（油气井工程专业论文）复杂结构井井眼净化理论与方法研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dm e t h o do fh o l e c l e a n i n gf o rc o m p l e x - s t r u c t u r ew e l l s s p e c i a l i t y ：o i l & g a sw e l ld r i l l i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：l iq i n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：l iq i ( s i g n a t u r e ) a b s i r a c 。l 。 w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fe x p l o r a t o r yd e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t ，d i r e c t i o n a l w e l l s ，h o r i z o n t a lw e l l s ，b r a n c h e sw e l l sa n do t h e rc o m p l e x s t r u c t u r ew e l l sg e tm o r ea n dm o r e p o p u l a ra n dt h e yh a v ea c c o u n t e df o ra ni n c r e a s i n gp r o p o r t i o ni nd r i l l e dw e l l s h o w e v e r ，h o l e c l e a n i n g b e c o m e so n eo f k e y i s s u e si n c o m p l e x - s t r u c t u r e w e l l d r i l l i n g p u m p s u f f o c a t i o n ，s t i c k i n ga n do t h e ra c c i d e n t sm a ye a s i l yo c c u ri ft h ew e l lw a sn o tc l e a n e de n o u g h ， t h ee f f e c to fh o l ec l e a n i n gh a sd i r e c ti m p a c to nd r i l l i n ge f f i c i e n c y ，d r i l l i n gc o s t ，w e l l b o r e q u a l i t ya n ds a f e t y f i r s t l y ，i nt h i sp a p e r ，s o m er e s e a r c h e sh o m ea n da b r o a dr e l a t e d 、7 l ，i t l lh o l e c l e a n i n ga r ea n a l y z e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mo fd e b r i st r a n s p o r ta r ea l s o i l l u s t r a t e db yc o m b i n i n gv a r i o u se x i s t i n gr e s u l t so fi n d o o re x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a lr e s e a r c hf r u i t s e c o n d l y ，s e v e r a lm a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c td e b r i st r a n s p o r ta r e g i v e na ni n - d e p t ha n a l y s i s t h i r d l y ，g i v e nt h a tt h ee x i s t i n gm o d e l sn e a r l yc a n tb eu t i l i z e di n p r a c t i c a le n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o nb e c a u s eo ft o om a n yp a r a m e t e r so rv a r i a b l e sa n dt h e a n f r a c t u o u sr e l a t i o n s h i p ，i nt h i sp a