水平井水力设计问题

1、第三章 水平井环空携砂效果分析 在水平井钻井过程中，因钻具靠近下井壁，形成了偏心环空，随着钻头破碎岩石的不断进行，岩屑逐渐积聚起来形成岩屑床。岩屑床的形成就可能导致钻井中的高扭矩、高摩阻、粘卡以及泥包钻头等一系列不利因素，这一切都与井眼的清洁状况有关。因此，水平井环空携岩效果的好坏对水平井钻井起着关键的作用。 影响环空携岩的因素很多，如环空返速、钻井液类型、钻井液流变性、钻井液密度、环空尺寸、钻具偏心度、钻具尺寸、钻速、转速、岩屑尺寸、井眼倾角等。这些影响因素可分为可控因素与不可控因素，在机泵条件给定的条件下，实际地面可控因素只有钻井液的流变性与环空返速。因此，在水平井钻井过程中，对钻井液的流

2、变性能和环空返速进行探讨，对于减少复杂情况的发生，有效地提高水平井钻井速度，降低钻井成本都有非常重要的意义。第一节 水平井作业中遇到的洗井问题 水平井技术是国家“八五”期间重点科技攻关项目，从现场施工情况来看，在钻井过程中，因井眼不清洁而发生复杂情况也普遍存在，归纳起来主要有两条主要原因：l 实际环空返速小，满足不了携岩要求；l 钻井液流变参数携岩能力差。 从直井段到斜井段至水平井段，岩屑在环空中运移规律表现出明显的不同，基本上可用井斜角表示：即0°30°，30°60°，60°90°。本文依次称为第一洗井区，第二洗井区，第三洗井区。理

3、论分析认为在三个冼井区中，第一洗井区用层流携岩最佳。第三洗井区用紊流携岩最佳，第二洗井区层紊流和均可。但对于现场实际情况，由于大斜度井段和水平井段钻进时使用动力钻具，而动力钻具又受到大排量的限制，所以环空很难达到紊流流态。大量文献资料表明：环空返速是影响环空携岩的主要因素。因此，对一口水平井来讲关键是合理设计返速，也就是说要合理地根据地质，钻具结构，钻井液流变性等一些特定条件控制好排量，更好地解决携岩问题。对于第二洗井区，岩屑会下滑至井底，这一现象国外称为“Boycott”效应，此效应的后果十分严重，轻则会起下钻遇阻，钻进扭矩大，重则会发生卡死，扭断钻具等重大事故。国外学者一致的观点是使用大排

4、量洗井。诚然，大排量洗井是清洗该洗井区的有效方法，但不是最佳的方法，因为大排量有可能会造成冲垮井壁，形成大肚子，给以后钻进形成更大的隐患，再者，地面设备或者钻具条件限制也可能实现不了这一措施，因此这就需要根据具体条件来实行最好的水力方案。从现场来看，水平井水力参数的设计缺乏充实的理论依据，基本还是套用直井水力参数的设计方法。第二节 水平井钻井中钻井液流变参数的合理范围 确定合理的钻井液流变参数无疑是水平井作业中实现“安全、快速、优质、低成本”的保证。能不能有效地携岩，洗井是水平井作业一个最关键的问题。钻井液很重要的功用就是充当载体，把井底的岩屑携带到地面上来，使钻井液发挥最大作用的关键是合理匹

5、配好表征钻井液各种特性的流变参数。1、常用的流变参数 钻井液流动和变形的特性称为钻井液的流变性，表示钻井液流变特性的参数叫流变系数。流变参数通常指切力，表现粘度，塑性粘度，静切力，稠度系数，动塑比、流性指数等。钻井液的流变性能对解决以下钻井问题具有很关键的作用：l 维持井底清洁，保证钻井过程连续不断；l 悬浮岩屑，维持要求的钻井液密度；l 防止钻井液对井壁冲刷，保持井眼稳定，杜绝井塌、井漏等恶性事故；l 降低环空压耗。2、三个洗井区对钻井液流变参数的特殊要求 （1）第一洗井区（0°-30°） 在此洗井区基本类似直井携岩情况，从保证井眼净化要求这一角度，只要能够保证下列式子成

