引言

近年来，冀东油田受地理条件限制，采用人工岛和陆岸平台开发滩涂区域，已实施大斜度大位移井数百井次，平均位移超过2 500 m^[1]。大斜度大位移井易形成岩屑床，是制约安全快速钻井的一大技术难题^[2-8]。针对该问题通过系统深入研究，从岩屑床形成机理认识入手，不断优化钻井液性能、钻井水力参数设计并选用适当携岩工具、材料，逐步形成了一系列水力与机械携岩的配套技术措施，有力保证了大斜度大位移井的安全钻进。

1 影响井眼清洁主要因素 1.1 岩屑床的影响

利用钻井液携岩装置进行实验，模拟钻井液排量和井斜角对环空岩屑浓度影响规律，实验结果如图 1所示，由图 1可以看出：在不同井斜角范围内岩屑具有不同的运移规律，尤其是在井斜角30°~60°内环空岩屑浓度明显升高，易形成岩屑床，增大钻井液返速可降低环空岩屑浓度。

1.1.1 宏观原因

(1) 岩屑沉降速度分解为轴向分量和径向分量，运移规律取决于占主导作用的分量，随井斜角增大，轴向分量逐渐减小，径向分量逐渐增大。井斜角较小时(井斜角0~30°)，岩屑轴向沉降速度较大、径向较小，可以通过提高排量解决携岩问题；井斜角30°~60°井段，岩屑径向速度与轴向速度相当，在下井壁形成不稳定岩屑床；井斜角60°~90°井段，随着井斜角增大，岩屑径向速度增大，轴向速度减小，易在下井壁形成岩屑床。

(2) 钻具受重力作用贴近下井壁，偏心环空宽窄间隙流场分布规律不同，窄间隙钻井液流速减小、剪切速率增大，导致其悬屑、携屑能力减弱，使岩屑易沉积于下井壁形成岩屑床，如图 2所示。

1.1.2 微观原因

假定岩屑为类球形，岩屑床表面单颗岩屑受力分析如图 3所示(v—速度，m/s；$F_{\rm b}$—浮力，N；$F_{\rm g}$—重力，N；$F_{\rm L}$—举升力，N；$F_{\rm D}$—拖曳力，N；$F_{\Delta \rm p}$—压力，N；$\alpha$—井眼倾角，°；$\phi$—岩屑床休止角，(°))。通过接触点A%(沿$\theta$方向)与岩屑重心作用在岩屑上的作用力包括静力(浮力，重力和塑性力 )和动力(拖曳力，举升力及压力 )。环空倾角较大时，井眼余角$90-\alpha$大于岩屑休止角$\phi$时，即在下井壁形成固定岩屑床，而当井眼余角$90-\alpha$小于岩屑休止角$\phi$时，岩屑以滚动或举升形式脱离岩屑床表面。

1.2 井液固相颗粒的影响

在大井斜角井段，钻具处于下偏心状态，大颗粒岩屑在钻具旋转和滑动作用下被碾压破碎成粒径更小颗粒，导致钻井液固相含量升高，井眼清洁程度变差，直接表现为井下循环当量密度(ECD)不断升高，造成钻速下降，起下钻抽吸压力升高，摩阻、扭矩增加等，不利于大位移井的安全钻进^[9-11]。图 4是环空压耗随固相含量增加的变化趋势图。

2 保证井眼清洁的技术措施

理论研究表明，在井斜角较大井段紊流条件下井眼净化效果较好^[12-13]。但提高环空返速受机泵设备额定功率、井下马达工作条件、沿程压力损失、井壁稳定等因素制约，不能仅靠提高排量的方法提高井眼清洁程度。因此，需要优化设计大斜度大位移井钻井液性能，配合清岩工具及监测技术等工艺技术措施，才能保证高效的井眼清洁水平。