p e r ，f o r mt h ep r a c t i c a li d e a , t h ee n t i r eb o r e h o l ei sd i v i d e d i n t os e v e r a lp a r a g r a p h sa c c o r d i n gt od i f f e r e n td e v i a t i o na n g l e ，w h i c hi sb a s e do nd i f f e r e n t d e v i a t i o na n g l ew i t hd i f f e r e n tc u t t i n g st r a v e l l i n gm e c h a n i s ma n dd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sf o r h o l ec l e a n i n g a n dt h e nan e wh o l ec l e a n i n gm o d e lw h i c hc a nb eu s e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o ni se s t a b l i s h e d f i n a l l yt h ec o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e d 、析t h v i s u a lb a s i c b yt h es t u d yi n t h i sp a p e r ，t h er e s e a r c ho nh o l ec l e a n i n gg e t si n t ot h ef i e l do f p r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p e ds o f t w a r ec a ne f f e c t i v e l ya s s i s tt h ef i e l de n g i n e e r sa n d t e c h n i c i a n st op r e d i c tt h eh o l ec l e a n i n gs i t u a t i o nm o r ea c c u r a t e l ya n dh e l pt of i xt h eh y d r a u l i c p a r a m e t e r so rd r i l l i n go p e r a t i o np a r a m e t e r s ，a sar e s u l t ，t h ea i mt og u i d et h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni sa c h i e v e d k e yw o r d s ：c u t t i n g ( b e d ) ，t r a n s p o r tm e c h a n i s m ，e f f e c tf a c t o r s ，c a l c u l a t i o nm o d e l ， s o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 9 叶 殴&l 加 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：盔蕴日期：州伊f 矽 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：盏益 导师签名：2 盔丛。 日期：川， 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的目的与意义 随着勘探开发的需要，在各个产油国家形成了用定向井、水平井、侧钻井、侧钻水 平井、分支井、大位移井等开采油田的较大工业规模。各式各样的复杂结构井在所钻井 眼中占的比例越来越大，这里的复杂结构井是对除用常规钻井技术所钻的直井之外的所 有井的统称。无论是定向井、水平井、还是大位移井，所有这些复杂结构井都可能具有 井斜角大、水平位移大的特点。从而导致在钻井过程中井眼环空中岩屑携带困难。特别 是岩屑床的形成，增加了环空钻井液中的固相含量，减小了环空间隙，容易引起憋泵； 而且停泵后井眼中岩屑下沉和岩屑床下滑也可能导致卡钻。此外，更重要的是，岩屑床 的存在会使钻具产生相当大的摩阻和扭矩；由于钻具的研磨效应，岩屑被反复碾压而变 细，造成钻井液固相含量升高，导致钻速下降、起下钻抽吸压力升高，如果复杂事故得 不到适当处理，可能会导致侧钻或井眼报废。大量现场经验证明：井眼清洗常出现问题， 必须给予高度重视，否则很容易出现上面提到的各种结果。这一切严重影响钻进安全及 钻进效果，同时使得钻井过程中各项作业不能正常进行。因此，搞好井眼净化具有重要 的意义，它是决定复杂结构井成败的关键之一，只有解决了这一技术难点后，才能实现 安全钻井。 