6、立，就能够安全地钻进。 从流态上考虑，实验结果早已表明，紊流携岩效果比层流好，而平板型层流携岩除具备紊流携岩的优点外，还有井壁冲刷小，钻具及地面泥浆，高压管汇冲蚀小等优点，所以追求用平板型层流携岩是比较理想的，此洗井区绝大部分环空尺寸为12-1/4"×5",排量因地面设备能力限制一般为40l/s以下，难于达到紊流。 对于常用的幂律流体（Power-Law），达到平板型层流的条件： N=，K=（）PV式中：PV：塑性粘度 0.1Pa·s·(dyn·s/cm2)k：稠度系数n：流性系数 如果钻井液的流变规律得到充分的认识，在这一洗井区比较

7、好的措施是通过对钻井液流变性能的调整，使钻井液的流变参数符合相应流变规律下的平板层流条件。 （2）第二洗井区（30°-60°） 在该倾角范围内，大部分岩屑沉聚在下井壁，形成岩屑床。宏观上讲环空内的流动状态为非均称悬浮，岩屑以移动床、固定床形式出现；微观上讲床层表面的岩屑颗粒以悬浮，跃移、层移的形式沿井轴向上运动。 在第二洗井区，携岩效果的好坏关系着一口水平井钻探的成败，这主要是因为岩屑在第二洗区有其特殊的运动规律（岩屑床易下滑至井底），这种岩屑运移的固有特性造成了第二洗井区携岩的极大困难，在斜井段大颗粒岩屑浓度增大，非加重钻井液在环空返速为0.6m/s的条件下，井斜角为30

8、°时环空岩屑量常常是直井中的3-4倍，井斜角接近45°时岩屑出现危险情况，钻进时岩屑成层下滑，当循环停泵后岩屑会迅速沉洛到井底。 “Boycott”效应的机理可以这样描述，在斜井段，钻井液中的岩屑重力作用方向不与井眼轴线方向相重合，岩屑在运移过程中，由于在径向作用有力（重力与浮力的合力分量），因而在径向力的作用下产生径向速度，其结果岩屑逐渐下沉至下井壁，这是一个连续作用的过程。在横截面上，从上井壁到下井壁的钻井液密度不均一，而产生密度梯度。大量岩屑在下井壁的积聚就会形成岩屑床，而密度梯度的存在必然导致横截面上压力不平衡；结果会造成局部对流趋势，较轻的钻井液向上运动，而岩屑床

9、则向下运动，从而加速沉淀。显然，通过增大钻井液的环空返速或者提高钻井液粘度和切力，轻微的岩屑床下滑效应是能够减缓的。 由上面的分析可以看到，井斜角对岩屑床下滑效应起着主导作用，在直井情况下，岩屑是整体在全井筒的钻井液中产生沉淀，可以说几乎很少有井壁的作用，但在水平井情况下，岩屑颗粒则沉聚在下井壁，导致钻井液出现径向上固相浓度的差异。 钻井液流变性对环空岩屑的运移的影响虽然不如环空返速，钻井液密度和井斜角那么大，但也是相当明显的，其影响程度主要取决于钻井液的环空返速和井斜角的大小。 在正常钻进时，环空岩屑浓度主要与下列流变参数有关，屈服值动塑比、有效粘度、塑性粘度、稠度系数、六速范氏粘度计切力、

10、初始切力和10分钟切力等，理论研究表明，如果井眼倾角较小，并且环空返速较低时，钻井液流变性能对岩屑浓度影响很大。 在第二洗井区，如果由于其它原因环空返速较小(如采用动力钻具，额定排量小)那么从清洗环空的角度来讲，在具体的钻井条件许可的情况下，宜采用高限的流变参数来提高钻井液的携岩能力。 (3)第三洗井区(60°-90°) 在大斜度环空井眼内，岩屑的形成是必然的，宏观上岩屑以固定模型出现，也就是说在此倾角范围内，不存在岩屑床下滑问题。 钻井液流变参数对携岩效果的影响基本上与第二洗井区相似。大斜度井段的岩屑运移不再完全依赖于钻井液的引力，所以用固相颗粒下沉速度来预测井况就不合适

