水平井水力設(shè)計(jì)問題

1、第三章 水平井環(huán)空攜砂效果分析 在水平井鉆井過程中，因鉆具靠近下井壁，形成了偏心環(huán)空，隨著鉆頭破碎巖石的不斷進(jìn)行，巖屑逐漸積聚起來形成巖屑床。巖屑床的形成就可能導(dǎo)致鉆井中的高扭矩、高摩阻、粘卡以及泥包鉆頭等一系列不利因素，這一切都與井眼的清潔狀況有關(guān)。因此，水平井環(huán)空攜巖效果的好壞對(duì)水平井鉆井起著關(guān)鍵的作用。 影響環(huán)空攜巖的因素很多，如環(huán)空返速、鉆井液類型、鉆井液流變性、鉆井液密度、環(huán)空尺寸、鉆具偏心度、鉆具尺寸、鉆速、轉(zhuǎn)速、巖屑尺寸、井眼傾角等。這些影響因素可分為可控因素與不可控因素，在機(jī)泵條件給定的條件下，實(shí)際地面可控因素只有鉆井液的流變性與環(huán)空返速。因此，在水平井鉆井過程中，對(duì)鉆井液的流

2、變性能和環(huán)空返速進(jìn)行探討，對(duì)于減少復(fù)雜情況的發(fā)生，有效地提高水平井鉆井速度，降低鉆井成本都有非常重要的意義。第一節(jié) 水平井作業(yè)中遇到的洗井問題 水平井技術(shù)是國家“八五”期間重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，從現(xiàn)場施工情況來看，在鉆井過程中，因井眼不清潔而發(fā)生復(fù)雜情況也普遍存在，歸納起來主要有兩條主要原因：l 實(shí)際環(huán)空返速小，滿足不了攜巖要求；l 鉆井液流變參數(shù)攜巖能力差。 從直井段到斜井段至水平井段，巖屑在環(huán)空中運(yùn)移規(guī)律表現(xiàn)出明顯的不同，基本上可用井斜角表示：即0°30°，30°60°，60°90°。本文依次稱為第一洗井區(qū)，第二洗井區(qū)，第三洗井區(qū)。理

3、論分析認(rèn)為在三個(gè)冼井區(qū)中，第一洗井區(qū)用層流攜巖最佳。第三洗井區(qū)用紊流攜巖最佳，第二洗井區(qū)層紊流和均可。但對(duì)于現(xiàn)場實(shí)際情況，由于大斜度井段和水平井段鉆進(jìn)時(shí)使用動(dòng)力鉆具，而動(dòng)力鉆具又受到大排量的限制，所以環(huán)空很難達(dá)到紊流流態(tài)。大量文獻(xiàn)資料表明：環(huán)空返速是影響環(huán)空攜巖的主要因素。因此，對(duì)一口水平井來講關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)返速，也就是說要合理地根據(jù)地質(zhì)，鉆具結(jié)構(gòu)，鉆井液流變性等一些特定條件控制好排量，更好地解決攜巖問題。對(duì)于第二洗井區(qū)，巖屑會(huì)下滑至井底，這一現(xiàn)象國外稱為“Boycott”效應(yīng)，此效應(yīng)的后果十分嚴(yán)重，輕則會(huì)起下鉆遇阻，鉆進(jìn)扭矩大，重則會(huì)發(fā)生卡死，扭斷鉆具等重大事故。國外學(xué)者一致的觀點(diǎn)是使用大排

4、量洗井。誠然，大排量洗井是清洗該洗井區(qū)的有效方法，但不是最佳的方法，因?yàn)榇笈帕坑锌赡軙?huì)造成沖垮井壁，形成大肚子，給以后鉆進(jìn)形成更大的隱患，再者，地面設(shè)備或者鉆具條件限制也可能實(shí)現(xiàn)不了這一措施，因此這就需要根據(jù)具體條件來實(shí)行最好的水力方案。從現(xiàn)場來看，水平井水力參數(shù)的設(shè)計(jì)缺乏充實(shí)的理論依據(jù)，基本還是套用直井水力參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。第二節(jié) 水平井鉆井中鉆井液流變參數(shù)的合理范圍 確定合理的鉆井液流變參數(shù)無疑是水平井作業(yè)中實(shí)現(xiàn)“安全、快速、優(yōu)質(zhì)、低成本”的保證。能不能有效地?cái)y巖，洗井是水平井作業(yè)一個(gè)最關(guān)鍵的問題。鉆井液很重要的功用就是充當(dāng)載體，把井底的巖屑攜帶到地面上來，使鉆井液發(fā)揮最大作用的關(guān)鍵是合理匹

