定向井的井眼净化问题

1、定向井的井眼净化问题目 录1大斜度定向井及井眼净化的内涵2钻井液性能33钻具的研究104水平投影图绕障设计115结论 15致谢16参考文献17附录：附加图、表18 3摘要从天62 - 4 井井斜角4143井段井眼净化不好引发起钻遇卡、憋泵及消除这一井下复杂情况的实例出发，引申论述定向井及水平井的大井斜角井段井眼不清洁的危害、岩屑床形成的原因及其影响因素，介绍清除岩屑床、提高井眼净化程度的途径，并警示井斜角3060的斜井段是井眼净化危险区；岩屑床形成容易清除较难，预防形成岩屑床需从多方设法，清除岩屑床则需积极主动对待。建议重新定义大斜度定向井，推荐大井斜角井段井眼达净化程度的指标，推荐“融钻进与

2、清除岩屑床为一体”的作业工艺。针对油田开发后期密井网多障碍井眼绕障设计问题，提出了双面绕障井眼轨道计算机设计模型，通过对轨道可行域、障碍区间等设计概念的定义，实现了对不规则形状障碍的计算机模拟。模型运用了水平投影图和垂直剖面图实现井眼轨道的绕障设计，在水平投影图上运用计算机试算法进行轨道设计，可以得到相对优化的设计结果，最后综合水平投影图和垂直剖面图的设计，得到整体设计方案并运用防碰扫描验证设计的可行性。此模型不需要考虑障碍井的具体形状，便于用程序实现，具有良好的通用性62 - 4井钻达1687122m时，起钻于15251490m 出现严重遇卡、憋泵。经反复活动钻具、循环钻井液及划眼等措施，历

3、时815h ， 井下情况转为正常。判定出现这一井下复杂情况的原因为1 687122m（井斜46125、方位257）1 430m（井斜40150、方位255） 井段井眼净化不好，环空钻井液中悬浮的岩屑和沉积于下井壁的岩屑床在作怪。笔者就大斜度井段的井眼净化不好带来的危害、形成原因、影响因素及提高井眼净化的途径等问题，论述如下。 大斜度定向井及井眼净化的内涵行标定义最大井斜角在6086的定向井为大斜度定向井。最大井斜角 86的井定义为水平井。应该说水平井是大斜度定向井井斜角增大的延伸，同样面对井眼净化的问题。天62 - 4 井最大井斜角49175，1 4901 525m井段的井斜角为41 542

4、5，依行标定义不属于大斜度定向井。但结合定向井快速、安全施工对井眼清洁的依赖程度，笔者认为有必要对大斜度定向井进行重新定义。钻井手册甲方以环空携屑能力lc 015 和环空岩屑浓度ca 9 %定义为直井已具备被净化的条件指标。尚未见大斜度定向井斜井段井眼被定义为净化的定量指标。但笔者认为应予探讨。定向井大斜度井段井眼不清洁形成的原因及危害 钻柱轴线偏离井眼轴线其偏离程度随井斜角的增大而增大，最终与井眼低边接触，沿（或逼近） 井眼低边移动或滚动，为岩屑床的形成及发生压差卡钻提供了物理模型。 钻井液流动轴线速度分量小钻柱轴线严重偏离井眼轴线而靠近或接触井眼低边，使井眼低边的近90夹角的环空钻井液流动

5、轴线速度分量几近于零、切向分量自井眼高边向井眼低边递减直至接近零（钻具转动时）或为零（钻具滑动时） 。则促成这近90夹角的环空中的岩屑既不能被钻井液拖拽返向井口，又被碾压成更细颗粒压实岩屑床、加剧钻井液的粘切效应，影响钻速。岩屑密度大于钻井液密度因岩屑密度大于钻井液密度，岩屑趋向沉积于井眼低边形成岩屑床，井眼低边近90夹角的环空的岩屑床的厚度随时间的推移而加厚。加厚了的岩屑床引起钻具扭矩增加、上下运动阻力增加、钻压不能全部传递给钻头而影响钻进。 岩屑床的存在会使下井的测试工具、测井仪器受阻，作业成功率下降甚至难以进行；会使下套管、固井作业困难，水泥封固质量差。国外专家研究认为1 ，斜井段的井斜

