定向井的井眼凈化問題

1、定向井的井眼凈化問題目 錄1大斜度定向井及井眼凈化的內(nèi)涵2鉆井液性能33鉆具的研究104水平投影圖繞障設計115結論 15致謝16參考文獻17附錄：附加圖、表18 3摘要從天62 - 4 井井斜角4143井段井眼凈化不好引發(fā)起鉆遇卡、憋泵及消除這一井下復雜情況的實例出發(fā)，引申論述定向井及水平井的大井斜角井段井眼不清潔的危害、巖屑床形成的原因及其影響因素，介紹清除巖屑床、提高井眼凈化程度的途徑，并警示井斜角3060的斜井段是井眼凈化危險區(qū)；巖屑床形成容易清除較難，預防形成巖屑床需從多方設法，清除巖屑床則需積極主動對待。建議重新定義大斜度定向井，推薦大井斜角井段井眼達凈化程度的指標，推薦“融鉆進與

2、清除巖屑床為一體”的作業(yè)工藝。針對油田開發(fā)后期密井網(wǎng)多障礙井眼繞障設計問題，提出了雙面繞障井眼軌道計算機設計模型，通過對軌道可行域、障礙區(qū)間等設計概念的定義，實現(xiàn)了對不規(guī)則形狀障礙的計算機模擬。模型運用了水平投影圖和垂直剖面圖實現(xiàn)井眼軌道的繞障設計，在水平投影圖上運用計算機試算法進行軌道設計，可以得到相對優(yōu)化的設計結果，最后綜合水平投影圖和垂直剖面圖的設計，得到整體設計方案并運用防碰掃描驗證設計的可行性。此模型不需要考慮障礙井的具體形狀，便于用程序實現(xiàn)，具有良好的通用性62 - 4井鉆達1687122m時，起鉆于15251490m 出現(xiàn)嚴重遇卡、憋泵。經(jīng)反復活動鉆具、循環(huán)鉆井液及劃眼等措施，歷

3、時815h ， 井下情況轉為正常。判定出現(xiàn)這一井下復雜情況的原因為1 687122m（井斜46125、方位257）1 430m（井斜40150、方位255） 井段井眼凈化不好，環(huán)空鉆井液中懸浮的巖屑和沉積于下井壁的巖屑床在作怪。筆者就大斜度井段的井眼凈化不好帶來的危害、形成原因、影響因素及提高井眼凈化的途徑等問題，論述如下。 大斜度定向井及井眼凈化的內(nèi)涵行標定義最大井斜角在6086的定向井為大斜度定向井。最大井斜角 86的井定義為水平井。應該說水平井是大斜度定向井井斜角增大的延伸，同樣面對井眼凈化的問題。天62 - 4 井最大井斜角49175，1 4901 525m井段的井斜角為41 542

4、5，依行標定義不屬于大斜度定向井。但結合定向井快速、安全施工對井眼清潔的依賴程度，筆者認為有必要對大斜度定向井進行重新定義。鉆井手冊甲方以環(huán)空攜屑能力lc 015 和環(huán)空巖屑濃度ca 9 %定義為直井已具備被凈化的條件指標。尚未見大斜度定向井斜井段井眼被定義為凈化的定量指標。但筆者認為應予探討。定向井大斜度井段井眼不清潔形成的原因及危害 鉆柱軸線偏離井眼軸線其偏離程度隨井斜角的增大而增大，最終與井眼低邊接觸，沿（或逼近） 井眼低邊移動或滾動，為巖屑床的形成及發(fā)生壓差卡鉆提供了物理模型。 鉆井液流動軸線速度分量小鉆柱軸線嚴重偏離井眼軸線而靠近或接觸井眼低邊，使井眼低邊的近90夾角的環(huán)空鉆井液流動