5、配好表征鉆井液各種特性的流變參數(shù)。1、常用的流變參數(shù) 鉆井液流動(dòng)和變形的特性稱為鉆井液的流變性，表示鉆井液流變特性的參數(shù)叫流變系數(shù)。流變參數(shù)通常指切力，表現(xiàn)粘度，塑性粘度，靜切力，稠度系數(shù)，動(dòng)塑比、流性指數(shù)等。鉆井液的流變性能對(duì)解決以下鉆井問題具有很關(guān)鍵的作用：l 維持井底清潔，保證鉆井過程連續(xù)不斷；l 懸浮巖屑，維持要求的鉆井液密度；l 防止鉆井液對(duì)井壁沖刷，保持井眼穩(wěn)定，杜絕井塌、井漏等惡性事故；l 降低環(huán)空壓耗。2、三個(gè)洗井區(qū)對(duì)鉆井液流變參數(shù)的特殊要求 （1）第一洗井區(qū)（0°-30°） 在此洗井區(qū)基本類似直井?dāng)y巖情況，從保證井眼凈化要求這一角度，只要能夠保證下列式子成

6、立，就能夠安全地鉆進(jìn)。 從流態(tài)上考慮，實(shí)驗(yàn)結(jié)果早已表明，紊流攜巖效果比層流好，而平板型層流攜巖除具備紊流攜巖的優(yōu)點(diǎn)外，還有井壁沖刷小，鉆具及地面泥漿，高壓管匯沖蝕小等優(yōu)點(diǎn)，所以追求用平板型層流攜巖是比較理想的，此洗井區(qū)絕大部分環(huán)空尺寸為12-1/4"×5",排量因地面設(shè)備能力限制一般為40l/s以下，難于達(dá)到紊流。 對(duì)于常用的冪律流體（Power-Law），達(dá)到平板型層流的條件： N=，K=（）PV式中：PV：塑性粘度 0.1Pa·s·(dyn·s/cm2)k：稠度系數(shù)n：流性系數(shù) 如果鉆井液的流變規(guī)律得到充分的認(rèn)識(shí)，在這一洗井區(qū)比較

7、好的措施是通過對(duì)鉆井液流變性能的調(diào)整，使鉆井液的流變參數(shù)符合相應(yīng)流變規(guī)律下的平板層流條件。 （2）第二洗井區(qū)（30°-60°） 在該傾角范圍內(nèi)，大部分巖屑沉聚在下井壁，形成巖屑床。宏觀上講環(huán)空內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為非均稱懸浮，巖屑以移動(dòng)床、固定床形式出現(xiàn)；微觀上講床層表面的巖屑顆粒以懸浮，躍移、層移的形式沿井軸向上運(yùn)動(dòng)。 在第二洗井區(qū)，攜巖效果的好壞關(guān)系著一口水平井鉆探的成敗，這主要是因?yàn)閹r屑在第二洗區(qū)有其特殊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（巖屑床易下滑至井底），這種巖屑運(yùn)移的固有特性造成了第二洗井區(qū)攜巖的極大困難，在斜井段大顆粒巖屑濃度增大，非加重鉆井液在環(huán)空返速為0.6m/s的條件下，井斜角為30

8、°時(shí)環(huán)空巖屑量常常是直井中的3-4倍，井斜角接近45°時(shí)巖屑出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，鉆進(jìn)時(shí)巖屑成層下滑，當(dāng)循環(huán)停泵后巖屑會(huì)迅速沉洛到井底。 “Boycott”效應(yīng)的機(jī)理可以這樣描述，在斜井段，鉆井液中的巖屑重力作用方向不與井眼軸線方向相重合，巖屑在運(yùn)移過程中，由于在徑向作用有力（重力與浮力的合力分量），因而在徑向力的作用下產(chǎn)生徑向速度，其結(jié)果巖屑逐漸下沉至下井壁，這是一個(gè)連續(xù)作用的過程。在橫截面上，從上井壁到下井壁的鉆井液密度不均一，而產(chǎn)生密度梯度。大量巖屑在下井壁的積聚就會(huì)形成巖屑床，而密度梯度的存在必然導(dǎo)致橫截面上壓力不平衡；結(jié)果會(huì)造成局部對(duì)流趨勢(shì)，較輕的鉆井液向上運(yùn)動(dòng)，而巖屑床