6、角达到第一个临界值（2535）时，岩屑颗粒（其密度大于钻井液密度） 在重力足以使其脱离钻具与井眼高边近270包角的环空钻井液下沉，滞留在环空下侧并滑向液流的相反方向（即井底方向）；斜井段的井斜角达到第二个临界值（5565） 时，井眼低边的岩屑床停止向井底方向滑动。井斜角在3060范围内的井段，最容易出现岩屑轴线上返速度为零、轴向滑向钻进方向的滑落速度大于零、沉向井底低边的沉降速度大于零而形成岩屑床，且发生岩屑床向钻进方向滑动的情况，这无疑易造成井下复杂情况，乃至钻进进行困难。研究结果还指出1 井斜角达4050及其以上钻井液则发生“booycott 沉淀”，其结果是静态下井眼高边到低边环空钻井液

7、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，沉积于井眼低边的岩屑则形成岩屑床，并由此引起井眼横断面上的钻井液密度差而形成压力不平衡，造成局部对流趋势，使岩屑床向下（钻进方向）滑移，从而加速岩屑沉淀，严重时会引起井眼堵塞甚至引发卡钻。上述的天62 - 4 井的第2 次井下复杂情况就是这样出现的。井眼净化程度的影响因素国内外专家通过室内模拟实验和现场观察，研究了井斜角、环空返速、钻井液性能诸因素对井眼净化程度的影响，得出如下结论。11 井斜角除近乎直井外，不管使用何种钻井液，都有岩屑床的形成与存在，井斜提供了其形成的条件，岩屑床厚度取决于井斜角的大小；不管是用清水或具触变性流体作钻井液，环

8、空岩屑总浓度、临界流速（可拖拽走岩屑的最低流速）均随井斜角增大而增大，其最高值在井斜角3060之间；井眼净化程度则随井斜角增加而下降，其最低值也在井斜角3060之间。21 环空返速当环空钻井液返速达到某一临界值时，岩屑床处于沉积与冲蚀掉交迭发生的动态平衡状态。当冲蚀起岩屑时，环空有效面积增大、返速随之下降，岩屑又开始垂沉堆积；继而环空有效面积减小、返速增大，又开始产生冲蚀起岩屑。周而复始。专家指出1 ，井斜角从0增到45时，确保有效拖拽岩屑上返的临界返速增加很快，且其值是直井的几倍。井斜角45左右的斜井段，井眼净化情况的改善以环空返速0 7620 914m/ s 为转折点。笔者确认，提高返速无

9、疑对井眼净化有利，但又存在压耗增加、机泵能力有限、冲刷井壁而促成井壁失稳、当量钻井液密度增高影响钻速等负面效应。31 钻井液性能笔者认为，钻井液性能是大斜度井段改善井眼净化情况的较主要的可控因素。专家认为1 ，钻井液的动切力达01957pa 、塑性粘度达3mpa s 以上，环空返速达01914m/ s 以上，可确保大斜度井段岩屑总浓度不大于5 %。s1s1dkrajui 认为，在环空紊流情况下，钻井液携屑能力一般不受流变性的影响；在层流情况下，高切力、高动塑比可降低环空岩屑浓度，提高携屑能力，其在井斜角 45井段极为明显。m1mortin 认为，触变性在井斜角3070范围内对形成紊流的临界流速

10、影响较大。因为触变性越大斜井段环空低边形成的不动区范围越宽，不利于携屑、冲蚀，易形成岩屑床。辽河油田的经验为，提高低剪切速率下的视粘度，降低高剪切速率下的粘度是提高悬屑、携屑的有效途径。我国学者研究发现2 ，钻井液粘度的升高在未达到某一临界值前，有利于携屑能力的提高，但超过这一临界值携屑能力则随粘度的升高而下降。笔者认为，提高钻井液密度，可提高上返中的钻井液拖拽岩屑的动能，可提高钻井液静态时的岩屑浮力。41 钻具偏心度钻柱中和点位于最大井斜角井段以下时，最大井斜角井段中的钻具偏心度正比于井斜角，岩屑床厚度随钻具偏心度增大而增厚；其他条件相同时，井斜角大于30后，岩屑床厚度增加速度大于井斜角的增