11、。大斜度井中的岩屑在井眼底侧形成了岩屑床，一旦形成，钻具将不同程度地嵌埋进去，岩屑床越厚，越易造成卡钻事故，这就要求钻井液具有适宜的静切力和屈服值，使岩屑在水平段、大斜度井眼环空中形成非均相浮体，达到携岩的效果。 上面从理论上分析了三个洗井区钻井液流变参数的特殊要求，总而言之，水平井净化井眼的关键是在第二洗井区，可以说，如果忽略了第二洗井区携岩问题的严重性，没有针对在此洗井区钻井过程中发生的具体情况加以合理调整钻井液的流变参数，就有可能导致以下复杂情况。 岩屑床沿下井壁下滑至井底，造成钻进产生高扭矩，起钻遇阻，并且钻压不能有效地传递到钻头工作面而影响机械钻速。 井底岩屑被钻具滚、挤、碾压成更细

12、碎的小颗粒，使钻井液中微细颗粒剧增，这样既加剧了粘度和切力在短时间内上升，又给处理钻井液增加了难度和频度，并且还降低了机械钻速。 增加了下套管和固井的难度，水泥封固质量不佳，从而引理起了油气水层乱窜。 会使井下作业更加困难，测试工具受阻，成功率下降，甚至难以进行。 岩屑在井底的沉聚会致使井眼堵塞，如果比较严重则会引起卡钻等之类的恶性事故，严重妨碍钻井作业的正常进行。 上述结果会导致水平井钻井成本的大幅度升高。第三节 钻井液流变参数合理范围的标准 在直井段或者近直井段，亦即在第一洗井区，判断井眼环空是否干净，表征钻井液携岩能力大小的标准是岩屑运移比，但在斜井段和大斜度井段钻井液携岩能力的评估，原

13、因是由于在斜井段和大斜度段岩屑下沉速度和钻井液平均上返速度矢量不在同一方向上，所以仍按直井段或近直井段携岩效果好坏的标准来计算是不科学的。定向钻井中钻井液携岩效率用以下公式来代表： Rtg ：岩屑输送比 Cf：岩屑输入浓度 Cvt：环空岩屑总浓度 此外，国内外许多学者提出了关于斜井的环空携岩效果好坏的标准，有的用岩屑床高度，岩屑床面积，有的用不淤积临界流速，最小环空返速等。对于现场来说，象环空岩屑总浓度、实际环空流动面积，岩屑床高度这些因素都不能定量实测，因此用这些标准来评价一口实钻水平井斜井段携岩效果的好坏，只具有理论上的指导意义而不能直接应用于现场。 目前还没有关于斜井段和大斜度井段携岩效

14、果好坏的标准，本文从定性的角度来确定钻井液流变参数的合理范围，其主要原则是： 振动筛筛面滤去的岩屑量与钻进速度相比正常； 钻井液各种性能稳定； 水平井钻井工况正常； 地质录井捞取的砂样各层位界限明显纯净、无混杂，泥岩和砂岩的岩屑分隔清晰。 符合这些定性原则，就认为在相应情况下钻井液流变参数相对于清洗环空井段比较合理；而对在相应层位造成岩屑床沉积过厚引起卡钻迂阻、转盘扭矩异常大，录井砂样混杂，界限不明显等现象，就认为钻井液的流变参数不利于环空携岩，此外，泥浆振动筛筛面岩屑返出量减少或者说直接见不到岩屑返出，这表明钻井液流变参数携岩能力较差的最为明显的标志。当然，有时扭矩过大，起下钻遇阻、遇卡并非