9、則向下運(yùn)動(dòng)，從而加速沉淀。顯然，通過增大鉆井液的環(huán)空返速或者提高鉆井液粘度和切力，輕微的巖屑床下滑效應(yīng)是能夠減緩的。 由上面的分析可以看到，井斜角對(duì)巖屑床下滑效應(yīng)起著主導(dǎo)作用，在直井情況下，巖屑是整體在全井筒的鉆井液中產(chǎn)生沉淀，可以說幾乎很少有井壁的作用，但在水平井情況下，巖屑顆粒則沉聚在下井壁，導(dǎo)致鉆井液出現(xiàn)徑向上固相濃度的差異。 鉆井液流變性對(duì)環(huán)空巖屑的運(yùn)移的影響雖然不如環(huán)空返速，鉆井液密度和井斜角那么大，但也是相當(dāng)明顯的，其影響程度主要取決于鉆井液的環(huán)空返速和井斜角的大小。 在正常鉆進(jìn)時(shí)，環(huán)空巖屑濃度主要與下列流變參數(shù)有關(guān)，屈服值動(dòng)塑比、有效粘度、塑性粘度、稠度系數(shù)、六速范氏粘度計(jì)切力、

10、初始切力和10分鐘切力等，理論研究表明，如果井眼傾角較小，并且環(huán)空返速較低時(shí)，鉆井液流變性能對(duì)巖屑濃度影響很大。 在第二洗井區(qū)，如果由于其它原因環(huán)空返速較小(如采用動(dòng)力鉆具，額定排量小)那么從清洗環(huán)空的角度來講，在具體的鉆井條件許可的情況下，宜采用高限的流變參數(shù)來提高鉆井液的攜巖能力。 (3)第三洗井區(qū)(60°-90°) 在大斜度環(huán)空井眼內(nèi)，巖屑的形成是必然的，宏觀上巖屑以固定模型出現(xiàn)，也就是說在此傾角范圍內(nèi)，不存在巖屑床下滑問題。 鉆井液流變參數(shù)對(duì)攜巖效果的影響基本上與第二洗井區(qū)相似。大斜度井段的巖屑運(yùn)移不再完全依賴于鉆井液的引力，所以用固相顆粒下沉速度來預(yù)測井況就不合適

11、。大斜度井中的巖屑在井眼底側(cè)形成了巖屑床，一旦形成，鉆具將不同程度地嵌埋進(jìn)去，巖屑床越厚，越易造成卡鉆事故，這就要求鉆井液具有適宜的靜切力和屈服值，使巖屑在水平段、大斜度井眼環(huán)空中形成非均相浮體，達(dá)到攜巖的效果。 上面從理論上分析了三個(gè)洗井區(qū)鉆井液流變參數(shù)的特殊要求，總而言之，水平井凈化井眼的關(guān)鍵是在第二洗井區(qū)，可以說，如果忽略了第二洗井區(qū)攜巖問題的嚴(yán)重性，沒有針對(duì)在此洗井區(qū)鉆井過程中發(fā)生的具體情況加以合理調(diào)整鉆井液的流變參數(shù)，就有可能導(dǎo)致以下復(fù)雜情況。 巖屑床沿下井壁下滑至井底，造成鉆進(jìn)產(chǎn)生高扭矩，起鉆遇阻，并且鉆壓不能有效地傳遞到鉆頭工作面而影響機(jī)械鉆速。 井底巖屑被鉆具滾、擠、碾壓成更細(xì)

12、碎的小顆粒，使鉆井液中微細(xì)顆粒劇增，這樣既加劇了粘度和切力在短時(shí)間內(nèi)上升，又給處理鉆井液增加了難度和頻度，并且還降低了機(jī)械鉆速。 增加了下套管和固井的難度，水泥封固質(zhì)量不佳，從而引理起了油氣水層亂竄。 會(huì)使井下作業(yè)更加困難，測試工具受阻，成功率下降，甚至難以進(jìn)行。 巖屑在井底的沉聚會(huì)致使井眼堵塞，如果比較嚴(yán)重則會(huì)引起卡鉆等之類的惡性事故，嚴(yán)重妨礙鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行。 上述結(jié)果會(huì)導(dǎo)致水平井鉆井成本的大幅度升高。第三節(jié) 鉆井液流變參數(shù)合理范圍的標(biāo)準(zhǔn) 在直井段或者近直井段，亦即在第一洗井區(qū)，判斷井眼環(huán)空是否干凈，表征鉆井液攜巖能力大小的標(biāo)準(zhǔn)是巖屑運(yùn)移比，但在斜井段和大斜度井段鉆井液攜巖能力的評(píng)估，原