现场经验和用全尺寸模拟装置的许多研究证实，岩屑传输是个难题，在大斜度井， 岩屑运移更为复杂。只有深入地认识、突破这一问题，才能采取适当的应对措施。多年 来，为探讨岩屑传送问题，进行了大量的室内试验和现场观测，同时发表了不少相关论 文，这些论文大多为定性评价和现场应用提供了指南；已开发出若干对比方法模式，使 现场的工程技术人员有了更好地确定井眼清洗水力要求的工具。然而，由于这一问题的 复杂性，至今尚无一种全面而可靠的模型，仍需进行大量的现场和室内探讨。本文的目 的是对岩屑在整个井眼中运移机理的深入分析，特别是影响岩屑运移的主要因素的分析， 在这基础上建立合理的岩屑传输模型和数学模型，并形成一套适用的井眼净化应用软件： 实现依据给定的井眼条件和施工参数，预测是否能满足井眼净化要求；或从满足井眼净 化的需求出发，给出合理的施工参数。这对钻井工程师就预测和分析岩屑传输及井眼净 化状况有很大的帮助。软件的开发将使井眼净化的研究进入实际应用的领域。 1 2 国内外研究状况 ( 1 ) 国外研究状况川【5 j 大约3 0 多年前，在几家大石油和服务公司的支持下，塔尔萨大学钻井项目组 ( t u d r p ) 便开始了岩屑在斜井传输的全尺寸模拟研究。建成了流动环路包括：4 0 f t ( 1 2 m 左右) 长、5 i n ( 1 2 7 c m ) 直径的透明的环形管路，以及更变和控制装置：垂直与水平 西安石油大学硕士学位论文 之间的斜度；泵排量；钻速；钻杆旋转与偏心度。用这套装置的结果表明：岩屑 在斜井眼中的传输明显不同于直井。当井斜角超过3 5 度时，可观察到有岩屑床形成。当 井斜角超过5 0 度时，此床可回滑下来，这一研究结果是由t o m r e n ，l y o h o 及a z a r 等人 公布的。环空液流分析表明：大部分钻井液总是从环空低侧流过，而岩屑多沉淀在低侧， 在钻杆上方则是裸露的，故偏心率发生改变。 在t u d r p 研究的基础上，后来o k r a j n i 和a z a r 在岩屑传输的研究方面做出了突出 贡献。他们研究了钻井液流变性对井眼清洗的影响。他们的研究验证了早期的结果，并 确定了在大斜度井中，岩屑传输机理和流动状态完全不同于垂直井的情况。他们发现， 在垂直井中，通常用提高钻井液流速来处理井眼清洗问题，以清除岩屑床，实际上对大 斜度井来讲，这种做法有害无益。应用能引起紊流的低粘度钻井液才更有用。根据这一 发现及以往的研究，井眼清洗应建立在井斜角、水力学、钻井液流变性、钻具偏心率、 以及机械钻速等多因素的基础上。这些参数对岩屑传输影响的定性关系都有过介绍。 b a c k e r ，a z a r 和o k r a j n i 等人对o k r a j n i 的流变数据进一步分析表明：试验钻井液的传输 岩屑性能，主要与低剪速粘度有关，具体的讲是6 r m i n 范式粘度计的读数。 上世纪8 0 年代中期，己可以对大斜度井眼清洗问题进行一般性的了解，然而此课题 是个十分复杂的问题，不宜作综合性分析。同时，大部分的定向井和水平井都要钻较长 的侧向井段，井眼清洗更加困难。现场问题是缺少预测模型、研究结果传递到现场速度 慢、现场经验不足以及钻井设备的限制等造成的。 由于重新提起井眼清洗问题，使石油工业认识到进一步研究岩屑传输的迫切性。这 时的许多大石油公司纷纷组建起自己的内部井眼净化队伍，这就需要更多、更新的实验 资料，这就需要增加流动环路。c h e v r o n ，c o n o c o ，e i f a q u i t a n i n e 及p h i l i p s 等合伙建立 了一个更新、更大的环路，环路长3 0 m 、管径2 0 c m 。到8 0 年代中期，各种尺寸和不同 实验能力的流动环路又相继建立了个几个。新流动环路的结果及委托事项，已由t u d r p ， h e r i o t w a t t 大学、b p 、西南研究所、m i 钻井液公司及法国石油研究院等公布。所有流 动环路都有一段透明环形试验段，以便于观察岩屑传输情况。这些流动环路为收集所需 要的实验数据提供了必要的工具。 各种流动环路接受委托，收集了大量的实验数据，证明在各种条件下，不同参数对 岩屑传输的影响。所做的观测及随后的收集数据分析，为对比模型的公式化提供了基础。 同时，斜井和水平井的钻井经验和资料既是实际操作指南，也是评价和改进室内理论模 式所需的基础。 l a r s e n 对岩屑传输进行了大量的研究，用t u d r p l 2 7 c m 的流动环路做了7 0 0 余次 试验。在临界和亚临界流速条件下，进行了由垂直到水平的试验。临界流速即防止形成 岩屑床时最低环空平均流速。亚临界流速即有岩屑床形成时的参考状态。实验数据分析 表明：当流动速度低于临界值时，开始形成岩屑床，并增厚，直至流速高于形成床层的 临界值时为止。此临界值范围为0 9 一1 2 m s 左右，此值是根据各种参数值而定的，包括： 2 第一章绪论 钻井液流变性、钻速、钻具偏心率及转速等。 l a r s e n 的数据证实了早期的发现：在大斜度井眼，钻井液为紊流状态时，其效果要 比层流状态时的好。