2.1 保证井眼清洁的技术与措施

环空钻井液返速是影响大位移井岩屑沉积的主要因素，此处定义保证安全钻进的极限岩屑床高度所对应的钻井液返速为环空临界流速。针对环空临界流速的研究，前人做了大量细致工作^[1]，计算方法见式(1)~式(3)。先假定初始环空返速，采用试算法计算岩屑床高度，与极限岩屑床高度进行对比，若不符合要求，则提高环空返速，直至岩屑床高度符合安全钻进的要求，最终确定环空临界流速。

${T_{{\rm{CB}}}} = 0.015{D_{\rm h}}\left( {{\mu _{\rm{e}}} + 6.15\mu _{\rm{e}}^{0.3}} \right)\cdot \\{\kern 40pt}\left( {1 + 0.587\xi } \right)\left( {{v_{\rm{c}}} - {v_{\rm{a}}}} \right)$

(1)

${v_{\rm{c}}} = 0.4{\left[{\dfrac{{\left( {{\rho _{\rm{s}}} - {\rho _{\rm{m}}}} \right){d_{\rm{s}}}}}{{{\rho _{\rm{m}}}}}} \right]^{0.667}}\cdot\\{\kern 40pt}\left[{\dfrac{{1 + 0.71\theta + 0.55\sin \left( {2\alpha } \right)}}{{{{\left( {{\rho _{\rm{m}}}{\mu _{\rm{e}}}} \right)}^{0.333}}}}} \right]$

(2)

${\mu _{\rm{e}}} = K{\left( {\dfrac{{2n + 1}}{{3n}}} \right)^n}{\left( {\dfrac{{12{v_{\rm{a}}}}}{{{D_{\rm{h}}} - {D_{{\rm{po}}}}}}} \right)^{n - 1}}$

(3)

式中： $T_{\rm CB}$—岩屑床厚度，mm；

$D_{\rm h}$—井眼直径，mm；

$\mu _{\rm e}$—钻井液有效黏度，mPa·s；

$\xi $—钻具偏心度，mm；

$v_{\rm c}$—临界速度，m/s；

$v_{\rm a}$—环空钻井液返速，m/s；

$\rho _{\rm{s}}$—岩屑密度，kg/L；

$\rho _{\rm{m}}$—钻井液密度，kg/L；

$d_{\rm s}$—岩屑当量直径，mm；

$\theta$—系数，无因次；

K—钻井液稠度系数，Pa$\cdot {s}^n$；

n—钻井液流性指数，无因次；

$D_{\rm po}$—钻具外径，mm。

确定环空临界返速后，通过式(4)计算所需的钻井液最小携岩排量。

${Q_{\rm{a}}} = \dfrac{\pi }{{4000}}\left( {D_{\rm{h}}^2 - D_{{\rm{po}}}^2} \right){v_{\rm{a}}}$

(4)

式中： $Q_{\rm a}$—最小携岩排量，L/s。

按临界岩屑床高度为井眼直径的10%考虑，计算大位移井不同井眼尺寸的施工参数进行排量参数优化设计，结果见表 1。现场钻井实践表明，各井均实现了安全钻进。

2.2 钻具组合(EHCDP)清除岩屑床

偏心环空高边流速高于环空低边流速，为改善环空低边恶劣的携岩环境，在大位移井钻具组合中添加了高效率岩屑床清除钻杆(EHCDP)，其示意图如图 5所示。该工具通过螺旋流道对钻井液进行导向，对下井壁形成的岩屑床形成冲击作用，并将岩屑卷入槽道，在离心力作用下将其甩向高边，具备较强的岩屑床清除作用。

应用计算流体动力学对高效率岩屑床清除钻杆作用下环空流体的流动特性进行数值模拟。模拟参数：井眼直径215.9 mm，偏心距15 mm，钻杆外径127.0 mm，螺旋槽道最大外径165.1 mm，钻杆外表面(内壁面)为旋转壁面，转速60 r/min。进口采用速度作为边界条件(1.5 m/s)；出口采用压力作为边界条件(30 MPa)。

