（油气井工程专业论文）大斜度井井眼不清洁识别方法研究.pdf

双 i 、 r e s e a r c ho nt h ei d e n t i l f i c a t i o no fb o r e h o l eu n c l e a n n e s s o nh i g ha n g l ed e v i a t e dw e l l at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i uc h u n r e n s u p e r v i s o r ：h u a n gg e n l u c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) t 一 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：玺!l 垫 兰日期：矿年，月；一日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其它复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：幻丝兰 指导教师签名：颦l 髫l 卜 日期：矿l f 年夕月? 口日 日期：p 。，年，月3 0 日 1 摘要 随着石油勘探开发的需要，越来越多的大位移井、水平井等大斜度井应用于工程实 践，取得了良好的经济效益。但是在大斜度井钻井中很容易出现由于岩屑携带困难而影 响到钻井作业的情况，甚至造成井下复杂事故发生，开展大斜度井井眼不清洁识别方法 研究对于解决大斜度井岩屑床问题具有非常重要的工程意义。 论文对大斜度井中岩屑颗粒的运移规律从宏观和微观两个层面进行了分析，并根据 固液两相流理论建立了大斜度井三层岩屑运移分析模型，编制了相应的计算程序，得到 了环空返速、井斜角、钻井液流变性、岩屑颗粒直径等参数对岩屑床厚度的影响规律； 建立了钻井液流变模式优选方法，对钻具组合中各部件的压耗求解公式进行了完善，给 出了基于立管压力的循环压耗计算及校正方法；结合岩屑运移理论分析结果和实验回归 模型，推导了岩屑床厚度计算经验公式，并编制了相应计算程序；对岩屑床厚度法、岩 屑携出比法、当量循环密度差值法及摩阻系数法等四种井眼不清洁识别方法进行了优缺 点分析，提出了井眼不清洁综合识别方法，得到了新的井眼不清洁识别准则，该准则通 过两口井实例分析，验证了其准确性，为今后现场实时判断井眼不清洁状况提供了一种 新的方法。 关键词：大斜度井，井眼不清洁，岩屑床厚度，岩屑运移，循环压耗 t 一 ，i 1 r r e s e a r c ho nt h ei d e n t i f i c a t i o no fb o r e h o l eu n c l e a n n e s s o nh i g h a n g l ed e v i a t e dw e l l l i uc h u n r e n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gg e n l u a b s t r a c t w i t ht h en e e do fo i le x p l o r a t o r yd e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r ee x t e n d e dr e a c hw e l l a n dh o r i z o n t a lw e l lh a v eb e e nu s e di np r a c t i c ea n da c h i e v e dg o o de c o n o m i cr e s u l t s h o w e v e l p r o b l e m sc a u s e db yc u t t i n g sw h i c hc a n n o tt r a n s p o r tt ot h ea n n u l u sm a ya f f e c tt h en o r m a l d r i l l i n g ，e v e nc a u s es o m ec o m p l i c a t e du n d e r g r o u n da c c i d e n t si nt h eh i g ha n g l ed e v i a t e dw e l l t h u se n s u r i n gt h eh o l ec l e a n i n gi nt h ea n n u l u sb e c o m et h ek e yi s s u e st h r o u g h o u tt h eh i 曲 a n g l ed e v i a t e dw e l ld r i l l i n g t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec u t t i n g st r a n s p o r tm e c h a n i s mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fm a c r oa n d m i c r oo nt h ec u t t i n g s at h r e el a y e rm o d e lf o rc u t t i n g st r a n s p o r ti nh i g ha n g l ed e v i a t e dw e l l h a sb e e np r o p o s e db a s e do nt h el a wo fm a s sc o n s e r v a t i o na n dm o m e n t u mt h e o r e m ，a n da p r o g r a mm a d ef o ri t t h ep a p e ra n a l y z e ds o m ep a r a m e t e r se f f e c t i n go nt h ec u t t i n g sb e d h e i g h t ，s u c ha sw e l ld e v i a t i o n ，d r i l l i n gf l u i dr h e o l o g ya n ds oo n b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no f t h ed r i l l i n gf l u i dr h e o l o g i c a lm o d e l ，t h i sp a p e ri m p r o v e dt h ec a l c u l a t i o nm o d e lu s e df o r c a l c u l a t ec i r c u l a t i n gp r e s s u r eo fd i f f e r e n tt y p e so f d r i l l i n gt o o l si nd i f f e r e n tp a t t e r n s ，a n da l s o c a l c u l a t e da n da d j u s t e dt h ec i r c u l a t i n gp r e s s u r el o s s b a s e do nt h ec u t t i n g st r a n s p o r tm o d e la n dt h er e g r e s s i o nm o d e l ，t h ep a p e r p r o p o s e dt h e e m p i r i c a lf o r m u l af o rt h ec u t t i n g sb e dh e i g h t t h ep a p e rc o n d u c t e dat h e o r e t i c a ld e s c r i p t i o n f o re a c hi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ，d e v e l o p e db o r e h o l eu n c l e a n n e s si d e n t i f i c a t i o nc r i t e r i a i nt h e l a s t ，t h i sp a p e ru s e dt w ow e l l sd a t at ov e n f yt h er e c o g n i t i o nm e t h o d ，a n dt h er e s u l t sf r o mt h e i d e n t i f i c a t i o nc o u l da g r e ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o ni n s i t u p r o v i d e dan e wm e t h o df o rt h e n e x td i a g n o s i n gt h eu n d e r g r o u n ds t a t ei nt h er e a lt i m ei n s i t u k e yw o r d s ：h i g ha n g l ed e v i a t e dw e l l ，b o r e h o l eu n c l e a n n e s s ，c u t t i n g sb e dh e i g h t ，c u t t i n g s t r a n s p o r t ，c i r c u l a t i n gp r e s s u r el o s