然而，另有一些新的发现亦值一提：在亚临界流速条件下，中等 流变性的钻井液( p v = 1 4 ，y p = 1 4 ) ，要比低流变性钻井液( p v = 7 ，y p = 7 ) 或高流变性 ( p v = 2 1 ，y p = 2 1 ) 钻井液，形成的岩屑床层薄。雷诺数计算表明：这种钻井液的流态， 无论是紊流还是层流，都在变化范围之内：研究发现：小尺寸的岩屑( 2 5 4 m r n ) 要比 中尺寸( 4 4 5 m m ) 和大尺寸( 6 9 8 m m ) 的更难以清除。小尺寸的岩屑易形成较致密而 光滑的床层，当井斜角在5 5 0 9 0 0 之间时，形成的岩屑床厚度差不多，只是在6 5 0 7 0 。时稍有增加；井斜角为3 5 0 5 5 0 之间时，岩屑床层明显变薄。 根据以上数据，l a r s e n 等开发了一个用于5 0 。9 0 0 大斜度的模型。当流速低于临界 值时，此模型可以用来预测临界速度和床层厚度。 l a r s e n 的数据是用水基钻井液得出来的，后来，h e m p h i l l 和l a r s e n 用流变性相似的 油基钻井液进行了对比实验，结果表明：与水基钻井液的情况大致相似。 g a v i g e n t 和s o b e y 介绍了一岩屑传输模型。即众所周之的双层模型。该模型有若干 相关公式及众多参数，且有几个参数很难确定。然而，该模型以物理现象为基础，故还 有参考价值。 m a r t i n ，g e o r g e ，b i s o n 及k o n i r s c h 等根据在室内和现场收集的资料，进行了数据对 比分析。 s e e b e r g e r ，m a t l o c k 和h a n s o n 等研究了用室内流动环路，进行大斜度井油基钻井液 试验。他们声称：提高低剪切粘度，可以增加油基钻井液传输岩屑的性能，且能胜过通 常用水基钻井液的传输性能。这一点，后来为其他研究证实。 s i f f e r m a n 和b e c k e r 在8 i n ( 2 0 3 2 r a m ) 的流动环路作了一系列的井眼清洗实验。他 们调研了各种参数对于岩屑传输的影响。数据统计分析表明：各种参数相互影响，因此， 无法得出一简单的关系式。例如：钻具旋转对岩屑传输的影响也取决于岩屑的粒度和钻 井液流变性。对于含更细颗粒和更粘的钻井液来讲，钻具旋转的影响更为明显。 l u o ，b e m s t e i n ，k e l l i n g r a y 和c h a m b e r s 揭示了一种用以确定斜井清洗要求的图标。 这些经验图表是根据在8 i n ( 2 0 3 2 m m ) 流动环路收集的数据及为防止岩屑床层聚集，预 测所需要的临界流速。并将这些数据与某些现场收集的数据作了对比。 f o r d ，g a o ，o y e n e y i n 和p e n d e n 等介绍了一个模型，可以在两种情况下，预测最 低的传输速度：岩屑悬浮：岩屑滚动，预测结果也与室内数据作了对比。 m a r c o ，r a s i 研究了一种用以大井眼、大斜度井眼的“井眼净化工具”。作为此研究 的一部分，进行了一系起出井眼的室内实验。实验可观察到：只要岩屑床层上方的裸眼 面积大于钻头的横截面面积，就不会产生过载提拉。也可发现：用横截面积小的稳定器、 外径尺寸小的井眼组合，及大尺寸的钻杆，其结果，可降低过载拉力。有无井眼清洗问 题的预测，也与若干现场数据进行了对比。 西安石油大学硕+ 学位论文 c l a r k 和b i c k h a m 根据流体力学，介绍了一种岩屑传输模型。他们的假设有三种岩 屑传输形式：沉淀、举升、滚动。每一要素都限定在一定井斜范围内。将该模型预示结 果与t u d r p 的5 i n ( 1 2 7 m m ) 和8 i n ( 2 0 3 2 r a m ) 流动环路上收集的临界与亚临界流速 数据作出了对比。此模型也被用来检验各地区岩屑传输差而引起的有关钻井问题。 c h o o s e 等人建立了水平井、斜井岩屑运移的三段水力模型：该模型包括以下几层： 井眼底部的静态岩屑床；静态岩屑床上的运动岩床层；井眼顶部的非均匀悬浮层。 该模型用来研究三个井斜范围：水平段( 6 0 0 9 0 0 ) 、过渡段( 3 0 0 6 0 0 ) 和直井段( 0 0 - 3 0 0 ) ， 对每一段建立相应的连续方程和动量方程。用相关性来分析界面之间的相互作用。并揭 示了环空速度、钻井液流变性、并斜角对岩屑运移的影响。 k e n n y ，s u n d e 和h e m p h i l l 确定了一个举升系数，他们应用的是岩屑传输性能指示 器。此举升力系数既考虑了环空低侧的流体速度，也考虑到由c h i e n 对比确定的钻井液 沉淀速度。 b a s s a l 最后完成一项斜井中钻进旋转对岩屑传输影响的研究。研究是在t u d r p8 i n ( 2 0 3 2 m m ) 井眼模拟装置上，用1 0 0 f t ( 3 0 4 8 m ) 长的( 1 2 1 9 2 m m ) 钻杆进行的。