11、加速度。51 钻具直径斜井段钻具直径的增大带来钻具与井眼偏心距减小和环空返速提高，促使钻井液向紊流发展，有利于井眼净化程度的提高，更有利于在有限的机泵条件下钻井液泵量和环空返速的提高。因循环压耗钻具内反比于钻具内径的418 次幂、钻具外反比于井径与钻具外径差值的近2 次幂。61 钻井液的环空流态tomren、iyoho 认为，大斜度井段环空钻井液处于紊流状态，岩屑总会被运移走；有某些岩屑床形成，常被冲蚀破坏掉，岩屑床厚度极不稳定，处于沉积与冲蚀破坏交迭发生的动平衡状态，其携屑能力不受钻井液触变性的影响。大斜度井段环空钻井液处于层流状态，岩屑床总会形成，且形成后再消除较为困难，但又必须主动认真清

12、除。71 钻具与岩屑床的相对状态笔者观察认识到，大斜度井段，钻具相对岩屑床处于“准”静止状态（不活动钻具、滑动钻进、钻具转速 70r/ min 等） ，岩屑床不会受到破坏，且厚度可能会增加；钻具相对岩屑床处于运动状态（上下运动速度0 22m/ s、转速80r/ min） ，会因钻具及其台肩刮、转、挤、碾使岩屑床表面岩屑被抛出重新进入钻井液，小范围破坏岩屑床；且随时间的推移破坏范围扩大。具侧切削能力的钻具组件（钻头、稳定器、健槽扩大器等）旋转或上下运动接触岩屑床，则岩屑床遭到机械破坏，岩屑重新进入环空钻井液。提高大斜度井段井眼净化的途径11 避免形成段长且厚的岩屑床（1） 井眼轨迹设计成井斜角在

13、3060的井段尽量短。（2） 钻铤超过3060井斜角的斜井段，滑动钻井的井段尽量短。（3） 在机泵、井下条件允许的情况下，综合考虑调整环空返速、钻井液粘度、动塑比、触变性等（考虑钻井液的初终切 10pa） ，使3060井段的环空钻井液处于紊流状态。（4） 特殊要求下调低钻井液密度也应慎重。（5） 控制机械钻速或适时停钻循环清屑，控制环空钻井液中岩屑浓度5 %。（6） 条件允许，相对3060井斜角井段的钻具外径尽可能大。21 主动清除岩屑床3060井斜角井段环空钻井液若不能呈紊流状态上返，则主动、定期地清除岩屑床及控制住环空岩屑浓度，应成为必须作业。（1） 适当时机增大泵量配以钻具转动、上下活动

14、，增大环空钻井液非层流程度，部分破坏岩屑床、降低环空岩屑浓度，提高井眼净化程度。（2） 适当降低钻井液的流性指数n ，提高动塑比，辅助清岩，抑制岩屑床增厚。（3） 泵入足够量的高粘切清扫液配以钻具活动，辅助部分破坏岩屑床。（4） 定时间段或定井段长进行短程起下钻、分段循环或对3060井段划眼，破坏清除岩屑床。（5） 起钻前充分循环、起下钻分段循环钻井液，实为提高井眼净化程度变被动为主动之举。（6） 组合一种笔者建议的钻具组合下井，实施“融钻进与清除岩屑床为一体”的作业。组合为：相对于3060井斜角井段的钻具上，加装若干个不具侧、底切削能力的圆角方接头（断面形状似四方方钻铤）。圆角方接头加工成：

15、圆角直径大于钻杆接头直径1620mm ，正四方对边宽距相当于钻杆接头直径，接头长1101 3m。该钻具组合用于旋转钻进或下钻通井。融钻进与清除岩屑床为一体的作业细节可从钻进同时进行扩划眼的工艺技术（钻采工艺19991221 ） 一文中得到启示。（1） 岩屑密度大于钻井液密度、井眼倾斜、钻具不居中必然形成岩屑床，使井斜角3060的斜井段井眼高边到低边环空中岩屑呈粒度、浓度由小到大的分布，形成的岩屑床清除难度大，在钻井液停止循环时，岩屑床极易向井底方向滑动，是井眼净化的危险区。（2） 避免形成段长且厚的岩屑床，应是大斜度定向井设计和施工中十分关注的课题。（3） 条件允许时，调整钻井液泵量、改变井眼

16、与钻具的尺寸配合及调整钻井液性能的综合考虑，使大斜度井段环空钻井液呈现紊流状态，是防止岩屑床带来麻烦的关键因素。（4） 主动定期清除岩屑床的作业是大斜度定向井建井过程中多数情况下的必须作业，需认真对待。（5） 从大斜度定向井快速、安全施工对井眼净化程度的依赖，建议将大斜度定向井定义为井斜角在3086的定向井。推荐大斜度定向井的井眼净化指标为，环空携屑能力lc 0160、环空岩屑浓度ca5 %。（6） 将若干个圆角方接头接于旋转钻进的相对于大斜度井段（或易形成岩屑床的井段） 的钻具上，实施“融钻进与清除岩屑床为一体”的作业，不失为良策。 随着油田勘探程度的提高，进入加密井开发阶段，加密井的不断增