5、軸線速度分量幾近于零、切向分量自井眼高邊向井眼低邊遞減直至接近零（鉆具轉動時）或為零（鉆具滑動時） 。則促成這近90夾角的環(huán)空中的巖屑既不能被鉆井液拖拽返向井口，又被碾壓成更細顆粒壓實巖屑床、加劇鉆井液的粘切效應，影響鉆速。巖屑密度大于鉆井液密度因巖屑密度大于鉆井液密度，巖屑趨向沉積于井眼低邊形成巖屑床，井眼低邊近90夾角的環(huán)空的巖屑床的厚度隨時間的推移而加厚。加厚了的巖屑床引起鉆具扭矩增加、上下運動阻力增加、鉆壓不能全部傳遞給鉆頭而影響鉆進。 巖屑床的存在會使下井的測試工具、測井儀器受阻，作業(yè)成功率下降甚至難以進行；會使下套管、固井作業(yè)困難，水泥封固質(zhì)量差。國外專家研究認為1 ，斜井段的井斜

6、角達到第一個臨界值（2535）時，巖屑顆粒（其密度大于鉆井液密度） 在重力足以使其脫離鉆具與井眼高邊近270包角的環(huán)空鉆井液下沉，滯留在環(huán)空下側并滑向液流的相反方向（即井底方向）；斜井段的井斜角達到第二個臨界值（5565） 時，井眼低邊的巖屑床停止向井底方向滑動。井斜角在3060范圍內(nèi)的井段，最容易出現(xiàn)巖屑軸線上返速度為零、軸向滑向鉆進方向的滑落速度大于零、沉向井底低邊的沉降速度大于零而形成巖屑床，且發(fā)生巖屑床向鉆進方向滑動的情況，這無疑易造成井下復雜情況，乃至鉆進進行困難。研究結果還指出1 井斜角達4050及其以上鉆井液則發(fā)生“booycott 沉淀”，其結果是靜態(tài)下井眼高邊到低邊環(huán)空鉆井液

7、中懸浮的巖屑顆粒的粒徑和濃度均呈由小到大的垂直分布，沉積于井眼低邊的巖屑則形成巖屑床，并由此引起井眼橫斷面上的鉆井液密度差而形成壓力不平衡，造成局部對流趨勢，使巖屑床向下（鉆進方向）滑移，從而加速巖屑沉淀，嚴重時會引起井眼堵塞甚至引發(fā)卡鉆。上述的天62 - 4 井的第2 次井下復雜情況就是這樣出現(xiàn)的。井眼凈化程度的影響因素國內(nèi)外專家通過室內(nèi)模擬實驗和現(xiàn)場觀察，研究了井斜角、環(huán)空返速、鉆井液性能諸因素對井眼凈化程度的影響，得出如下結論。11 井斜角除近乎直井外，不管使用何種鉆井液，都有巖屑床的形成與存在，井斜提供了其形成的條件，巖屑床厚度取決于井斜角的大小；不管是用清水或具觸變性流體作鉆井液，環(huán)

8、空巖屑總濃度、臨界流速（可拖拽走巖屑的最低流速）均隨井斜角增大而增大，其最高值在井斜角3060之間；井眼凈化程度則隨井斜角增加而下降，其最低值也在井斜角3060之間。21 環(huán)空返速當環(huán)空鉆井液返速達到某一臨界值時，巖屑床處于沉積與沖蝕掉交迭發(fā)生的動態(tài)平衡狀態(tài)。當沖蝕起巖屑時，環(huán)空有效面積增大、返速隨之下降，巖屑又開始垂沉堆積；繼而環(huán)空有效面積減小、返速增大，又開始產(chǎn)生沖蝕起巖屑。周而復始。專家指出1 ，井斜角從0增到45時，確保有效拖拽巖屑上返的臨界返速增加很快，且其值是直井的幾倍。井斜角45左右的斜井段，井眼凈化情況的改善以環(huán)空返速0 7620 914m/ s 為轉折點。筆者確認，提高返速無

9、疑對井眼凈化有利，但又存在壓耗增加、機泵能力有限、沖刷井壁而促成井壁失穩(wěn)、當量鉆井液密度增高影響鉆速等負面效應。31 鉆井液性能筆者認為，鉆井液性能是大斜度井段改善井眼凈化情況的較主要的可控因素。專家認為1 ，鉆井液的動切力達01957pa 、塑性粘度達3mpa s 以上，環(huán)空返速達01914m/ s 以上，可確保大斜度井段巖屑總濃度不大于5 %。s1s1dkrajui 認為，在環(huán)空紊流情況下，鉆井液攜屑能力一般不受流變性的影響；在層流情況下，高切力、高動塑比可降低環(huán)空巖屑濃度，提高攜屑能力，其在井斜角 45井段極為明顯。m1mortin 認為，觸變性在井斜角3070范圍內(nèi)對形成紊流的臨界流速