此项 研究中考虑了的变量有：钻杆转速、井眼斜度、钻井液流变性、岩屑尺寸、及钻井液流 速。在以往所有的研究中，为了控制钻杆的偏心度，采用了扶下器。因此，与不用扶正 器的研究相比，不存在激动和旋转效应。结果表明：在定向井钻井中、钻具转动对井眼 清洗有明显影响。由于旋转速度而提高的岩屑清除效果，是钻井液流变性、岩屑粒度、 钻井液流速及钻具运转方式复合作用的结果。通常，较细岩屑更难传输。然而，对高转 速和高粘度钻井液而言，细岩屑更容易传输。钻具不转动时，低粘度钻井液的清沈效果 更好于高粘度钻井液。 许多研究人员进行的全尺寸室内研究一致表明：稳定井眼清洗的临界流动条件，所 需的流体速度为1 2 1 5 m s 左右。而现场经验表明：大井眼清洗井眼的流体速度要比此 低得多( o 6 0 9 m s ) 。b a s s a l 的研究解释了此差别，是由于钻进高速转动的影响为估计 值。在这一研究之前，所有的实验研究，都仅限于模拟真实的钻具动力学。 钻具旋转能说明的另一点是有争议的。那就是：因何稀钻井液的岩屑传输性能可与 悬浮性良好的钻井液相比。钻具转动是一个答案。当钻具不转和低速转动时，岩屑迅速 地沉降到环空的低侧，且易于被稀钻井液粘起或传动。因此，可由稀钻井液在较低的流 速下传输。然而，当钻具高速转动时，岩屑受到的钻具动力作用从低侧带起来，且在较 稠钻井液中比在稀钻井液中沉淀要慢，因此，用较稠钻井液时，传输效果更好。 将岩屑传输研究结果与现场经验相结合，就可避免钻井时发生井眼清洗问题。从而 使钻井性能更佳。由s t a t o i la s 工程师在一口大斜度井创下的两项新的世界记录便是一 例。 g u i l d ，w a l l a c e 和w a s s e n b o r g 等介绍了另一个极好的例子，来说明研究井眼清洗必 须与现场实践相结合。据他们介绍，有一v i 井因洗井差而发生事故以后，又钻了两口大 第一章绪论 斜度井而未发生故障。他们设计的程序，是在两次倒划眼起下钻之间尽量增加钻井进尺， 取消倒划眼起钻洗井，直到下套管深度。他们提出一种带创见的方法：通过小心的检测 起钻悬重、旋转悬重及下钻时的钻具重量，随着延伸钻进，避免明显的岩屑沉积。他们 发现：岩屑沉积在井内，容易引起起钻悬重与下钻悬重之间的差异增大，而干净的井眼， 此差异则减少。通过认真的观察这些参数和其他数据的变化，便可作到严密的监测井眼 清洗情况，并加以适当的控制。 ( 2 ) 国内研究现状 我国的研究人员在这方面也作了大量的研究，并且取得了一定的成果，他们将室内 试验和现场情况相结合，建立了一些理论模型和数学模型，对指导现场施工中井眼净化 做出了重要的贡献。但由于岩屑在井眼中的运移过程是一个相当复杂的过程，特别是在 复杂结构井中的运移过程则更加复杂，影响因素众多，涉及到十几个相互作用的变量， 某些井下参数只能是粗略的、可变的、不可预测的。从而导致建立统一的物理模型和数 学模型十分困难。目i j 虽然对大斜度井、水平井井眼清洗问题有了一般性的了解，然而 由于此课题的复杂性，进行准确的定量的分析还是存在一定的困难。只能对岩屑运移及 岩屑床厚度作一预测，最终对井眼清洗效果作一评价。大庆石油学院的周庆龙、韩国有 等人在自己建立的数学模型的基础上，编制了一套用于大斜度井、水平井岩屑运移模拟 和井眼净化预测的应用软件包【2 0 】。但该模型中存在大量的复杂方程组，且一些参与计算 的参数获取困难，故存在一定的局限性。 1 3 研究背景及内容 本文题目来源于国家科技支撑计划课题：延长油区低渗一超低渗透油藏复杂结构井 开采工艺技术研究及示范。 本文在总结国内外研究成果的基础上，对岩屑在斜井中各个井段的运移机理和影响 岩屑运移的关键因素作了分析、并建立了相应的岩屑传输物理模型和适用的数学模型， 最终开发了一套用于现场施工中能够预测和评价井眼净化状况的应用软件。具体研究内 容如以下几方面： ( 1 ) 通过大量的国内外文献调研，将f j f 人们的实验分析和现场相结合，剖析岩屑在 不同井段的运移特征和岩屑床形成机理以及分析影响岩屑运移的关键因素； ( 2 ) 参考现有的有关井眼净化的数学计算模型，从整个井眼出发，以井斜角划分为 依据建立各井段的数学模型，为后面的软件设计打下基础； ( 3 ) 在w i n d o w s 平台下，用面向对象可视化程序设计语言一s 谳b a s i c 作为软件 开发工具，以m i c r o s o r a c c e s s 作为数据库管理系统，将井眼净化的相关工程计算用软件 实现。 西安石油大学硕士学位论文 1 4 本文的创新点 ( 1 ) 从实用的思想出发，以井斜角不同岩屑的运移机理和井眼清洗要求不同为依据， 将整个井眼划分为多个井段，分段建立能进行工程实际计算的井眼净化模型； ( 2 ) 以所建数学模型为基础，以v i s u a lb a s i c 作为软件开发工具，以m i c r o s o f t a c c e s s 作为数据库管理系统，开发了井眼净化应用软件。 6 第二章岩屑运移机理分析 第二章岩屑运移机理分析 岩屑在复杂结构井整个井眼运移过程中，岩屑在不同井段呈现不同的运移特征，大 量的实验现象表明，在不同井段钻井液的携岩规律不同，但在某一特定井段又有共性可 循。