s r p 、 目录 第一章前言l 1 1 研究的目的及意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 岩屑运移模型研究1 1 2 2 井眼不清洁识别研究6 1 3 研究内容及研究方法8 1 3 1 研究内容8 1 3 2 研究方法9 第二章大斜度井岩屑运移理论模型1 0 2 1 岩屑运移机理分析1 0 2 1 1 大斜度井段岩屑运移的宏观分析1 l 2 1 2 大斜度井段岩屑运移的微观分析1 2 2 1 3 影响岩屑运移的因素1 6 2 2 岩屑运移三层水力模型2 0 2 2 1 模型建立的基础2 0 2 2 2 模型假设条件2 0 2 2 3 模型描述2 0 2 2 4 模型的建立及求解2 1 2 3 不同参数对岩屑床厚度的影响规律3 0 2 4 本章小结3 3 第三章井眼不清洁识别方法研究3 4 3 1 循环压耗计算方法3 4 3 1 1 钻井液流变模式的优选3 4 3 1 2 钻具组合中各部件的压耗计算3 6 3 1 3 循环压耗计算方法4 7 3 2 岩屑床厚度计算的经验公式模型4 9 3 3 井眼不清洁综合识别法5 4 3 3 1 岩屑床厚度法5 4 3 3 2 岩屑携出比法5 6 3 3 3e c d 差值法5 7 3 3 4 摩阻系数法6 l 3 3 5 井眼不清洁综合识别方法6 3 3 4 本章小结6 5 第四章现场应用6 6 4 1n p l 3 x 1 0 4 2 井6 6 4 2n p l 3 x 1 18 0 井7 2 第五章程序介绍7 9 5 1 程序开发及运行环境7 9 5 2 程序功能设计7 9 5 3 程序的功能界面及计算步骤8 0 结论及建议9 0 参考文献9 2 附录9 7 致 射1 0 3 霸 t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章前言 近些年来，随着石油勘探开发的需要，越来越多的大位移井、水平井等大斜度井应 用于工程实践，取得了良好的经济效益。由于大斜度井的井斜角较大，且水平位移一般 也较大，很容易造成岩屑携带困难，形成岩屑床，直接影响到正常的钻井作业，也容易 造成井下复杂情况甚至钻井事故的发生。岩屑床的存在给钻井过程带来的主要危害有： ( 1 ) 起钻过程中易导致岩屑在钻头上方堆积，形成阻卡或卡钻；( 2 ) 下钻过程中易造成岩 屑在钻头下方堆积，导致钻头不能下至井底；( 3 ) 使井眼环空间隙减小，循环压耗增大， 导致憋泵，同时也会增大当量循环密度e c d ，导致井漏：( 4 ) 使管柱与井壁间的摩擦系 数增大，导致摩阻、扭矩增大，严重时造成扶正器泥包，导致憋钻；( 5 ) 易形成键槽和 台阶，造成井下复杂情况；( 6 ) 会使下入井下的测试工具、测井仪器在下入过程中受阻， 不能完成预定作业；( 7 ) 使下套管、固井作业困难，水泥封固质量差。 正是由于井眼不清洁及岩屑床的存在给钻井作业带来的诸多危害，钻井工程技术人 员和相关研究人员一直非常重视井眼清洁工作，对造成大斜度井井眼不清洁的原因及清 除岩屑床的技术措施进行了大量的研究，认为在大斜度井中最有效的岩屑床清除方法为： 增大钻井液排量，提高流体紊动性；改善钻井液的性能，增强其携岩能力；再配合机械 除岩，可将井底岩屑有效的带到地面，保证正常钻井。但是相对来说对井眼不清洁的识 别方法研究较少。显然，对井眼不清洁的较准确识别是及时、有效地采取措施清除岩屑 床，避免岩屑床过厚带来一系列危害的关键。因此，开展大斜度井井眼不清洁识别方法 研究对于解决大斜度井岩屑床问题具有非常重要的工程意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩屑运移模型研究 大斜度井及水平井井眼净化问题的关键是岩屑的运移问题，近些年国内外学者通过 大量的室内实验及现场试验分析，对岩屑有效运移这一问题主要从环空流态、环空钻井 液返速及钻井液的流变参数等方面分析其对运移的影响作用。 岩屑运移是钻井工业中需要关注的关键问题之一，a m o c o 公司的一项调查显示， 7 0 的非正常钻进时间与卡钻相关，h o p k i n s 提供的数据表明，3 0 的卡钻问题是由井 第一章前言 眼不清洁造成的。提高水平井中的岩屑运移效率对于减少井下钻井事故和降低钻井成本 有着重要意义。在岩屑运移过程中，大直径的岩屑颗粒将会被磨损成小直径的颗粒，如 果岩屑运移不充分的话，岩屑将会沉降形成岩屑床。此外，在大斜度井及水平井的底部， 一般采用塔式钻具组合，底部使用小钻杆钻进，这种情况下携岩不畅的话，将不能钻至 目的层，一些现场经验表明，直径越小的岩屑颗粒越容易造成卡钻。 在一般的岩屑运移模型研究中，将环空岩屑床厚度和临界环空流速作为评价携岩效 果好坏的重要参数，这两个判断携岩能力的参数均与钻柱偏心度，环空几何尺寸、钻井 液密度以及钻井液的流变参数有关，因此它们是各种钻进参数的综合反映。 在过去的几十年里，对水平井和大斜度井中的岩屑运移研究取得了重大成果。