13、因是由于在斜井段和大斜度段巖屑下沉速度和鉆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攜巖效果好壞的標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算是不科學(xué)的。定向鉆井中鉆井液攜巖效率用以下公式來代表： Rtg ：巖屑輸送比 Cf：巖屑輸入濃度 Cvt：環(huán)空巖屑總濃度 此外，國內(nèi)外許多學(xué)者提出了關(guān)于斜井的環(huán)空攜巖效果好壞的標(biāo)準(zhǔn)，有的用巖屑床高度，巖屑床面積，有的用不淤積臨界流速，最小環(huán)空返速等。對(duì)于現(xiàn)場來說，象環(huán)空巖屑總濃度、實(shí)際環(huán)空流動(dòng)面積，巖屑床高度這些因素都不能定量實(shí)測，因此用這些標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)一口實(shí)鉆水平井斜井段攜巖效果的好壞，只具有理論上的指導(dǎo)意義而不能直接應(yīng)用于現(xiàn)場。 目前還沒有關(guān)于斜井段和大斜度井段攜巖效

14、果好壞的標(biāo)準(zhǔn)，本文從定性的角度來確定鉆井液流變參數(shù)的合理范圍，其主要原則是： 振動(dòng)篩篩面濾去的巖屑量與鉆進(jìn)速度相比正常； 鉆井液各種性能穩(wěn)定； 水平井鉆井工況正常； 地質(zhì)錄井撈取的砂樣各層位界限明顯純凈、無混雜，泥巖和砂巖的巖屑分隔清晰。 符合這些定性原則，就認(rèn)為在相應(yīng)情況下鉆井液流變參數(shù)相對(duì)于清洗環(huán)空井段比較合理；而對(duì)在相應(yīng)層位造成巖屑床沉積過厚引起卡鉆迂阻、轉(zhuǎn)盤扭矩異常大，錄井砂樣混雜，界限不明顯等現(xiàn)象，就認(rèn)為鉆井液的流變參數(shù)不利于環(huán)空攜巖，此外，泥漿振動(dòng)篩篩面巖屑返出量減少或者說直接見不到巖屑返出，這表明鉆井液流變參數(shù)攜巖能力較差的最為明顯的標(biāo)志。當(dāng)然，有時(shí)扭矩過大，起下鉆遇阻、遇卡并非

15、起因于鉆井液流變參數(shù)攜巖能力差，而是由于井眼軌跡不好，鉆井液潤滑性不好或者井壁因水化膨脹而垮塌所致，這就需要對(duì)具體情況進(jìn)行分析。第四節(jié) 各洗井區(qū)流變參數(shù)的合理范圍 水平井鉆井中使用的鉆井液是非常復(fù)雜的混合體，配方不同、處理劑的種類不同，就會(huì)得到不同的流變性能。確定比較合理的鉆井液性能范圍，特別是對(duì)表征鉆井液攜巖能力的流變參數(shù)，有不同的確定方式。嚴(yán)格地講，有關(guān)鉆井液的問題是個(gè)非常復(fù)雜、多因素的問題；各種流變參數(shù)都是相互制約、互相影響的。如果試圖用比較通用的函數(shù)關(guān)系式表示出它們之間的相互關(guān)系，工作非常艱巨繁重。用鉆井液密度來作為各鉆井液性能的因變量；可簡化評(píng)估工作，且這一觀點(diǎn)也普遍為廣大從事鉆井液