因此根据岩屑运移特点可按井斜角划分为直( 近直) 井段( 0 0 1 0 0 ) ，小斜度井段 ( 1 0 0 3 0 0 ) ，中斜度井段( 3 0 0 - - 6 5 0 ) 及大斜度井段( 大于6 5 0 ) 【6 1 。在近直井段内， 岩屑的运移情况与垂直井中的情况几乎完全相同。在小斜度井段内，岩屑有沉积到井壁 下侧的趋势，又存在沿井眼轴线方向向井底沉积的趋势，一般形不成稳定的岩屑床。在 中斜度井段内，岩屑下沉到井壁下侧的机会增多，随着井斜角的增大，环空中形成岩屑 床的可能性逐渐增大，在这一井段内，随井斜角的增大，岩屑浓度和岩屑床的厚度增加， 并且所形成的岩屑床沿井眼轴线方向下滑的趋势最大，极易造成钻井事故，所以这个井 段是井眼净化的关键井段之一。在大斜度井段内，岩屑在下井壁处形成的岩屑床基本稳 定，这一井段内的岩屑浓度一般高于近直井段及小斜度井段，但比中斜度井段低。 2 1 直井段、近直井段岩屑运移机理 在直井中，岩屑在井眼环空中因重力作用而下滑的方向始终是垂直于水平面，而钻 井液在环空中的流动方向始终是垂直向上，二者运动方向相反，这样造成岩屑在钻井液 中存在一滑脱速度( 或称之为沉降速度) 。理论上只要满足钻井液上返速度稍大于岩屑 在钻井液中的沉降速度，并且保证不停止钻井液的循环，岩屑总会慢慢的被带出井筒， 不会形成岩屑床。在井斜角小于1 0 。的近直井段内，因重力的分力作用，岩屑有向两个 方向的沉降作用：向井壁低侧沉降和沿井眼轴线方向井底沉降，但由于井斜角很小，起 主导作用的仍然是岩屑向井底的沉降作用，一般形不成稳定的岩屑床。对于具有相同岩 性和几何特性的岩屑，被携出井筒的效率取决于环空钻井液的返速及其流变性能。 在钻进过程中，由于施工要求难免有时需要停止泵，从而使得钻井液不能正常循环， 在停泵之前，井眼中的岩屑不一定完全被携带出井筒，此时钻井液的环空速度变为零， 而岩屑的重力作用始终存在，即岩屑的沉降作用依然存在。此种情况下怎样保证岩屑不 会大量沉降于井底形成巨厚岩屑床? 钻井液的静切力这一流变参数此时发挥着关键作 用。钻井液的静切力是钻井液静止时单位面积上所形成的连续空间网架结构强度的量度， 其大小与钻井液停止循环时悬浮钻屑和加重材料的能力密切相关【7 1 。在钻井液中，如果 是单个岩屑颗粒，除非钻井液的密度相当大，岩屑不可能悬浮于其中。然而，钻井液中 分散着大量的固相颗粒，岩屑在下沉时诱发的向上水流及激起的涡旋会引发“沉降受阻” 现象。当某个岩屑颗粒向下沉降时，它将在钻井液中占据与自身体积相当的空间，从而 排开岩屑周围的钻井液使得钻井液向上运动，这样就迫使钻井液周围的岩屑颗粒向上运 动，结果导致一部分岩屑向下沉降就必然有另一部分岩屑向上运动，从而达到悬浮的目 的。这就是停泵时钻井液悬浮岩屑的机理。 7 西安石油人学硕士学位论文 2 2 小斜度井段岩屑运移机理 在小斜度井段内，当井斜角超过1 0 。时，环空的岩屑运移特征逐渐发生变化。岩屑 在井筒中因重力作用存在两个分力：轴向分力和径向分力。径向分力使岩屑有沉积到井 壁下侧的趋势，轴向分力有使岩屑沿井眼轴线方向向井底沉积的趋势，随着岩屑在上返 钻井液中的径向下滑速度增加，越来越多的岩屑颗粒将会挤到环形空间下侧区域，最终 形成岩屑床。但是由于井斜角不大，在该井段起主导作用的仍然是沿井眼轴线方向向井 底沉积的作用，即使有岩屑床生成，这种岩屑床通常较薄且不稳定，很容易被破坏，尤 其当钻井液处于紊流状态下和内管转动情况下更是如此。所以在该井段一般形不成稳定 的岩屑床。在高的环空返速下，岩屑被平稳地输送出去。 2 3 中斜度井段岩屑运移机理 随着井斜角的逐渐增大，岩屑重力的径向分量也随之增大，当这一径向分量增大到 一定值时，岩屑将脱离钻井液流，滞留在井眼低边形成岩屑床，当沉积到一定厚度时， 岩屑床甚至可能滑向钻井液流的相反方向( 即井底) 。当大量的岩屑滑向井底时便会造成 严重的卡钻事故。特别是当钻井液停止循环时，这种现象更为明显。此外，当井斜角达 到4 0 0 - - 5 0 0 时就会出现明显的“波义考特 效应。钻井液在斜井段中静止时，井眼高边 到低边环空钻井液中悬浮的岩屑颗粒的粒径和浓度均呈由小到大的垂直分布，在环空高 边井壁下出现一层薄轻液，而岩屑则垂直地沉积在井眼环空的低边并形成岩屑床，其结 果会形成横剖面上密度梯度而产生压力不平衡，生成对流趋势，驱使轻液向上，岩屑床 向下移动，从而加速沉积，在动态下会加剧“波义考特效剧引。 该井段形成的岩屑床存在沿轴向方向崩落的危险，类似雪崩。正如雪崩，山上的积 雪一般不会轻易发生雪崩，只有其重力的下滑分量达到极限时或是有某- - # 1 部因素来触 发这一过程时，雪崩便发生。在该斜井段类似，当岩屑床的厚度积累到一定程度时，由 于重力作用在轴向方向的分力达到下滑的临界值时，这一现象便发生。此外，对于净化 不完全的井眼，在起下钻过程中钻具对岩屑床造成的扰动也会引起岩屑床的崩落。岩屑 床在下滑的过程中，同时又伴随着床面的岩屑在钻井液流动能量的作用下发生跃起、向 上运移、沉落到床面和随岩屑床下滑等不断循环的运移现象。