这些 成果可以分成两种主要方法：一种是实验的方法，研究者们通过对模型的模拟实验获得 实验数据，然后通过因次分析或半理论推导分析处理这些数据；另一种方法是理论研究， 在研究过程中学者通过对岩屑在运输过程中的受力分析等建立数学方程，然后通过一些 物理或数据假设求解这些方程。 有大量的数学理论分析和实验模型用来预测和解释岩屑运移的水力学机理，大多数 的岩屑运移模型普遍存在的问题包括：与实验结果或者实际钻井结果相比，预测的结果 不准确；以及各模型间的结果不一致。这些问题的形成一般有两个主要的原因：首先， 很多研究者们企图建立一个仅仅是井斜函数的综合模型，这一模型涵盖广泛的条件( 从 垂直方向到水平方向) ，a z a r 和s a n c h e a 注意到研究者们在不同条件下发生的不同物理 现象运用相同的理论；其次，研究者们做出了太多的假设或是忽略某些实际观测到的现 象，因此，一个新的模型必须克服这些在水力模型中存在的限制。 因为以前的研究者们对直井很感兴趣，所以注意力主要集中于在钻井作业中已知的 岩屑下滑速度对水力学因素和流体上返速度的预测。到2 0 世纪7 0 年代末，许多研究得 出了流体流变性和岩屑的物理特性对岩屑沉降速度的相关关系式，它们与直井中的岩屑 运移效率有关。 由于能带来巨大的经济效益而产生的水平井和大斜度井，在岩屑的运移方面带来了 新的问题。开发水平井是为了开发薄油层的油藏，解决水锥和气锥问题，获得大的油层 区域，以及使天然裂缝性油藏的生产潜力最大化。然而，水平井钻井的最大阻碍是环空 岩屑的清除，已经形成的岩屑运移模型包括数学方面的和实验得到的。 t o m r e n t l 】是从事研究岩屑在斜井井眼运移的早期实践者之一，他指出钻井液和岩屑 在井眼流动的过程中存在三种不同的流层：固定床层，移动床层和悬浮液流层。之后 2 r 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f o r d 等人确定了这些观点。g a v i g n e t t 2 】和s o b e y 在上述观点的基础上提出了两层流动模 型，他们假设岩屑落到斜井井眼的较低部位，并在井眼环空中形成岩屑床，在岩屑床之 上是纯净的钻井液。考虑各层的动量平衡，可以估计岩屑床厚度是一个关于环空速度和 钻井液流变性的函数，但是该模型没有考虑岩屑悬浮和固定床层对运移机理的影响。 w a l t o n t 3 】建立了一个数学模型用来描述钻井过程中岩屑的悬浮机理。他引进了岩屑 床之上岩屑颗粒在钻井液流动区扩散的概念。该数学模型是在对岩屑床和悬浮层的受力 分析的基础上建立起来的。他建立的模型包含环空底部的静止床层和环空上部的悬浮 层。该模型没有考虑水平段岩屑的滚动滑动机理。该模型认为在较强的紊流涡旋条件 下的固体悬浮是唯一的运移机理。 t u l s a 大学的研究者们进行了许多斜井钻井岩屑运移的早期实验研究。t o m r e n 、 i y o h o 和a z a i l 4 】研究了钻柱的旋转和偏- t b 率、井斜角、钻井液类型以及钻井液流态对岩 屑运移的影响。他们发现当井斜角为4 0 0 5 0 0 时，岩屑床容易向下滑动，该井斜段对岩 屑的运移最不利。在岩屑运移过程中钻柱旋转对运移的影响要比钻柱偏心率( 许多研究 者认为钻柱的偏心率对岩屑清理有很重要的影响) 的影响小。o k r a j i n i 和a z a r 做了一个 斜井钻进中现场实测钻井液流变性( 例如动切力与塑性粘度之比，即，p 对岩屑运移 影响的实验研究。他们指出在大斜度井段( 即井斜 5 5 0 井段) 中钻井液动切力对岩屑运移 的影响很大。b e c k e r 、a z a r 和o k r a j i n i 研究了流变性之间的相互关系，包括动切力、塑 性粘度、幂律流体流性指数和稠度系数。对岩屑运移过程进行了1 8 0 项测试，他们认为， 在紊流条件下，钻井液岩屑运移能力一般不受钻井液流变性的影响；在层流情况下，高 切力，高动塑比可以降低环空岩屑浓度，提高携岩能力，尤其在井斜角小于4 5 0 时的井 段更为明显。提高钻井液密度，可提高环空上返钻井液拖拽岩屑的能力，从而提高钻井 液静态时对岩屑的悬浮能力。此外，提高钻井液的屈服值及塑性粘度将有助于改善和加 强钻井液对岩屑的综合受力作用效果，从而改善了岩屑的运移条件。 c l a r k e 5 1 和b i c k h a m 6 】用一个机械模型描述了井眼净化过程。该模型认为岩屑从井筒 中返出涉及到各种机理因素，例如岩屑的滚动、上升和颗粒的沉降。c l a r k 和b i c k h a m 的论文与现场上的看法相一致，认为井眼清洁的主要影响因素是流量，并且认为钻井液 密度和流变性参数也是影响井眼清洁的最重要因素。他们的论文中应用了以钻井液动切 力为主要参数的h e r s c h e l b u l k l e y ( 赫谢尔巴尔克莱) 流变模型，其它流变性参数，如钻 井液稠度系数和流性指数的影响不是很清楚。 