17、多，使井距越来越小，因此进行定向井设计时，需要考虑到邻井的防碰问题，许多井需要采取绕障设计以达到防碰要求。而障碍井的种类主要包括直井、定向井，而存在多口障碍井时的绕障设计并不是单障碍井绕障设计的简单叠加，进行一口定向井的设计时需要考虑到多口障碍井的综合影响，本文通过提出轨道可行域的概念进行二维或三维井眼设计的判断，结合计算机技术，利用试算法进行水平投影设计，对多障碍井三维绕障设计模型进行了较细致的研究。双面绕障井眼轨道设计模型的设计过程如下：确定设计轨道可行域同一般设计一样，在设计前需要知道一些设计条件，如目标靶点的位置，井口位置，造斜段的工具造斜范围，降斜段的工具降斜范围，以及造斜点的位置范

18、围，等等。下面我们以s型井眼为例来说明双面绕障设计法。在设计绕障井时，用来绕障的井段一般都是斜井段。根据井眼轨迹设计的特点，地下岩层构造以及现场施工工具、技术等的情况，地下留给井眼穿越的空间是有限的，这里把井眼可能穿越的空间称为井眼的可行域。如果把设计是展现在柱面图上，那么这个可行域就是如图1的所围区域。可行域的设计方法如下：以设计井的井口点为坐标原点，以垂直水平面的铅垂线为轴，正向向下，以（点为靶点在点所在水平面的投影）直线为轴建立坐标平面。以造斜点可选区间最浅处为造斜点，最大造斜率为造斜率，最小降斜率为降斜率，降斜段末端为靶点设计井眼轨迹abca。此时的最大井斜角设为 。以造斜点可选区间最

19、深处为造斜点，最小造斜率为造斜率，最大降斜率为降斜率，降斜段末端为靶点设计井眼轨迹。此时的最大井斜角设为。这两条轨迹构成一个封闭图形，即轨迹的可行域。障碍物判断设计井眼轨迹之前首先需要进行障碍井的判断，即在可行域内判断共存在几个障碍物，分布形式如何。可以想象，只有邻井在可行域内的井眼部分才对设计井眼构成障碍，我们将障碍井在可行域内的井眼部分称为障碍井段。实际障碍井段的形状可能有很多种，如何系统的描述这些障碍井段呢？为此我们引入“障碍区间”来辅助设计，下面用一个例子来说明障碍区间的概念。如图2所示，障碍物b1、b2、b3和b4在可行域的情况是不一样的，有的是部分阻挡，有的是全部阻挡，部分阻挡也有

20、不同情况。这里障碍物的障碍区间的定义是：在可行域的任一位置，在垂深方向上将可行域这段按0到1从上到下进行平均划分，这时把某一障碍物在这段区间内的所覆盖的最大范围记录下来，就成为这个障碍物在此位置上的障碍区间，而障碍物在s轴上各位置上障碍区间的并集就构成了障碍物在s轴上的最大障碍区间，以下简称为障碍区间。例如图2中障碍物b1的障碍区间是0，0.26，b2的障碍区间是0.53，0.86等等。这里给出了障碍区间，同时也就给出了设计井的设计区间。如果障碍物b1的障碍区间是0，0.26，那么留给设计的区间就是0.26，这样把所有障碍物的障碍区间取并集，然后对其求补集，就得到了设计的可行区间。如果可行区间

21、不为空，那么就在这个区间内进行设计计算，给出设计轨迹。如果可行区间为空，障碍物挡住了所有的可行的路径，那么只有先进行水平投影图的绕障设计，再进行垂直剖面图的设计。在设计绕障水平投影图时，首先要确定需要绕哪一个障碍物，以图2为例，假设这是井口与靶点所在平面展成的柱面图，那么首先就要绕将可行域完全阻挡的障碍物b4，如果没有障碍物b4，但是其它三个障碍物障碍区间的并集为0，1，那么也那么就要看其他障碍物对可行域的阻挡程度，这时选出对可行域阻挡程度最大的障碍物，看剩余障碍物障碍区间的并集是否为0，1，若不是，则可以对这一障碍物进行水平投影图的绕障，若是，则需要重新选择障碍物，直到剩余障碍物障碍区间的并