无论是定向井、水平井还 是大位移井，这一井段都是最容易出现事故的井段，是井眼净化最关键的井段。从环空 携岩角度考虑，理想的状况是，避免岩屑床的形成，或至少采取措施使岩屑床不致于成 层下滑到井底，以免给钻井作业造成严重的困难。在这种情况下，最好是通过调整钻井 液的流变参数来提高携岩能力。如提高屈服值、动塑比，同时在钻进过程中经常采取旋 转钻具、短起下钻、上提下放等措施，以增加钻井液的紊动性。保证在起钻前停止钻进， 适当延长钻井液的循环时间，并配以钻具的转动；而下钻到底后，也要直到确认井底岩 屑床对钻进不构成威胁时方可正式钻进。在条件允许的情况下，应尽量加大排量，通过 加大钻井液环空返速来提高钻井液的携岩能力。 8 第二章岩屑运移机理分析 2 4 大斜度及水平段岩屑运移机理 岩屑进入该井段环空后，便像弹丸一样被抛向井眼轴线方向。岩屑很快地沉落在环 空下侧，形成岩屑床。在层流状态下，且环空返速较低时，几乎没有一个颗粒是沿着井 筒一直向上输送的。随着井斜角的增加，岩屑的径向分速度也逐渐增大，当井斜角达到 9 0 。时，岩屑径向分速度达到最大，等于岩屑沉降速度；另一方面轴向分速度随着井斜 角的增大而减小，当井斜角到达9 0 0 时变为o 。当径向分速度增大到某一临界值时，岩屑 脱离钻井液流，滞留在井眼低侧形成岩屑床，该井段虽然容易形成岩屑床，但是较之于 中斜度段其岩屑床更加稳定，一般不存在滑动问题，岩屑在沉积过程中，随着其厚度的 增加，环空有效流通面积随之减少，这样导致环空钻井液的返速相应变大，钻井液的返 速的增大又有利于提高钻井液的携岩能力，从而使岩屑床厚度变小，因此在一定条件下， 岩屑床呈现出一种“动态平衡”状态，岩屑床的厚度不是恒定的，处于聚集与冲蚀的交 替状态，即岩屑床基本保持稳定，另外，对于一个特定的井斜角，如果流速不断增加到 一定值，岩屑床将不复存在。水平段更是如此。 2 4 1 水平井段岩屑颗粒的运移形式 位于环空不同部位的岩屑的运移形式是不尽相同的，根据岩屑的运移形式不同可将 该井段岩屑颗粒分为接触质、跃移质、层移质和悬移质几种形式【引。 接触质：这部分岩屑在运动中始终与床层保持接触，当岩屑颗粒所受到的钻井液对 其拖拽力增大到一定程度后，颗粒开始向前滑动。在滑动过程中，由于岩屑床层表面凹 凸不平，往往会转化为滚动。 跃移质：这部分岩屑是位于成排颗粒前缘的颗粒，当其所受合力矩增大到一定程度 后，将围绕后一颗粒的接触点而滚动。一方面，当颗粒滚动到某一位置时，压力相应降 低，另一方面，作用于颗粒底部表面的支点压力的作用面积因颗粒的部分上举而扩大， 总的结果将使上举力加大。这样的作用在颗粒一开始滚动便产生，无异于在颗粒起动的 瞬间增加了一个冲力。受到突然的冲击作用，颗粒就会从床面上跳起来。一般情况下， 颗粒运动的轨迹达到最高点时，颗粒的速度已接近当时的液流速度。从这一点起，颗粒 转而下降。跳起的颗粒再落到床面时对后边的颗粒有冲击作用。若颗粒跃起较低，在落 回床面后不会继续跳动；若颗粒跃起较高，落到床面以后还可以重新跳起。若颗粒自液 流中获得很大的动量，则对于床面的冲击不但使自己反弹跳起，而且还使下落点附近的 颗粒也跳起前移。 层移质：由于岩屑床是由松散的岩屑颗粒所组成的，液流拖拽力不仅作用于床层表 面颗粒上，还可以深入到床面以下各层的颗粒。流速较小时，表面颗粒以滑动、滚动、 跃移的形式进入运动，床面以下颗粒依然在原来的位置静止不动；流速增大以后，拖拽 力增大，表面颗粒已不可能保持静止，床层以下的颗粒也开始进入运动。随着液流的不 断加强，运动不断向深层发展，从而形成颗粒的成层运动。当大量岩屑以层移质运动时， 9 西安石油人学硕士学位论文 相邻两层间没有交换现象。 悬移质：随着环空流速的进一步加大，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降速度，且漩涡的尺寸也要比岩屑大。 才能带走岩屑颗粒。若漩涡较颗粒大的很多，则漩涡可以较长时间的对颗粒发生作用。 等到颗粒掉在漩涡以外时，岩屑已进入主流区。由此可见，岩屑的悬浮是靠大尺寸紊 动的作用。 2 4 2 环空中的典型流动模型 岩屑随钻井液在井眼环空中的运移模型并不是不变的，而是随着钻井液的返速变 化而变化。在任意给定的岩屑浓度下，当由高到低逐渐降低钻井液环空速度时，可以 观察到环空中呈现出不同的流动物理模型1 9 1 。 单层模型( 如图2 1 ( a ) ) ：在高的环空流速下，小颗粒和中等颗粒的岩屑完全处于 悬浮状态。在适当的返速下，若钻井液处于紊流状态且岩屑沉降速度低，就能达到一个 匀称的浓度分布型，且浓度分别接近于速度分布形成均匀悬浮状态。此时形成一个单层 的流动模型。 双层模型( 如图2 1 ( b ) ) ：当钻井液流速、紊动强度降低时，由于力的减弱使岩 屑能够悬浮和沉降，因而浓度分布变形，环空下半部具有较多的大尺寸岩屑。位于底 部的岩屑与管壁发生冲击并弹回到液流中，同时部分岩屑堆积于管底，形成连续的移 动床。此时上部流体中岩屑颗粒很少。对于存在粒径分选的岩屑，床层是由沉降速度 最快的岩屑组成，具有中等和低沉降速度的岩屑处于非均称悬浮中。这就是典型的双 层模型：非均匀悬浮和移动岩屑床。 