采用滑动网格技术进行空间网格划分，流场控制方程在每个子域内进行求解。整个流体区域采用全六面体网格进行划分。网格划分如图 6所示，蓝色区域和红色区域分别代表不同的计算域。

基于计算流体动力学控制方程，选用湍流模型，湍动能和湍动耗散率的输运方程为

$\dfrac{{\partial (\rho k)}}{{\partial t}}\! +\! \dfrac{{\partial (\rho k{u_i})}}{{\partial {x_i}}} \! =\! \dfrac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[{\left( {\mu + \dfrac{{{\mu _{\rm t}}}}{{{\sigma _k}}}} \right)\dfrac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right] \! +\! {G_{\rm k}} \! - \! \rho \varepsilon$

(5)

$\dfrac{{\partial \left( {\rho \varepsilon } \right)}}{{\partial t}} + \dfrac{{\partial \left( {\rho \varepsilon {u_i}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \dfrac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[{\left( {\mu + \dfrac{{{\mu _{\rm t}}}}{{{\sigma _\varepsilon }}}} \right)\dfrac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_j}}}} \right] + \\[5pt]{\kern 40pt}\rho {C_1}E\varepsilon - \rho {C_2}\dfrac{{{\varepsilon ^2}}}{{k + \sqrt {\upsilon\varepsilon } }}$

(6)

式中： $\rho$—密度，kg/m³；

k—单位质量湍动能，m²/s²；

t—时间，s；

u—速度，m/s；

$\mu$—动力黏度，Pa·s ；

$\mu_{\rm{t}}$—湍动黏度，Pa·s；

$\sigma_{\rm{k}}$—湍动能对应的普朗特数，无因次；

${{G}_{\rm{k}}}$—平均速度梯度引起的湍动能产生项，N/(m$^2\cdot$s)；

$\varepsilon$—单位质量湍动能耗散率，m²/s³；

$\sigma_{\varepsilon}$—湍动耗散率对应的普朗特数，无因次；

$C_1$，$C_2$—经验系数，无因次；

E—时均应变率，s$^{-1}$；

$\upsilon$—分子运动黏性系数，m²/s。

下标i,j—径向方向，切向方向。

图 7为环空钻井液三维流线图，可以看出：流体流经螺旋槽道后，环空流体呈现出从低边流向高边的趋势，岩屑运移轨迹是从偏心小环空到大环空，这样有利于携岩。

图 8和图 9分别为窄环空流体切向速度和动压力径向分布规律。

综合图 7和图 8可见：与普通钻杆相比，螺旋槽道改变了流体切向速度方向和大小，表明在这个区域内形成涡，切向速度更大；同时其压力波动也较大，靠近井壁处具备更高的动能，在两者的共同作用下，贴近井壁的岩屑更容易被冲刷，从而进入流速更高的区域进行运移。

2.3 钻井液性能的要求与固相控制

保持良好的钻井液流变性能和较强的悬浮性是提高钻井液携岩效果的有效途径，科研人员做了大量评价实验^[11-12]，结果表明，随钻井液流变参数值增加，环空岩屑总浓度降低；不同钻井液流速对流变性能影响较大，控制动塑比在0.5 Pa/(mPa·s)左右是比较适宜的。

针对油田常用的聚合物钻井液体系，室内评价分析了不同流型调节剂在不同加量下对钻井液表观黏度和动塑比的影响(图 10)，优选使用不同流型调节剂类型和加量，满足动塑比达到0.5~0.8，并控制$\phi_3$=3~6、$\phi_6$=6~10($\phi_3$，$\phi_6$—黏度计在转速为3和6时的读数)，保持钻井液的悬浮能力，达到室内评价实验标准。另外充分利用固控设备，加强四级净化，振动筛筛布大于120目，除砂器、除泥器运转率必须达到100%，离心机运转率达到90%以上，从而尽量降低钻井液中的有害固相含量，保证钻井液清洁。