22、集不为0，1，这时再进行水平投影图的绕障，然后针对其它障碍物进行垂直剖面图的设计。3. 水平投影图绕障设计3.1 选择水平投影图上绕障圆的大小与位置水平投影绕障圆的定义：在水平投影上的井眼轨道设计一般是由线段和圆弧段构成的，而圆弧段所在的圆我们称为水平投影绕障圆。首先我们要根据造斜工具的稳斜扭方位能力和设计相关参数确定最小的方位绕障圆的曲率半径r，（1）由于是稳斜变方位， 为常数，所以,一般来说，水平投影图上的圆弧段选择标准是圆弧段越短越好，所以障碍圆需要选择较小的曲率半径, 但实际钻井工作中的井眼轨道和设计会有一定误差，这就需要我们给出一个可以进行方位调整的空间，因此在作水平投影图方位绕障圆

23、设计时，需要给定一个权系数和最小的方位绕障圆曲率半径相乘，得到的结果作为绕障圆的曲率半径r用于进行绕障弧线的设计。3.2 试算法水平投影设计?绕障路线的选择：在水平投影图上进行多障碍物的绕障时，可能有很多种路线方式，如图所示，当两个障碍物同时在水平投影图上出现时，就可能有三种绕障路线，即左绕、右绕、从两个障碍物中间穿过，如何进行绕障路线的选择？?从中间绕过时，一般需要进行s型轨道的水平投影图设计，这就需要进行多次方位的增减，而水平投影图的设计要尽量避免交替增减方位，最好是持续增方位或减方位。这是因为交替增减方位的应用会增加钻井时的阻力、钻井困难，同时也不利于后续施工作业，所以要尽量避免。?在左

24、绕和右绕的选择上，需要判断障碍区间投影左右两侧距轴的最大距离，从最大距离较小的一侧进行水平投影绕障。?水平投影上的障碍井形状复杂，一般来说水平位移越大的障碍井水平投影范围越大，然而，我们并不需要对整个障碍井的水平投影进行绕障设计，而只需要对障碍井在可行域内井段的水平投影进行绕障设计，这样就相应的缩小了障碍物的范围，减小了绕障设计难度。?单障碍井段水平投影图设计：下面我们以一个定向井障碍为例介绍试算法水平投影设计，如图3-1所示，障碍井段投影外径与轴交于ab两点，首先需要判断出从障碍投影的左侧进行绕障，再作线段ab的中垂线交障碍区间的水平投影左侧于c点，d点在中垂线上,cd长为r，以d为圆心，r

25、为半径作圆d，将d点以十米（可变参数）为一个单位向左平移，每移动一次进行一次水平投影图上的轨道设计，验证一下是否能够绕过障碍物。最终的水平投影设计轨迹如图3-2所示。?验证方法：判断水平投影图上的设计轨道是否与障碍井段的水平投影有交点，若没有，说明设计轨道能够绕过障碍物。?多障碍井段水平投影图设计：对于在水平投影图上有两个或两个以上障碍井段的情况，如图4所示，设计方法为：分别作线段ab、cd的中垂线，然后用试算法设计两个绕障圆分别对两个障碍物进行绕障，对于两个障碍物中间的设计轨道，需要设计一条和两个障碍物都相切的线段，这时水平投影图内的绕障曲线由三条线段和两条弧线构成。?由于障碍井段投影形状的

26、复杂性和多样性，无法利用常规方法确定绕障圆的合理位置，试算法水平投影设计利用了现代计算机强大的运算速度进行绕障圆位置的合理选择，从而实现了优化的水平投影设计。?在水平投影设计完成后需要进行垂直剖面图的井眼设计，垂直剖面图的设计在很多定向井设计类书籍内都有介绍，这里就不做说明了。4.整体井眼轨道设计?将水平投影图和柱面图中的设计轨道综合在一起，就构成了总体的井眼设计轨道。轨迹曲线一般分为：直井段、增斜段、第一稳斜段、稳斜变方位段、第二稳斜段、降斜段。每段的设计公式分别为：5.设计轨道防碰扫描?根据井眼的设计轨迹计算出设计井各点的坐标位置，邻井各点的坐标位置根据侧斜数据经过拟合计算可以得到。防碰扫描就是要算出设计井眼和邻井轨迹之间的最短距离。如果