10、影響較大。因為觸變性越大斜井段環(huán)空低邊形成的不動區(qū)范圍越寬，不利于攜屑、沖蝕，易形成巖屑床。遼河油田的經(jīng)驗為，提高低剪切速率下的視粘度，降低高剪切速率下的粘度是提高懸屑、攜屑的有效途徑。我國學者研究發(fā)現(xiàn)2 ，鉆井液粘度的升高在未達到某一臨界值前，有利于攜屑能力的提高，但超過這一臨界值攜屑能力則隨粘度的升高而下降。筆者認為，提高鉆井液密度，可提高上返中的鉆井液拖拽巖屑的動能，可提高鉆井液靜態(tài)時的巖屑浮力。41 鉆具偏心度鉆柱中和點位于最大井斜角井段以下時，最大井斜角井段中的鉆具偏心度正比于井斜角，巖屑床厚度隨鉆具偏心度增大而增厚；其他條件相同時，井斜角大于30后，巖屑床厚度增加速度大于井斜角的增

11、加速度。51 鉆具直徑斜井段鉆具直徑的增大帶來鉆具與井眼偏心距減小和環(huán)空返速提高，促使鉆井液向紊流發(fā)展，有利于井眼凈化程度的提高，更有利于在有限的機泵條件下鉆井液泵量和環(huán)空返速的提高。因循環(huán)壓耗鉆具內(nèi)反比于鉆具內(nèi)徑的418 次冪、鉆具外反比于井徑與鉆具外徑差值的近2 次冪。61 鉆井液的環(huán)空流態(tài)tomren、iyoho 認為，大斜度井段環(huán)空鉆井液處于紊流狀態(tài)，巖屑總會被運移走；有某些巖屑床形成，常被沖蝕破壞掉，巖屑床厚度極不穩(wěn)定，處于沉積與沖蝕破壞交迭發(fā)生的動平衡狀態(tài)，其攜屑能力不受鉆井液觸變性的影響。大斜度井段環(huán)空鉆井液處于層流狀態(tài)，巖屑床總會形成，且形成后再消除較為困難，但又必須主動認真清

12、除。71 鉆具與巖屑床的相對狀態(tài)筆者觀察認識到，大斜度井段，鉆具相對巖屑床處于“準”靜止狀態(tài)（不活動鉆具、滑動鉆進、鉆具轉速 70r/ min 等） ，巖屑床不會受到破壞，且厚度可能會增加；鉆具相對巖屑床處于運動狀態(tài)（上下運動速度0 22m/ s、轉速80r/ min） ，會因鉆具及其臺肩刮、轉、擠、碾使巖屑床表面巖屑被拋出重新進入鉆井液，小范圍破壞巖屑床；且隨時間的推移破壞范圍擴大。具側切削能力的鉆具組件（鉆頭、穩(wěn)定器、健槽擴大器等）旋轉或上下運動接觸巖屑床，則巖屑床遭到機械破壞，巖屑重新進入環(huán)空鉆井液。提高大斜度井段井眼凈化的途徑11 避免形成段長且厚的巖屑床（1） 井眼軌跡設計成井斜角在

13、3060的井段盡量短。（2） 鉆鋌超過3060井斜角的斜井段，滑動鉆井的井段盡量短。（3） 在機泵、井下條件允許的情況下，綜合考慮調(diào)整環(huán)空返速、鉆井液粘度、動塑比、觸變性等（考慮鉆井液的初終切 10pa） ，使3060井段的環(huán)空鉆井液處于紊流狀態(tài)。（4） 特殊要求下調(diào)低鉆井液密度也應慎重。（5） 控制機械鉆速或適時停鉆循環(huán)清屑，控制環(huán)空鉆井液中巖屑濃度5 %。（6） 條件允許，相對3060井斜角井段的鉆具外徑盡可能大。21 主動清除巖屑床3060井斜角井段環(huán)空鉆井液若不能呈紊流狀態(tài)上返，則主動、定期地清除巖屑床及控制住環(huán)空巖屑濃度，應成為必須作業(yè)。（1） 適當時機增大泵量配以鉆具轉動、上下活動