2.4 携岩处理剂的使用

针对大肚子、糖葫芦等特殊井段使用常规技术无法彻底清岩的难题，引进清洁纤维作为携岩处理剂，具备安全环保、惰性、高分散性、强悬浮性等特性。

以南堡32-3626井为例，该井三开井径极不规则，存在多个大肚子井段，最大井径扩大率113%，平均井径扩大率16%，最大狗腿度5.68°/(30 m)，在钻具输送电测完井期间多次发生黏卡现象，解卡后划眼过程中又出现掉块，应用大排量洗井、稀稠浆举砂等常规方法均未取得明显效果。为解决携岩难题，决定采用浓度0.14%清洁纤维进行携砂，充分循环后在振动筛出口处返出携带大量细砂和虚泥饼的纤维，如图 11所示。

为更好满足携岩要求，在混入清洁纤维之前，将该井钻井液漏斗黏度由80 s提至110 s。现场的应用结果表明，该材料可快速增加钻井液携带能力而不影响其他性能(表 2)。通过几口井的试验应用，成功解决了复杂井眼条件下的清岩问题，具有良好的推广前景。

2.5 现场配套工艺与井眼清洁监测技术

现场坚持应用大斜度大位移井携岩配套工艺措施，以保证井眼清洁和钻进安全：

(1) 在钻机设备负荷允许的条件下，尽力提高顶驱转速达到100 r/min以上，搅动破坏岩屑床；

(2) 定期进行短起下和划眼，起钻前尽力提高排量、充分循环。$\phi$444.5 mm、$\phi$311.1 mm、$\phi$215.9 mm井眼分别每钻进200，150~200，100~120 m短起下一次；

(3) 对不规则井眼，进行稀稠浆携沙，全力开启固控设备，清除有害固相；

(4) 控制机械钻速，观察岩屑返出情况，有异常立即采取洗井措施；

(5) 若上述方法取得的效果不好，可更换BHA(如采用柔性钻具)进行通井。

在实施大位移钻井过程中，应采用实时监测技术，即基于岩屑分层运移模型，将立压转换为井底循环钻井液当量密度(ECD)，得出理论环空无岩屑床ECD曲线和理论上环空存在一定厚度岩屑床ECD曲线^[11-12]。对比分析两条曲线，可实时监测环空井眼清洁状况，当ECD异常时即可采取相应的技术措施及时清除岩屑床。

南堡4-57井三开的井眼清洁程度见图 12。

南堡4-57井基本参数为：三开稳斜井段3 750~5 100 m，井斜角52.55°，钻井液排量30 L/s，密度1.20 g/cm³，塑性黏度25 mPa·s，流性指数0.67，稠度系数0.58 Pa$\cdot {s}^{0.67}$，岩屑密度2.75 g/cm³。假定临界安全岩屑床高度为10%，计算方法出最小施工排量为25 L/s。当排量为30 L/s时形成的理论岩屑床高度为9%，参考图 12中有岩屑床和无岩屑床存在时井底ECD变化趋势，依据变化曲线判断岩屑运移情况，当ECD异常时可以通过降低机械钻速、提高排量、增加转速、短起下等方式改善井眼流动环境。

3 结语

(1) 利用水力学计算模型优化设计临界排量，较好地满足了大斜度大位移井的安全钻进施工。

(2) 采用高效岩屑床清除钻杆、清洁纤维等工艺技术，可有效解决常规洗井措施难以解决的不规则井段的岩屑床清除问题。

(3) 基于井眼监测模型，实时监测井底ECD变化规律，指导大斜度大位移井稳斜段的安全钻进。

(4) 适用于冀东油田大位移井的井眼清洁技术，可指导后续大斜度大位移井的施工，保证大斜度大位移井的安全钻进。