r a s i t 7 1 研究了岩屑床的形成过程。这一研究主要集中在偏心环空井眼中岩屑床厚度 3 第一章前言 的预测上。在一种未定义的方法中，他用到了无因次摩擦系数，其中包含钻井液流变性 系数、井身结构以及排量等。塑性粘度。、动切力f 。和粘度计转速为6 - r p m 时的极限 值( 在h e r s c h e l b u l k l e y 模型中接近动切力的极限值f 。) 被认为是输入参数。 s a n c h e z 5 8 】等研究了斜井钻进中钻柱旋转对井眼清洁的影响，结果显示钻柱旋转对 井眼清洁有很大的影响，而且钻柱的动力特性，如振动，扭转等对提高井眼净化起着重 要作用。他们通过对钻柱旋转和钻柱不旋转的大量实验数据敏感性分析量化了钻柱旋转 对岩屑运移的影响。 m a r t i n s 和s a n t a n a 提出了一个两层模型，它比g a v i g n e t 和s o b e y 模型更通用。该 模型允许岩屑颗粒悬浮在环空上层。这一层的平均岩屑浓度通过求解在这一浓度剖面的 扩散方程而得到，该方法是建立在d o r o n 等关于岩屑运移的早期著作基础之上的。 2 0 世纪末，d o r o n 等人介绍了一个三层模型，该模型是在水平井段和大斜度井段中 的固液两相流中用连续性方程和动量方程定义流体动力学方程。设计该模型是为了克服 两层模型的局限性，两层模型是管流早期的发展。然而，该模型的应用也有许多局限性， 该模型没有考虑环空流、钻井液的流变性以及岩屑运移的滚动举升理论。 i y o h o 和t a k a h a s h i 提出了一个三层的两相流动模型来预测流体性质，包括沙丘的形 成、速度和压力波动。能量平衡和压力波动是该模型的基础，仅在压力波动知道的情况 下，他们的模型能够预测沙丘的厚度。 n g u y e n 和r a h m a n 提出了一个基于水平井中岩屑运移和井眼净化的三层流动概念 的数学模型。但是该模型没有区分各种流动模式的边界条件。此外也没有考虑钻井液流 变性和岩屑颗粒球形度变化的影响。该模型仅适用于水平井。该模型中用来定义各层受 力平衡的单元不一致。然而，他们有效解释了一个三层流态模型是如何通过改变钻井液 环空返速而变为一个两层流态模型。 c h o c 4 l 】等人改进了d o r o n 和b a m e a 的数学模型( 水平管流到环空流) ，附加考虑了钻 井液的流变性、钻头产生的岩屑的形状、环空岩屑浓度、以及钻进中偏心的井眼几何结 构的影响。该模型在环空中使用了一个三层流型概念：底部的固定岩屑床层，其上的移 动岩屑床层和顶部的非均匀分散悬浮层。固定岩屑床层的影响在该模型中得到了很好的 表现。岩屑床形成的临界速度和环空返速的函数关系能够很好的分析和解释岩屑运移机 理。c h o 4 2 】等人给出了常规机械模型，它将岩屑从垂直段到水平段的运移过程简化为一 个井斜角的函数关系式，但不能正确的描述岩屑运移机理。控制岩屑运移的主要因素不 4 弋 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 仅仅是和井斜相关的，他们还拓展了一个斜井中岩屑运移的三层水平模型，模型中考虑 了环空返速、岩屑浓度、机械钻速、钻井液流变性、井眼几何形状、岩屑颗粒直径和球 形度的影响。 1 9 9 4 年，李洪乾、刘希圣、汪海阁【6 】等人结合钻井液性能的优化、环空排量的设计、 井身结构的设计及其它钻井措施及影响因素提出了新的水平井岩屑运移携带理论。他们 认为：在环空中，钻井液为紊流流态时的携岩效率高于钻井液为层流流态时。这是因为， 在环空中，钻井液为紊流流态时，其对井眼低边的固定岩屑床床面上的岩屑的拖曳作用 比较强，岩屑更容易被钻井液携带进入循环流，从而被运移出环空井眼，因此建议在设 计钻井液性能时尽量使用紊流的环空流态。他们同时指出，在大斜度井和水平井钻井过 程中，不能一味的要求高机械钻速钻进，而应实时观察振动筛的出砂量和钻井液流变参 数变化，当这些参数出现异常时，可能就说明环空井眼有岩屑的大量堆积形成岩屑床， 此时就应降低机械钻速，进行充分洗井，预防其它井下事故的发生。 1 9 9 5 年，李洪乾、刘希圣、任耀秀、杲传刚8 】等人结合水平井钻井液的携岩特性和 岩屑床形成理论模型，提出了一种计算大斜度井及水平井钻井第二洗井区( 根据井斜角 的变化将整个环空井段分为三个洗井区) 环空止动返速的方法，并且分析了影响环空止 动返速的相关因素。根据对大量的钻井数据统计分析后认为，目前我国水平井钻井第二 洗井区环空止动返速一般为0 8 0 1 0 3 m s ，这一数值在今后设计其它井的水力参数及 流变参数时可以作为参考。 1 9 9 8 年，周风山、蒲春生【9 】等人结合水平井偏心环空中两相流流动规律，建立了计 算水平井岩屑床厚度的理论模型，并结合室内实验数据及最优化数学理论给出了预测岩 屑床厚度的半经验公式，通过对s p 1 井岩屑床厚度的预测，较好的验证了该半经验公 式的准确性，为今后预测岩屑床厚度提供了一种经验方法。 