14、，增大環(huán)空鉆井液非層流程度，部分破壞巖屑床、降低環(huán)空巖屑濃度，提高井眼凈化程度。（2） 適當降低鉆井液的流性指數(shù)n ，提高動塑比，輔助清巖，抑制巖屑床增厚。（3） 泵入足夠量的高粘切清掃液配以鉆具活動，輔助部分破壞巖屑床。（4） 定時間段或定井段長進行短程起下鉆、分段循環(huán)或對3060井段劃眼，破壞清除巖屑床。（5） 起鉆前充分循環(huán)、起下鉆分段循環(huán)鉆井液，實為提高井眼凈化程度變被動為主動之舉。（6） 組合一種筆者建議的鉆具組合下井，實施“融鉆進與清除巖屑床為一體”的作業(yè)。組合為：相對于3060井斜角井段的鉆具上，加裝若干個不具側、底切削能力的圓角方接頭（斷面形狀似四方方鉆鋌）。圓角方接頭加工成：

15、圓角直徑大于鉆桿接頭直徑1620mm ，正四方對邊寬距相當于鉆桿接頭直徑，接頭長1101 3m。該鉆具組合用于旋轉鉆進或下鉆通井。融鉆進與清除巖屑床為一體的作業(yè)細節(jié)可從鉆進同時進行擴劃眼的工藝技術（鉆采工藝19991221 ） 一文中得到啟示。（1） 巖屑密度大于鉆井液密度、井眼傾斜、鉆具不居中必然形成巖屑床，使井斜角3060的斜井段井眼高邊到低邊環(huán)空中巖屑呈粒度、濃度由小到大的分布，形成的巖屑床清除難度大，在鉆井液停止循環(huán)時，巖屑床極易向井底方向滑動，是井眼凈化的危險區(qū)。（2） 避免形成段長且厚的巖屑床，應是大斜度定向井設計和施工中十分關注的課題。（3） 條件允許時，調(diào)整鉆井液泵量、改變井眼

16、與鉆具的尺寸配合及調(diào)整鉆井液性能的綜合考慮，使大斜度井段環(huán)空鉆井液呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，是防止巖屑床帶來麻煩的關鍵因素。（4） 主動定期清除巖屑床的作業(yè)是大斜度定向井建井過程中多數(shù)情況下的必須作業(yè)，需認真對待。（5） 從大斜度定向井快速、安全施工對井眼凈化程度的依賴，建議將大斜度定向井定義為井斜角在3086的定向井。推薦大斜度定向井的井眼凈化指標為，環(huán)空攜屑能力lc 0160、環(huán)空巖屑濃度ca5 %。（6） 將若干個圓角方接頭接于旋轉鉆進的相對于大斜度井段（或易形成巖屑床的井段） 的鉆具上，實施“融鉆進與清除巖屑床為一體”的作業(yè)，不失為良策。 隨著油田勘探程度的提高，進入加密井開發(fā)階段，加密井的不斷增

17、多，使井距越來越小，因此進行定向井設計時，需要考慮到鄰井的防碰問題，許多井需要采取繞障設計以達到防碰要求。而障礙井的種類主要包括直井、定向井，而存在多口障礙井時的繞障設計并不是單障礙井繞障設計的簡單疊加，進行一口定向井的設計時需要考慮到多口障礙井的綜合影響，本文通過提出軌道可行域的概念進行二維或三維井眼設計的判斷，結合計算機技術，利用試算法進行水平投影設計，對多障礙井三維繞障設計模型進行了較細致的研究。雙面繞障井眼軌道設計模型的設計過程如下：確定設計軌道可行域同一般設計一樣，在設計前需要知道一些設計條件，如目標靶點的位置，井口位置，造斜段的工具造斜范圍，降斜段的工具降斜范圍，以及造斜點的位置范