16、研究的科研人員所接受，鉆井液密度作為鉆井液性能中唯一一個(gè)由外界因素決定大小的參數(shù)，是確定固相多少的決定性因素，而固相合量的多少以及各種固相組分的比例分配，決定了鉆井液流變性能和常規(guī)性能，各項(xiàng)鉆井液性能作為鉆井液密度的單值函數(shù)，基本上是由大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而得到的，顯然，統(tǒng)計(jì)得到的合理范圍離不開實(shí)際的鉆井條件，同時(shí)也要需要根據(jù)水平井鉆井液技術(shù)研究的不斷深入和對(duì)水平井的大量統(tǒng)計(jì)，來進(jìn)行完善和修正。第五節(jié) 水平井鉆井水力參數(shù)的設(shè)計(jì)方法 水力參數(shù)設(shè)計(jì)要滿足利用水力能量，穩(wěn)定井壁，凈化環(huán)空和經(jīng)濟(jì)可行的要求，其重要的一點(diǎn)就是根據(jù)鉆井設(shè)備，工藝技術(shù)和地層條件使水力參數(shù)、鉆井參數(shù)以及鉆井液的性能相互適應(yīng)合理匹

17、配。 在設(shè)計(jì)水力參數(shù)時(shí)，如何選擇合理的環(huán)空返速是水力參數(shù)設(shè)計(jì)必須考慮的一個(gè)問題。 在第一洗井區(qū)，選擇環(huán)空返速要要據(jù)泥漿泵的缸套大小，鉆井液性能和地層條件的影響。返速過大不僅導(dǎo)致環(huán)空壓耗增加，鉆頭的水力功率減少，而且沖刷井壁嚴(yán)重，造成井徑擴(kuò)大，給斜井段的定向造斜造成很大困難。如果環(huán)空返速過小又不能有效地?cái)y帶巖屑，造成環(huán)空巖屑濃度過大，輕則起下鉆遇阻遇卡，重則會(huì)造成環(huán)空堵塞，壓漏地層或者扭斷鉆具。合理的環(huán)空返速應(yīng)在保證井下安全的前提下，充分發(fā)揮泥漿泵的水力功率；有效地減少鉆井過程中的井底壓差。一般認(rèn)為井眼凈化能力大于或等于0.5；即鉆井液環(huán)空返速應(yīng)大地或等于巖屑下滑速度的兩倍，環(huán)空能得到很好和凈化

18、。但對(duì)于大井眼，就有可能實(shí)現(xiàn)不了這一條件。水平井鉆井實(shí)踐表明，對(duì)311mm以上的大井眼，環(huán)空流態(tài)一般為層流，這實(shí)際上對(duì)穩(wěn)定井壁凈化井眼是有好處的，對(duì)215.9mm的井眼，由于水平井鉆井的特殊性，環(huán)空流態(tài)一般也為層流，理論上的研究證實(shí)在第三洗井區(qū)用紊流來清洗井眼效果最好，因?yàn)楝F(xiàn)場很難實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件，這就需要在層流條件下合理調(diào)整水力參數(shù)，使井底巖石減少到最低程度，在第二洗井區(qū)因?yàn)閹r屑床易下滑至井底，給鉆井作業(yè)帶來隱患，從鉆井液流變參數(shù)方面尋求比較合理的方案來提高攜巖效率固然重要，但若合理調(diào)整水力參數(shù)，使巖屑床不下滑或盡量減少下滑這種趨勢(shì)對(duì)于第二洗井區(qū)的正常鉆進(jìn)和下一步水平段作業(yè)也是非常重要的。1、 第一洗井區(qū)水力參數(shù)設(shè)計(jì)方法： Vs：顆粒下滑速度； Va：環(huán)空返速； d1,d2：環(huán)空內(nèi)外徑； ：機(jī)械鉆過，K=0.8層流，K=1.0紊流 min-環(huán)空最小返速 m/s2、第二洗井區(qū)水力參數(shù)設(shè)計(jì)方法 第二洗井區(qū)是一口水平井清洗井眼最關(guān)鍵的井段，從環(huán)空攜巖這個(gè)角度來說，比較理理想的狀況是不在井眼底部位形成巖屑床成層下滑到井底，給鉆井作業(yè)造成嚴(yán)重的困難。基于這一思想，建立第二洗井區(qū)巖屑運(yùn)動(dòng)模型。巖屑床運(yùn)動(dòng)模型描述的是正常鉆進(jìn)時(shí)第二洗井區(qū)形成的巖屑床鉆井液的剪切應(yīng)力，床層底部與井壁的摩擦力以及巖屑受到的重力和浮力達(dá)到一種動(dòng)平衡狀態(tài)，也就是說