口端用倾斜 装置调节井斜角的大小，供液装置向模拟井段泵入实验流体，供砂装 置提供岩屑，经过循环，排出的混砂流体经固液分离，液体继续加入 循环，固体回收。实验流程见图4 - 1 。该方法具有如下特点：井斜 角在0 9 0 。范围内连续变化携岩模拟；调节加砂速度，实现了对 钻进速度的模拟。利用固体流量计等精密测试仪器实现了数据采集 和数据处理的自动化。 图4 - 1钻井液携屑模拟实验流程 4 1 2 实验参数确定 实验涉及的参数有：环空钻井液返速、钻具转速、钻具偏心度、 流体密度、钻井液流变性、岩屑注入速度、岩屑尺寸、环空压耗、环 空岩屑床厚度及岩屑床面积等。其中流量由涡轮流量计测定。钻具转 速由光电转速仪测得。钻具偏心度由偏心盘上的刻度尺直接读出。钻 井液流变性由六速旋转粘度计测量。表4 1 给出了实验用流体的流变 性。采用超声波固相浓度检测仪( 专利产品) 来测量环空内当量岩屑 床厚度( 即环空内全部岩屑堆积于管底时所相当的岩屑床厚度) 。一 旦测量出岩屑床厚度以后，根据几何关系可以计算出岩屑床面积。采 3 7 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章水平并井眼净化实验研究和工艺措施 用微差压变送器测量环空压力损失。 表4 - 1 实验用流体流变性一览 、迪井液编号 n o 1n o 2n o 3n o 4n o 5 n o 6n o 7n o 8n o 9 流变参薮 中6 0 021 61 9 52 2 82 453 33 64 94 9 中3 0 0l 1 0 1 2 51 4 81 7 52 32 53 33 3 中m081 01 1 51 41 92 02 72 8 中l o o006 5781 31 31 81 8 5 m b0o0 o34 3 o 3o0oo23244 初始凝胶 0o0033 5333 5 1 0 m i h 凝胶o ooo 51 21 22 02 3 表观粘度，m p a s1 8 9 7 51 i 41 2 2 51 6 51 82 4 52 4 5 塑性粘度，m p a s 167871 01 11 6 1 6 3 4 6 屈服值，p ao 2 0 42 8 0 5 _ 5 3 5 56 6 37 1 48 6 78 6 7 8 动塑比o0 6 6 70 7 8 60 8 51 51 _ 31 2 71 0 61 0 6 流性指数10 6 7 80 6 4 0 6 2 0 4 8 5o5 2 10 5 2 60 5 70 5 7 稠度系数，m p a s ”o o l0 7 5 41 1 81 5 74 3 6 94 6 0 84 8 54 8 64 8 6 聚质：烯酰胺溶液 加重 备注清水 膨润土+ c m c 钻井液钻井 3 锰6 6 姑 液 由于环空携岩这一工程问题的复杂性，因而影响环空岩屑运移的 因素很多，单独考虑这些因素并考虑它们之间的交互作用，工作量是 十分巨大的。本实验考虑环空返速由低到高取5 个水平，钻具转速取 4 个水平，偏心取3 个水平，不同流体8 种，加重钻井液一种，钻进 遽度3 个水平，岩屑粒径2 个水平。上述因素全部考虑需进行2 8 8 0 组实验，如果再考虑到部分重复实验，其数字不堪设想。而采用正交 设计，只进行了2 6 4 组实验，但得到了满意的结果。 实验设计时，采用了两种正交表：l 。( 27 ) 及l 3 。( 2 “) 。 3 9 石油大学( 华东) 颂十论文第4 章水平井井眼净化实验研究和工艺措施 4 1 3 实验结果分析 本实验模拟水平井段环空岩屑运移。实验中涉及的参数较多：包 括环空钻井液返速：0 6 5 ，0 8 7 ，1 1 ，1 ，2 5 ，1 5 m s ；内管旋转速 度：0 ，6 0 ，1 0 0 ，1 5 0 r r a i n ；钻具偏心度：0 ，0 5 ，0 7 5 ；携岩用 流体：水、聚丙烯酸胺溶液三种、膨润土聚合物钴井液及加重钻井液， 共9 种；钻井液密度：l 1 1 5 k g c m 3 ；岩屑尺寸：3 4 ，j 6 5 r u m ； 岩屑供给速度：6 ，1 2 ，1 8 k g m i l 3 ，一共进行2 6 4 组实验。根据实验 结果绘出了环空岩屑床无因次当量厚度及无因次岩屑床丽积与这些 参数问的关系曲线，从中也得出了水平井段岩屑运移规律。 ( 1 ) 环空钻井液流速和流态对携岩效果的影响。 环空钻井液流速对岩眉床尺寸的影响是很显著的。图42 、图43 分 别为在同心及偏心情况下，清水、聚丙烯酸胺溶液及膨润土钻井液对 岩屑床面积的影响。从图中可以看出：随着环空返速的增加，岩屑床 面积呈抛物线型下降，且下降幅度较大。