18、圍，等等。下面我們以s型井眼為例來說明雙面繞障設計法。在設計繞障井時，用來繞障的井段一般都是斜井段。根據(jù)井眼軌跡設計的特點，地下巖層構造以及現(xiàn)場施工工具、技術等的情況，地下留給井眼穿越的空間是有限的，這里把井眼可能穿越的空間稱為井眼的可行域。如果把設計是展現(xiàn)在柱面圖上，那么這個可行域就是如圖1的所圍區(qū)域?？尚杏虻脑O計方法如下：以設計井的井口點為坐標原點，以垂直水平面的鉛垂線為軸，正向向下，以（點為靶點在點所在水平面的投影）直線為軸建立坐標平面。以造斜點可選區(qū)間最淺處為造斜點，最大造斜率為造斜率，最小降斜率為降斜率，降斜段末端為靶點設計井眼軌跡abca。此時的最大井斜角設為 。以造斜點可選區(qū)間最

19、深處為造斜點，最小造斜率為造斜率，最大降斜率為降斜率，降斜段末端為靶點設計井眼軌跡。此時的最大井斜角設為。這兩條軌跡構成一個封閉圖形，即軌跡的可行域。障礙物判斷設計井眼軌跡之前首先需要進行障礙井的判斷，即在可行域內(nèi)判斷共存在幾個障礙物，分布形式如何。可以想象，只有鄰井在可行域內(nèi)的井眼部分才對設計井眼構成障礙，我們將障礙井在可行域內(nèi)的井眼部分稱為障礙井段。實際障礙井段的形狀可能有很多種，如何系統(tǒng)的描述這些障礙井段呢？為此我們引入“障礙區(qū)間”來輔助設計，下面用一個例子來說明障礙區(qū)間的概念。如圖2所示，障礙物b1、b2、b3和b4在可行域的情況是不一樣的，有的是部分阻擋，有的是全部阻擋，部分阻擋也有

20、不同情況。這里障礙物的障礙區(qū)間的定義是：在可行域的任一位置，在垂深方向上將可行域這段按0到1從上到下進行平均劃分，這時把某一障礙物在這段區(qū)間內(nèi)的所覆蓋的最大范圍記錄下來，就成為這個障礙物在此位置上的障礙區(qū)間，而障礙物在s軸上各位置上障礙區(qū)間的并集就構成了障礙物在s軸上的最大障礙區(qū)間，以下簡稱為障礙區(qū)間。例如圖2中障礙物b1的障礙區(qū)間是0，0.26，b2的障礙區(qū)間是0.53，0.86等等。這里給出了障礙區(qū)間，同時也就給出了設計井的設計區(qū)間。如果障礙物b1的障礙區(qū)間是0，0.26，那么留給設計的區(qū)間就是0.26，這樣把所有障礙物的障礙區(qū)間取并集，然后對其求補集，就得到了設計的可行區(qū)間。如果可行區(qū)間

21、不為空，那么就在這個區(qū)間內(nèi)進行設計計算，給出設計軌跡。如果可行區(qū)間為空，障礙物擋住了所有的可行的路徑，那么只有先進行水平投影圖的繞障設計，再進行垂直剖面圖的設計。在設計繞障水平投影圖時，首先要確定需要繞哪一個障礙物，以圖2為例，假設這是井口與靶點所在平面展成的柱面圖，那么首先就要繞將可行域完全阻擋的障礙物b4，如果沒有障礙物b4，但是其它三個障礙物障礙區(qū)間的并集為0，1，那么也那么就要看其他障礙物對可行域的阻擋程度，這時選出對可行域阻擋程度最大的障礙物，看剩余障礙物障礙區(qū)間的并集是否為0，1，若不是，則可以對這一障礙物進行水平投影圖的繞障，若是，則需要重新選擇障礙物，直到剩余障礙物障礙區(qū)間的并

22、集不為0，1，這時再進行水平投影圖的繞障，然后針對其它障礙物進行垂直剖面圖的設計。3. 水平投影圖繞障設計3.1 選擇水平投影圖上繞障圓的大小與位置水平投影繞障圓的定義：在水平投影上的井眼軌道設計一般是由線段和圓弧段構成的，而圓弧段所在的圓我們稱為水平投影繞障圓。首先我們要根據(jù)造斜工具的穩(wěn)斜扭方位能力和設計相關參數(shù)確定最小的方位繞障圓的曲率半徑r，（1）由于是穩(wěn)斜變方位， 為常數(shù)，所以,一般來說，水平投影圖上的圓弧段選擇標準是圓弧段越短越好，所以障礙圓需要選擇較小的曲率半徑, 但實際鉆井工作中的井眼軌道和設計會有一定誤差，這就需要我們給出一個可以進行方位調(diào)整的空間，因此在作水平投影圖方位繞障圓