2 0 0 4 年，张杰、陈平【l o 】等人通过对岩屑运移的微观分析，简化其受力情况，忽略 一些次要影响因素，仅考虑重力、钻井液的冲击力、上举力和悬浮力等影响，建立了斜 井段岩屑颗粒受力的计算方程，建立了斜井段岩屑颗粒运移的物理模型，并分析了井斜 角及环空钻井液返速等影响因素对岩屑运移规律的不同影响。他们的研究成果不仅满足 前人提到的“b o y c o t t 效应 规律，同时也从理论分析角度得出了提高钻井液排量对井 眼净化起到决定性作用的结论。具体分析如下：由岩屑颗粒综合受力分析推导出来的岩 屑运移模型表明，岩屑的运移效率受岩屑颗粒的密度、尺寸及钻井液的密度、流变性参 数和井眼环空中返速及井斜角的影响；在环空返速一定时，井斜角为4 0 0 5 0 0 时，岩屑 5 第一章前言 颗粒受到的正作用力最小，即使其产生运移的力最小，这和“b o y c o t t 效应 结论能够 很好的吻合，也间接证明了增加钻井液的排量可以明显改善井眼清洁状况的结论。 通过上面的分析可以发现，国内外学者在考虑岩屑运移规律时，很少考虑到钻柱旋 转对岩屑运移的影响，对这方面的实验研究也不多。不过通过国内外有限的实验数据和 研究，在这一方面的被人们普遍接受的观点有：( 1 ) t o n l r e n 【2 5 】等人认识到，当环空井眼 偏心时，即管柱处于水平环空的底侧时，钻杆旋转对岩屑运移影响很明显，钻柱的旋转 能够悬浮岩屑，使其脱离岩屑床，使岩屑不易堆积形成岩屑床；( 2 ) t h o m a s 、o k r a j n i t 4 2 】 和b e c k e r 等人认为，只有当环空钻井液的流态为层流时钻柱的旋转对岩屑的运移有一 定的影响，当环空流态为紊流时，有无钻柱旋转对岩屑运移没有直接影响；( 3 ) f o r d 等 人认为钻柱旋转对岩屑运移的影响不会随井斜变化，他们在模拟实验中使用0 、6 0 r p m 和1 2 0 r p m 三个钻速分析其对岩屑运移的影响，发现高旋转速度会明显增大岩屑悬浮的 效果。国内方面，中国石油大学的刘希圣 1 8 , 1 9 2 2 墩授等认为，钻柱旋转对岩屑运移的影 响在于增大了环空钻井液的紊流度，使固定岩屑床及移动岩屑床上部的岩屑被搅动起 来，增大了岩屑被运移的几率。在大斜度井或水平井钻进过程中，由于钻柱偏心作用， 钻柱处于井眼环空的底部。当钻柱旋转时，钻柱与岩屑床发生摩擦作用，从而破坏了岩 屑床的稳定状态，同时环空钻井液产生的螺旋状的涡流流场中的压力波动使岩屑床的非 稳定状态进一步加剧。旋转作用使压力分布呈现波动形式，产生了有利于清除岩屑的循 环力和陀螺力，这两个力对岩屑起到一定的搅动作用和支承作用，处于非稳定状态的岩 屑颗粒在这两个力的作用下，开始围绕井筒内作切线运动，逐渐被运移到环空井眼的中 心，加入到钻井液流动过程，实现了利用钻井液携带岩屑的目的。 1 - 2 2 井眼不清洁识别研究 国内外关于井眼不清洁识别判断标准很多，但是从理论分析角度来看，主要包括以 下几类：美国t u l s a 大学一般使用临界速度、环空止动返速及岩屑床厚度识别法进行井 眼净化识别；英国h e r i o t w a t t 大学和b p 公司常用根据岩屑受力分析得出的岩屑最小滚 动速度和悬浮运移速度进行评价；国内方面主要是使用岩屑床厚度及环空岩屑浓度判别 井眼清洁状况，这大多是根据现场经验得出的数据制定的标准。常用的井眼净化模型有： g a v i g e n t 和s o b e y 基于环空两层模型建立的双层水力模型；英国学者f o r d 等人基于床 层岩屑颗粒受力分析建立的岩屑受力分析模型；美国学者l a s r s e n 3 0 】等人基于大斜度井 及水平井的净化问题建立的临界环空返速模型；国内石油大学的汪海阁等人根据实验数 6 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 据回归出的水平井岩屑床厚度计算模型。 中国石油大学的李相方【1 1 】等人提出了一种利用立管压力监测井眼不清洁的方法，其 主要原理是：利用立管压力反算出环空压耗，即环空压耗等于立管压力减去钻柱内压耗、 井下动力钻具压耗、m w d 压耗、钻头压耗及地面管汇压耗等。其中在假设井眼清洁的 情况下计算井下动力钻具压耗，m w d 压耗与钻头压耗，从而得到井眼清洁时的环空压 耗，并将其转换成钻井液当量循环密度，同实际循环密度进行对比，通过分析二者差值 可以监测井眼清洁状况，对安全钻进提供了一定的参考依据。 国外的麦克巴泥浆公司开发了计算井底床层岩屑颗粒受力时滚动和岩屑颗粒悬浮 时的最小环空返速( m m 的程序。当井身结构及钻井液流变性参数确定后，根据井斜角 的变化计算出不同井斜条件下对应的m t v 数值。当井斜角不变时，随着钻井液流变性 参数的增大，所对应的m t v 有所减小。同样条件下，岩屑滚动状态时的最小返速( r o l l m t v ) 远小于岩屑悬浮时的最小返速( s u s m t v ) 。