在返速较低时，岩屑床尺寸 随返速增加而下降幅度较大，随返速的进一步增大，岩屑床尺寸下降 幅度减缓，这表明钻井液流态对携岩影响较大。实验中还发现，在同 等条件下，同心时岩屑床尺寸远小于偏心时岩屑床尺寸，且同心时在 环空返速在到1 3 m s 左右时，已达到环空不淤积临界流速j 状态；而 偏心时环空返速在1 8 m s 左右时才能达到这种临界状态。 0 60 7080 9l111 2l - 3 环空流速m s 。1 图4 2 环空流速对岩屑床面积的影响( 同心) 印 帅 m 0 。v鞋目送嗵秘蛞目隈 石油大学c 华东) 硕士论文第4 章水平井升眼净化实验研究和工艺措施 5 0 窖4 0 鬯 巷3 。 霉 羹2 0 勇 瓜1 0 0f 是i ll2 l4i6 可窝流谜m s o 图4 - 3 环空流速对岩届床面积的影响( 偏心) ( 2 ) 钻具旋转对携岩效果的影响。 基 篓6 0 峰 非 錾4 0 限 3 06 09 01 2 01 5 0 转鹰rm ir l i 图4 - 4 钻具转速对岩屑床厚度的影响 图4 - 4 为偏心情况下环空返速为0 6 5 mis 时，3 种不同性能的流 体岩屑床尺寸随转速发生变化的情形。图中表明：偏心时钻具旋转可 以大大降低环空岩届床尺寸。流体性能不同，岩屑床尺寸下降的幅度 也不祥。从图中还可以看出，当转速从0 上升到6 0 r i m j n 时，岩 屑床尺寸有一较大幅度的下降当转速从6 0 r m i n 上升到l o o t m i n 时及从l o o t r a i n 上丹到i 5 0 rim i n 时，岩屑床尺寸下降的幅度已经 很小。 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章水平井井疆净化实验研究和工艺措施 6 0 一 嚣 i 星4 0 嚣 埋 押 薹2 0 蔽 。芒= 2 二兰二兰当 一-、。一一一一_一。一0 、 3 06 09 01 2 01 5 0 转速rm i n “ 图4 - 5 钻具转速对岩屑床面积的影响 图4 5 为清水在偏心情况下各种实验返速时环空岩屑床面积随转 速发生变化的关系。从图中可以看出：随着环空返速的逐渐升高，旋 转对于携岩的影响渐次减弱。在接近不淤积流速下，旋转钻具对岩屑 运移的影响可以忽赂。 实验还发现：当钻井液粘度较高时，转速增大对岩屑床面积的影 响很显著。 ( 3 ) 钻具偏心度对于携岩效果的影响。 在直井中，钻具的不居中对携岩也有影响，但是由于直井中不存 在岩屑沉积于环空管壁某一侧的问题，岩屑沿整个环空分布比较对 称。因此在直井中钻杆偏心度对于携岩的影响是可以忽略的。而在水 平井钻井中，由于钻具自身的重力作用，钻具易平躺于井壁的下侧， 造成钻具不居中，流动不对称，使环空流速分布发生重大变化。因此 钻具的偏心给水平并环空携岩造成了很不利的影响。 图4 - 6 为钻具偏心度对携岩影响的关系衄线。图中表明：随钻具 偏心度的增加，岩屑床厚度呈递增趋势。 4 蓼万。 蕙一 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章水平井井眼净化实验研究和工艺措施 弘鬯兰= 刊 釜6 0l 转速：oj 矗j 一二一荪如一。_ _ _ 一 一 4 吖 一+ n o , ：1 j ：。1 。! ：! i 图4 - 6 钻具偏心度对岩屑床厚度的影响 ( 4 ) 钻井液流变性对携岩效果的影响。 钻井液流变性涉及的参数很多，这里主要考虑动塑比及各种粘度 对携岩的影响。 图4 7 动塑比和钻具转速对岩屑床面积的影响 图4 7 为不同条件下动塑比对携岩效果的影响曲线。图中表明： 动塑比对携岩的影响在低速和钻具不转的情况下比较显著，随动塑比 升高，环空岩屑床尺寸呈递减规律；而在高速及钻具旋转的情况下， 动塑比对携岩影响较小。 图4 - 8 为膨润土钻井液在同心和偏心情况下，环空岩屑床面积随 塑性粘度发生变化的情况。图中表明：随塑性粘度增大，环空岩屑床 4 2 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章水平井井眼净化实验研究和工艺措施 尺寸呈现出递增趋势。图中的曲线都是二次抛物线，且都是上凸的， 存在极大值。可以推测：存在一种极限塑性粘度p v 。，当p v p v 。时，随p v 升高，环空 岩屑床尺寸降低。 8 0 u 墨6 0 喧 送 嚣4 0 基 翟2 0 0 81 21 6 塑性粘度p v m p a8 图4 - 8 钻井液塑性粘度对岩屑床面积的影响 钻井液有效粘度和表观粘度对岩屑运移的影响同塑性粘度类似。 