15、起因于钻井液流变参数携岩能力差，而是由于井眼轨迹不好，钻井液润滑性不好或者井壁因水化膨胀而垮塌所致，这就需要对具体情况进行分析。第四节 各洗井区流变参数的合理范围 水平井钻井中使用的钻井液是非常复杂的混合体，配方不同、处理剂的种类不同，就会得到不同的流变性能。确定比较合理的钻井液性能范围，特别是对表征钻井液携岩能力的流变参数，有不同的确定方式。严格地讲，有关钻井液的问题是个非常复杂、多因素的问题；各种流变参数都是相互制约、互相影响的。如果试图用比较通用的函数关系式表示出它们之间的相互关系，工作非常艰巨繁重。用钻井液密度来作为各钻井液性能的因变量；可简化评估工作，且这一观点也普遍为广大从事钻井液

16、研究的科研人员所接受，钻井液密度作为钻井液性能中唯一一个由外界因素决定大小的参数，是确定固相多少的决定性因素，而固相合量的多少以及各种固相组分的比例分配，决定了钻井液流变性能和常规性能，各项钻井液性能作为钻井液密度的单值函数，基本上是由大量的经验数据统计而得到的，显然，统计得到的合理范围离不开实际的钻井条件，同时也要需要根据水平井钻井液技术研究的不断深入和对水平井的大量统计，来进行完善和修正。第五节 水平井钻井水力参数的设计方法 水力参数设计要满足利用水力能量，稳定井壁，净化环空和经济可行的要求，其重要的一点就是根据钻井设备，工艺技术和地层条件使水力参数、钻井参数以及钻井液的性能相互适应合理匹

17、配。 在设计水力参数时，如何选择合理的环空返速是水力参数设计必须考虑的一个问题。 在第一洗井区，选择环空返速要要据泥浆泵的缸套大小，钻井液性能和地层条件的影响。返速过大不仅导致环空压耗增加，钻头的水力功率减少，而且冲刷井壁严重，造成井径扩大，给斜井段的定向造斜造成很大困难。如果环空返速过小又不能有效地携带岩屑，造成环空岩屑浓度过大，轻则起下钻遇阻遇卡，重则会造成环空堵塞，压漏地层或者扭断钻具。合理的环空返速应在保证井下安全的前提下，充分发挥泥浆泵的水力功率；有效地减少钻井过程中的井底压差。一般认为井眼净化能力大于或等于0.5；即钻井液环空返速应大地或等于岩屑下滑速度的两倍，环空能得到很好和净化

18、。但对于大井眼，就有可能实现不了这一条件。水平井钻井实践表明，对311mm以上的大井眼，环空流态一般为层流，这实际上对稳定井壁净化井眼是有好处的，对215.9mm的井眼，由于水平井钻井的特殊性，环空流态一般也为层流，理论上的研究证实在第三洗井区用紊流来清洗井眼效果最好，因为现场很难实现这个条件，这就需要在层流条件下合理调整水力参数，使井底岩石减少到最低程度，在第二洗井区因为岩屑床易下滑至井底，给钻井作业带来隐患，从钻井液流变参数方面寻求比较合理的方案来提高携岩效率固然重要，但若合理调整水力参数，使岩屑床不下滑或尽量减少下滑这种趋势对于第二洗井区的正常钻进和下一步水平段作业也是非常重要的。1、 第一洗井区水力参数设计方法： Vs：颗粒下滑速度； Va：环空返速； d1,d2：环空内外径； ：机械钻过，K=0.8层流，K=1.0紊流 min-环空最小返速 m/s2、第二洗井区水力参数设计方法 第二洗井区是一口水平井清洗井眼最关键的井段，从环空携岩这个角度来说，比较理理想的状况是不在井眼底部位形成岩屑床成层下滑到井底，给钻井作业造成严重的困难。基于这一思想，建立第二洗井区岩屑运动模型。岩屑床运动模型描述的是正常钻进时第二洗井区形成的岩屑床钻井液的剪切应力，床层底部与井壁的摩擦力以及岩屑受到的重力和浮力达到一种动平衡状态，也就是说