23、設計時，需要給定一個權系數(shù)和最小的方位繞障圓曲率半徑相乘，得到的結果作為繞障圓的曲率半徑r用于進行繞障弧線的設計。3.2 試算法水平投影設計?繞障路線的選擇：在水平投影圖上進行多障礙物的繞障時，可能有很多種路線方式，如圖所示，當兩個障礙物同時在水平投影圖上出現(xiàn)時，就可能有三種繞障路線，即左繞、右繞、從兩個障礙物中間穿過，如何進行繞障路線的選擇？?從中間繞過時，一般需要進行s型軌道的水平投影圖設計，這就需要進行多次方位的增減，而水平投影圖的設計要盡量避免交替增減方位，最好是持續(xù)增方位或減方位。這是因為交替增減方位的應用會增加鉆井時的阻力、鉆井困難，同時也不利于后續(xù)施工作業(yè)，所以要盡量避免。?在左

24、繞和右繞的選擇上，需要判斷障礙區(qū)間投影左右兩側距軸的最大距離，從最大距離較小的一側進行水平投影繞障。?水平投影上的障礙井形狀復雜，一般來說水平位移越大的障礙井水平投影范圍越大，然而，我們并不需要對整個障礙井的水平投影進行繞障設計，而只需要對障礙井在可行域內(nèi)井段的水平投影進行繞障設計，這樣就相應的縮小了障礙物的范圍，減小了繞障設計難度。?單障礙井段水平投影圖設計：下面我們以一個定向井障礙為例介紹試算法水平投影設計，如圖3-1所示，障礙井段投影外徑與軸交于ab兩點，首先需要判斷出從障礙投影的左側進行繞障，再作線段ab的中垂線交障礙區(qū)間的水平投影左側于c點，d點在中垂線上,cd長為r，以d為圓心，r

25、為半徑作圓d，將d點以十米（可變參數(shù)）為一個單位向左平移，每移動一次進行一次水平投影圖上的軌道設計，驗證一下是否能夠繞過障礙物。最終的水平投影設計軌跡如圖3-2所示。?驗證方法：判斷水平投影圖上的設計軌道是否與障礙井段的水平投影有交點，若沒有，說明設計軌道能夠繞過障礙物。?多障礙井段水平投影圖設計：對于在水平投影圖上有兩個或兩個以上障礙井段的情況，如圖4所示，設計方法為：分別作線段ab、cd的中垂線，然后用試算法設計兩個繞障圓分別對兩個障礙物進行繞障，對于兩個障礙物中間的設計軌道，需要設計一條和兩個障礙物都相切的線段，這時水平投影圖內(nèi)的繞障曲線由三條線段和兩條弧線構成。?由于障礙井段投影形狀的

26、復雜性和多樣性，無法利用常規(guī)方法確定繞障圓的合理位置，試算法水平投影設計利用了現(xiàn)代計算機強大的運算速度進行繞障圓位置的合理選擇，從而實現(xiàn)了優(yōu)化的水平投影設計。?在水平投影設計完成后需要進行垂直剖面圖的井眼設計，垂直剖面圖的設計在很多定向井設計類書籍內(nèi)都有介紹，這里就不做說明了。4.整體井眼軌道設計?將水平投影圖和柱面圖中的設計軌道綜合在一起，就構成了總體的井眼設計軌道。軌跡曲線一般分為：直井段、增斜段、第一穩(wěn)斜段、穩(wěn)斜變方位段、第二穩(wěn)斜段、降斜段。每段的設計公式分別為：5.設計軌道防碰掃描?根據(jù)井眼的設計軌跡計算出設計井各點的坐標位置，鄰井各點的坐標位置根據(jù)側斜數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合計算可以得到。防碰掃描就是要算出設計井眼和鄰井軌跡之間的最短距離。如果