因此可知，对于膨润土钻井液存在一种极限粘度，在低粘情况下，随 粘度升高携岩能力下降；在高粘情况下，随粘度升高携岩能力上升。 本实验由于钻井液种类限制未能从实验中证实这一推测。但据英国 h e r r i o t w a t t 大学的研究资料表明：实验中存在着这一极限粘度， 并且证实了上述推测的正确性。 ( 5 ) 钻井液密度对携岩效果的影响。 图4 9 为不同条件下钻井液密度对岩屑床尺寸的影响。图中表明 随着钻井液密度的增加，岩屑床尺寸呈递减趋势。 4 3 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章水平井井限净化实验研究和工艺措施 8 0 = 越6 0 鞋 长 蠢 茸 凄2 0 0 08l l2 泥浆密度( g c m 一3 ) 图4 - 9 钻井液密度对岩屑床厚度的影响 ( 6 ) 钻进速度( 即岩屑注人速度) 对携岩的影响。 图4 一l o 为膨润土钻井液在不同返速下岩屑注入速度对携岩影响 的关系曲线。从图中可以看出；随着钻进速度( 岩屑注入速度) 增大， 环空岩屑床尺寸增大。 8 0 娶z - 6 0 照 长 舞4 0 篑 蔡2 0 o 81 21 6 岩屑注入速度v p k g m i n l 图4 一1 0 岩屑注入速度和岩屑尺寸对岩屑床面积的影响 4 2 水平井眼净化工艺措施 应用水平井井眼净化工艺措施归根结底即是减少环空中岩屑的 量和返出环空中的岩屑。减少岩屑来源是通过调控钻井液性能保持井 壁的稳定性，防止井壁坍塌、剥落掉快；返出环空中的岩屑采取的措 石油大学 华东) 硕士论文第4 章水平并井眼净化实验研究和工艺措施 施有两种方法：一是调控钻井液性能，提高携岩能力，增加悬浮能力 等；二是强化固控和工艺破坏岩屑床。 4 2 1 钻井液性能的调控 钻井液的性能直接影响水平并锫并的成败，其影响取决于以下四 个方面的因素：井眼清洁、润滑防卡、井眼稳定及流变性。本文在室 内研究和现场应用的基础上，针对应用井的井眼净化等问题提出了钻 井液的应对措施和解决方案。 ( 1 ) 井眼清洁 保持水平井的井眼清洁，能够有效地降低摩阻和扭矩，减少砂卡 的几率，保证动力钻具能正常运转。如何在小排量、低返速的条件下， 及时有效地将岩屑携带出来，减少岩屑床的形成是保持井眼清洁的技 术关键。本文在通过对钻井液的流念选择、流变性的控制有效地解决 了井眼清洁问题。 平板型层流携岩，提高悬浮能力 在长水平井段、大井斜、长裸眼、小排量、低返速的条件下，循 环时，如何及时有效地将井底岩盾携带出来，停泵时如何悬浮住岩腾， 不至于形成岩屑床，是水平井能否顺利施工的关键。本文中应用井的 排量和环空返速数据见下表4 - 1 ： 表4 - 2 埕北2 1 - 平1 并排量和环空返速 最大排量最小排量最小返速 项目 最大返速( 耐s ) o s )( 1 s )( m s ) 中1 2 4 “井段 4 03 505 5 ( 04 3 、 0 6 3 ( 0 5 0 ) 中8 1 2 “井段 2 82 4 0 9 9 ( 07 5 )1 ，1 6 ( 0 8 8 ) 注：表格中括号内为井限扩大1 0 的环空返速。 通过对流变参数的控制，在定的条件下，采用平板层流携岩， 基本能够满足清洁井眼的要求。每次正常钻进或钻时加快时，都可以 观察到一个迟到时间，振动筛或除砂器上的岩屑明显增多。全井每次 起钻或短起下，循环时间基本上控制在一个循环周左右，起下钻比较 正常，未发现有沉砂迹象，起下钻遇阻时，上下活动几次就正常。全 井1 2 。4 ”和8 1 2 ”井段起下钻或短起下4 0 余次，划眼和倒划眼作 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章水平井井眼净化实验研究和工艺措施 业只有一次。 钻井液流变性和静切力的控制 大斜度水平井基本上是动力钻具配合顶驱钻进，钻进时由于钻压 小，转速高和扶正器对下井壁的德磨，使钻屑研磨的很细，钻井液悬 浮岩届比直井更容易。但是水平井并眼底边钻井滚的剪切速率低，容 易形成岩屑床。根据以往钻水平井的经验，提高低剪切速率下的流变 性和钻井液的松驰力，可以大大改善钻井液的携岩能力；保持一定的 静切力，可以避免接单根或测斜时钻井液静止和起下钻过程中，环空 岩屑的迅速下沉形成岩屑床。本文通过控制的静切力值，理论上计算， 静止时完全可以悬浮住5 r a m 以下岩屑，使之不沉降。 本文综合直井段、斜井段、水平并段环空水力学及携岩机理的研 究成果，对己钻的水平井和大斜度井的实钻资料进行了统计分析，给 出了3 个洗井区( 第一洗井区为0 。3 0 。，第二洗井区为3 0 。6 0 。， 第三洗井区为6 0 。9 0 。) 钻井液流变参数的合理范围和