岩屑滚动最小返速随井斜角增加而增加，在井 斜角为4 5 0 , - 6 5 0 时达到最大，当井斜角超过6 5 0 时有所下降，而岩屑悬浮时的最小返速 在井斜角为o o 9 0 0 时随井斜的增大而增大，增长速率也较大。 另外可以通过计算当量循环密度e c d 3 】来识别井眼不清洁状况，因为e c d 是通过 环空压力换算出来的，它的值在一定程度上可以反映井下环空的情况。例如，当岩屑颗 粒沉降附着在井壁时，e c d 值变小；同时由于岩屑堆积造成环空流动面积缩小，从而 造成环空压耗增加，那样又造成e c d 值的变大。因此，当岩屑床开始沉积时，由于岩 屑颗粒沉积造成的影响远远大于环空流动面积缩小的影响，所以在岩屑堆积初期往往会 发现e c d 值有所下降；当岩屑继续堆积形成较厚的岩屑床后，环空压耗增大，使e c d 升高，当有其它作用使岩屑再次悬浮流动时，e c d 增大速率明显；当采取措施清除岩 屑床后，e c d 又开始下降，逐渐趋于起始值。 在某些井中，能够利用井下工程参数测量仪【4 1 ( p w d ) 获取到实时的井下环空压力数 据，这些数据是井底环空情况的最直接显示，最能直接反映井下情况，利用这些井下环 空压力数据结合立管压力，不仅可以优化一些钻井参数，而且也可利用计算出来的e c d 反应井下清洁状况，实现大斜度井井眼不清洁的实时识别。 此外，当井下不清洁时，特别是形成岩屑床后，会造成摩阻和扭矩的急剧增加，过 大的摩阻和扭矩会直接威胁钻井安全和钻进效果，但是可以从一个侧面说明摩阻和扭矩 对井下不清洁的敏感性很强，反过来可以用于对井下的不清洁情况进行识别。现在在理 论分析和现场应用过程中常用的计算摩阻和扭矩的计算模型有三种：软模型、硬模型和 7 第一章前言 有限元模型。近些年通过现场对几个模型的实际应用结果来看，认为软模型【4 3 】最适合用 于计算大斜度井及水平井摩阻和扭矩。 由于摩阻系数是一个能够体现管柱与井壁或套管之间相对运动时摩擦作用的相关 系数，该系数受不同的钻井液体系、不同的地层岩性影响，主要体现钻柱与套管、裸眼 之间的摩擦情况，可以很好的反映井下不清洁的情况。 约翰西克【3 4 】在1 9 8 3 年率先提出了在定向井中预测钻柱拉力和扭矩的软绳模型，他 的研究开创了全井段管柱力学分析的先河，其模型简单，能够满足一般条件下的计算精 度要求，为井眼轨迹设计和钻柱设计的改进、现场事故诊断和预测提供了理论依据。 约翰西克等人认为摩阻系数的确定在很大程度上依赖于钻井液性能和井眼清洁状 况。但是他们的推导的摩阻系数计算模型简化了井壁与套管的相互作用，并没有考虑水 动力的作用及忽略了岩石的岩性、岩石剪切力等影响，从而这种模型在使用上受到了一 定的限制。 在现场实际应用上，准确预测摩阻的基础就是摩阻系数的确定。近些年来，国内外 学者在研究并改进水平井摩阻计算模型的过程中也提出了不少确定摩阻系数的方法及 模型。s h e p p a r d 、m a i d a 等人从现场经验角度出发，通过对比实测及预测大钩载荷校核 摩阻系数的大小，对井眼摩阻系数进行了一些描述，得出一些经验数据：摩阻系数一般 在o 2 到o 4 之间，而o - 3 是最常用的。同时m a i d a 等人通过对二维和二维管柱力学模 型的分析计算得出以下几个结论：( 1 ) 井眼的摩阻系数对井身结构、管柱类型等并不敏 感，当上提套管时，套管段的摩阻系数一般为0 2 1 一0 3 ；下放套管时，套管段的摩阻 系数为0 2 7 - - - 0 4 3 ；( 2 ) 通常使用的二维理论模型一般反求的摩阻系数较高，这是因为预 测的轴向大钩载荷较小，导致摩阻系数增大。 1 3 研究内容及研究方法 在对国内外岩屑运移模型及井眼不清洁识别研究现状进行调研的基础上，拟开展大 斜度井岩屑运移模型研究，利用所建立的模型分析不同参数对岩屑床厚度的影响规律， 为建立实用性更强的大斜度井岩屑床厚度计算经验公式法打下理论基础；通过完善循环 压耗的计算方法和岩屑床厚度计算的经验公式法，在此基础上，综合考虑井眼不清洁的 不同识别方法优缺点，形成实用的井眼不清洁识别方法，并进行现场应用。 8 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 大斜度井岩屑运移模型研究 从大斜度井中岩屑运移机理出发，分析大斜度井岩屑运移的基本模式，建立大斜度 井岩屑运移模型，分析不同参数对岩屑床厚度的影响规律，为后续建立大斜度井岩屑床 厚度经验公式模型打下理论基础。 ( 2 ) 循环系统压耗计算方法研究 在优选流变模式的基础上，分析钻具组合中各部件在不同流型、不同流态下的压耗 计算方法，结合实时立管压力数据修正循环压耗计算模型，得到较为准确的循环系统压 耗计算方法。 ( 3 ) 建立岩屑床厚度计算的经验公式法 结合不同参数对大斜度井岩屑运移影响规律和环空岩屑床厚度实验回归模型，推导 岩屑床厚度计算经验公式，并编制相关计算程序。 ( 4 ) 井眼不清洁识别方法研究 在现有井眼不清洁识别方法的基础上，分析各种方法的优缺点，形成实用的井眼不 清洁综合识别方法。 ( 5 ) 井眼不清洁识别方法现场应用研究 利用所形成的井眼不清洁识别方法，根据现场资料对实例井的井眼不清洁情况进行 分析计算，验证其准确性。 1 3 2 研究方法 结合前人理论成果、室内试验规律以及现场钻井作业的具体情况，应用流体力学中 基本理论，分析大斜度井岩屑运移机理，建立大斜度井岩屑运移分析模型；利用模糊数 学中模糊综合评判等方法及统计学分析，结合几种井眼不清洁识别方法的优缺点，提出 综合识别方法。 9 第二章大斜度井岩屑运移理论模型 第二章大斜度井岩屑运移理论模型 在大斜度井中，为了预测和解释钻井过程中岩屑从直井段到水平段的运移情况，可 以从宏观及微观两个方面分析岩屑运移机理，并在此基础上建立三层岩屑运移模型。 2 1 岩屑运移机理分析 大斜度井及水平井中的岩屑运移情况与直井相比有着明显的差异。直井中岩屑的沉 降方向与钻井液的轴向流动方向在同一直线上，当环空钻井液的上返速度大于岩屑的沉 降速度时，岩屑就能被钻井液运移出井眼；而在大斜度井段，由于偏心作用，作用于岩 屑的重力沉降方向与钻井液的轴向流动方向不在一条直线上，在水平井段中这两个力的 方向垂直，但是其合速度方向仍指向井眼下侧，大斜度井段中这两个力的方向成一钝角， 其合速度方向亦指向井眼下侧，因而在大斜度井及水平井中在环空井壁下侧容易形成岩 屑床，导致环空井眼被堵塞，造成卡钻；此外，当井斜角达到4 0 0 5 0 0 时，就会出现明 显的“b o y c o t t 效应 【1 1 。图2 - 1 为直井段、大斜度井段以及水平井段岩屑颗粒的运移情 况示意图。 直井段环空 岩屑床水平井段环空 1 0 斜井段环空 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 1 岩屑颗粒在直井段、大斜度井段及水平井段运移示意图 f i g 2 1d i r e c t i o no fc u t t i n g ss l i pr e l a t e dt oc a r t i e rf l u i dd i r e c t i o n 2 1 1 大斜度井段岩屑运移的宏观分析 岩屑在斜井段运移时存在着一个临界环空返速，即不形成岩屑床的最小环空返速。 当钻井液实际环空返速低于该临界环空流速时，岩屑将脱离环空流沉降堆积形成岩屑 床，随着环空中岩屑床厚度的增加，环空钻井液有效流动面积减小，又造成环空钻井液 流速的增大，达到临界环空返速时，环空中岩屑床厚度不再增加，处于一种平衡状态； 当钻井液实际环空返速超过临界返速时，将会冲击岩屑床，使岩屑床厚度减小。 从宏观上讲，在某一环空岩屑浓度下，当环空中混合流体的流速发生变化时，可以 观察到四种不同的流动物理模型【2 4 1 ，如图2 2 所示。 ( 1 ) 5 环空流速较高时，比较小的岩屑颗完全被悬浮，在环空中的岩屑浓度分布尽 管不一定均匀，但流速却是均匀分布的，这种流动模型称为均匀悬浮流动模型； ( 2 ) 当环空流速降低时，由于紊流作用减弱，导致环空管内流紊流强度和外力降低， 造成一些岩屑颗粒由于受到的作用力减弱可能被悬浮，也可能沉积形成岩屑床，从而环 空中岩屑浓度分布改变，这种流动模型称为非均匀悬浮模型； 。 ( 3 ) 5 环空钻井液流速降低到某一流速时，有的岩屑颗粒从岩屑床层跃入环空流中 被运移，有的继续沉降堆积。这种情况下，会先形成个别沙丘，然后形成连续的移动岩 屑床，且处于床层表面的岩屑颗粒比下部颗粒更容易被运移。由于钻井液的作用，砂丘 或移动岩屑床层岩屑颗粒受到切应力作用发生旋转、跌落，由于岩屑颗粒的尺寸不同及 岩屑沉降速度的不同，将会形成一种具有不同床层运移的模型，该床层中岩屑沉降速度 大的颗粒处于均匀悬浮流中，沉降速度小的颗粒处于非均匀悬浮流中，这种流动模型称 为移动床流动模型； ( 4 ) 随着环空流速的逐渐降低，移动岩屑床层下部的岩屑颗粒几乎停止移动，床层 上部的岩屑颗粒受到钻井液切应力作用翻滚堆积于床面，使环空岩屑床厚度近一步增 加，造成环空中有效流动面积减小。此时直径比较小的岩屑颗粒仍在环空上部的非均质 悬浮流中，形成一个固定床带有跳跃和非均质悬浮流动的模型；当环空流速继续降低时， 堆积形成的岩屑床导致环空流动压降增大，若环空流速再降低，有堵塞井眼的危险，这 种情况下的流动模型为固定床流动模型。 第二章大斜度井岩屑运移理论模型 均勾悬浮形式 非均勾悬浮形式 移动床形式 固定床形式 图2 _ 2 岩屑运移四种流动模型 f i g 2 - 2t h ec u t t i n g st r a n s p o r tm o d e l 岩屑运移规律同时表明，只要钻井液上返速度和钻柱旋转产生的正作用力能够使岩 屑发生翻滚或举升，从而脱离岩屑床，就可以将岩屑携带至地面，避免固定岩屑床的形 成。在岩屑运移的过程中，最为普遍的岩屑运移形式是井眼环空上部是悬浮岩屑颗粒， 下部为床层的环空断面结构。床面颗粒与悬浮颗粒间存在着非