三层模型：当钻井液流速进一步降低时，床层最底部的颗粒几乎停止运动，使床 层增厚，形成静态岩屑床，由于最上层岩屑相互翻滚的原因使床层发生运动，移动岩 屑床仍然存在，同时由于岩屑的淤积，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的状态。这就形成三层模型( 如图2 1 ( c ) ) ：静态岩屑床、移 动岩屑床、非均匀悬浮。当钻井液的流速进一步降低时，上部钻井液中的岩屑逐渐沉 降于移动岩屑床上，从而导致上部钻井液中几乎无岩屑悬浮于其中，最终形成另一种 三层模型( 如图2 1 ( d ) ) ：静态岩屑床、移动岩屑床、“洁净 液流层。 l o 第二章岩屑运移机理分析 单层模型屠模型 = 层模型 ( d ) “聃净流* + 静态岩肼床 围2 - i 流动层状模型 2 5 全斜井段岩屑运移的宏观特征 在井筒环空中，位于井眼顶甥4 部分的高速钻井液是携带岩屑的主要载体，也是决定 岩屑运移效率的主要区域，这一流体区域相当于一“传送带”将岩屑运出若筒。在岩屑 床和顶部高速流动的液流层( 传送带) 之间存在一特殊的区域，它将高速流动的钻井液 和岩屑床隔离开，该区域中岩屑浓度较大，岩屑主要以滚动、滑动、跳动的方式运移， 将该区域称为“盲医”，该区域宏观表现为位于静态岩屑床上移动的岩屑床层。岩屑运移 过程中由于自身的重力作用，运动一定距离后便脱离传送带进入靠下的较 氐速区“盲 区”：在钻柱转动的情况下，钻柱对其周围的钻井液的搅动使钻柱周围形成一层特殊的钻 井液薄膜，该薄膜称为“粘滞连结膜”，它可以产生一种带动作用即“粘滞连结作用”， 这样岩屑又因粘滞连结作用被有效地拖拽到“传送带”上；岩屑在“传送带”上运移的 距离取决于井斜角、钻井液流速、钻柱转速以及钻井液流变特性。 图2 2 者屑连移宏观特征 2 6 斜井中不同井段岩屑分布特征 井斜角小于3 0 0 的井段，只要上返速度达到一定要求，岩鸫能够较好的被钻井液悬 浮携带，能够快速将岩屑携带出井筒，岩屑不容易成床。见圈2 - 3 ( a ) ：并斜角在3 0 。 6 5 。之间时：岩屑容易成床，并且容易发生崩落下滑现象，是造成钻进复杂事故的高频发 生井段，清洗缓慢，且困难见图2 - 3 ( b ) 。井斜角大于6 5 。时：容易形成稳定静态岩屑 瓣 一 西安石油人学硕+ 学位论文 床，但清洗速度最慢，见图2 - 3 ( c ) 。 ( a ) 6 5 0 ( c ) 第二章岩屑运移影响因素分析 第三章岩屑运移影响因素分析 井眼净化是项理论与工艺措施相结合的综合技术，各项措施中，有些措施彼此联系 和制约，并与钻井的其他措施相关。岩屑在井眼中的运移过程是一个相当复杂的过程， 特别是在复杂结构井中的运移过程则更加复杂，影响岩屑运移的因素众多，同时这些因 素不是孤立的，许多因素是相互关联相互制约共同作用对岩屑运移产生影响。此外，某 些井下参数是可变或者只能是粗略的、不可预测的。为了建立井眼净化数学模型，明确 影响岩屑在井眼中运移的因素具有一定的必要性。影响岩屑的运移主要因素可以归纳为 三大不同体系i l 。 ( 1 ) 钻井液类型体系 钻井液是安全、顺利完成钻井的关键之一。对钻定向井、水平井、大位移井等复杂 结构井，钻井液性能尤其重要。钻井液的重点性能要求是多方面的，其中包括稳定井壁、 良好的携岩性能与润滑性，不损伤油气层等，具体因素包括：密度、钻井液类型、钻井 液流变模式及流变参数等。 ( 2 ) 岩屑体系 岩屑在井筒内作为钻井液的传输物质，其本身的性质影响了与载体( 钻井液) 的相 互匹配关系，从而决定了其运移的能力，具体影响因素有：密度、矿物成分、颗粒大小 及分布，形状、强度及松散孔隙度等。 ( 3 ) 钻井条件及其他特殊工艺措施 井眼环空尺寸( 井眼尺寸、钻柱尺寸、钻柱在井眼中的偏心率) 。环空钻井液流速、 钻柱转速、井壁粗糙度、岩块破碎系数、井壁稳定性及倾角。除此之外还有其它特殊工 艺措施：如活动钻柱、短起下钻等行之有效的防止和清除岩屑床的机械措施。 总之，井眼净化是一项系统工程，岩屑在井眼环空中的运移机理的研究不是一门单 一的科学或技术科学，而是集钻井液流变学、环空流体力学、岩屑运动学集为一体的综 合体系，钻井液能否有效地洗井，既取决于整个系统的水力学，又取决于岩屑和钻井液 的性能。对这些影响岩屑运移的关键因素进行深入分析，对建立合理的计算模型起着重 要作用。 3 1 井斜角的影响 大量模拟实验装置对斜井中岩屑输送进行实验，其实验研究表明【6 】【l ：岩屑在不同 井斜角的井段内的运移形式和特点是不一样的，岩屑的沉积和岩屑床的形成机理深受井 斜角的影响。故按岩屑运移的特点，可按井斜角划分为近直井段( o o - 1 0 0 ) 、小斜度井 段( 10 0 - 3 0 0 ) 、中斜度井段( 3 0 0 - 6 5 0 ) 及大斜度井段( 6 5 0 9 0 0 ) ，下面分别进行讨 论： 在近直井段范围内的低返速下，颗粒输送主要在环空的下侧区域。当流速增加时， 西安石油大学硕士学位论文 速度分布较为均匀。在层流状态下，靠近环空外壁的颗粒向侧面移动，而在中心的颗粒 则呈平直方向移动；在紊流状态下，颗粒的移