扣村油田水平井井眼净化技术研究

刘旭强，张芮菀，刘 昆

（1.渤海钻探第一钻井公司，天津 300280；2.渤海钻探第一录井公司，天津 300280）

近年，为达到降本增效、增加产量的目的，钻井施工的水平井越来越多，随着井斜角的增大，钻井过程中产生的岩屑上返、井眼净化也成为了越来越重要的问题。本文结合扣村油田施工的水平井，在分析影响井下岩屑上返条件的基础上，阐述了水平井常用的井眼净化技术，指出了有效的水平井井眼净化方法，为今后施工的水平井提供技术参考，为水平井提高机械钻速，钻井施工降本增效提供了有力的保障。

根据国内外对岩屑床问题的研究表明，井眼中的岩屑受到四种作用力的合力作用：重力、粘滞阻力、冲击力、浮力。

随着近年科技水平的不断发展，水平井及大斜度井因其产出高、投入低的特点受到了广泛的应用，但是针对水平井岩屑床的解决问题，若未通过有效的途径减小、消除岩屑床会造成钻井施工的巨大损失，其表现如下:

（1）岩屑床会导致测井仪器下放受阻（通常情况下，现场施工中如遇到仪器受阻，为保证仪器不受到损坏，施工人员会立即上提电缆，此时岩屑床还会导致电缆勒入，造成卡电缆）、下套管遇阻，水泥与地层胶结质量差、影响后期原油采收。

（2）钻进时岩屑床堆积过多会导致钻具扭矩增大，憋停转盘、顶驱，此时如果释放扭矩会造成钻具倒转，严重时会导致钻具倒扣。在扣村油田扣38-10井施工过程中，定向井报告仪器信号不正常，起钻检查仪器发现，LWD 与保护接头连接处倒开两扣。经分析，其原因就是因岩屑床导致扭矩增大，憋停顶驱，钻具倒转导致的钻具倒扣。

（3）岩屑床堆积过多会造成钻具上下活动困难，钻压不能传递到钻头位置，形成托压，现场施工过程中往往会分析成因井斜增大导致的托压，认为适当调整泥浆性能、加入润滑剂则可解决，而忽略了岩屑床的影响。

（4）岩屑床会导致卡钻等事故的发生，延长了钻井周期，增大钻井成本。

因此随着近年来水平井越来越多，我们更应该积累总结经验，保证环空的净化效果，有效解决制约水平井施工的难题。

扣村油田块位于扣村断层下降盘，被两条西北向次一级断层分割为两个独立断块，扣38-10 断块为一半背斜的形态，上倾方向为一反向断层遮挡，断距20m，地层倾向南东向，构造高点位置位于扣38-10 井西北方向，馆一段构造高点1335m。扣30 西断块整体形态与扣38-10断块相似，为一半背斜形态，地层倾向南西向，构造高点位于扣30 井断层根部，断距35m，馆一构造高点1332m，构造幅度26m。口村油田目的层馆陶组馆一段为辫状河沉积，粒度整体偏粗，表现为块状含砾不等粒砂岩夹薄层泥岩。

1 水平井岩屑床的形成机理

在钻井施工中，钻头破碎岩石，被破碎的岩屑由钻井液携带通过循环系统循环出井眼。但是随着井斜角度的增加，井内钻具受自身重力及井眼轨迹的影响必然会紧贴下井壁，使钻具在井内不能居中，钻具和井眼之间形成一个偏心环空，井眼上部钻井液流速大于井眼下部，并且岩屑受自身重力的作用会径向下沉，岩屑床因此而形成。一旦岩屑堆积形成岩屑床，就会大大增加钻具和井筒之间的摩擦阻力，增加施工中出现卡钻的可能性，从而影响钻井和完井的顺利进行。在扣村油田扣38-10井施工中观察表明，在井斜角大于45°的井段岩屑返出明显减少，易造成井下复杂。

2 影响岩屑床的因素

2.1 井斜、环空返速对岩屑床的影响

2.1.1 井斜对岩屑床的影响

水平井的井眼净化与井斜在45°以下的井有所不同，其一是水平井下井壁处岩屑堆积到一定厚度会形成岩屑床，其二是井斜超过45°，没有通过钻井液及时返出的岩屑会沿着井壁“下滑”在下部井段形成岩屑床，这种现象在停泵时更为明显，这就是水平井钻进时停泵接立柱前要反复划眼的原因，否则接完立柱就不易放到井底、不易开泵，严重时会直接造成卡钻。井斜给岩屑床提供了形成条件。环空岩屑总浓度,临界返速均随井斜增大而增大,井眼净化程度则随井斜角增加而下降,即井斜角越大的井段越易形成厚的岩屑床。国外有研究认为:井斜角达到第一临界值25°～35°，岩屑会在重力作用下沉至低边并滑向井底方向:井斜角达到第二临界值55°～65°时，低边上岩屑停止下滑。由此可见，井斜角30°～60°井段内最易形成岩屑床、最易形成井下事故的发生。

2.1.2 返速对岩屑床的影响

当环空返速达到某一临界值时,岩屑床处于沉积与冲蚀交叠发生的动态平衡状态。有研究认为井斜角45°时,确保岩屑有效上返的临界返速是直井的好几倍。井斜角越大，临界返速越大，如图1所示。但客观上当井斜角不断增加时由于泥浆泵、马达限制以及冲刷等负面影响，不可能无节制提高返速，这样就导致沉积大于冲蚀，故井斜角越大，岩屑床越厚。

图1 井斜、返速对微粒运移速率的影响

顶驱转动钻进时，临界返速的修正现场生产常发现转动钻进比滑动钻进要容易得多，有学者研究后发现，斜井、水平井中钻具转动时，钻具除绕自身轴自转外还有公转存在，从而使得钻井液成螺旋状上返。

2.2 钻具的尺寸对岩屑床的影响

岩屑床和钻具之间有这样的关系：钻具的偏心度越大岩屑床堆积越厚，钻具的倾斜角越大岩屑床堆积越厚，如图2所示。因此增大钻具外径不但可以减小偏心角，而且在泥浆泵排量保持恒定的基础上，钻具外径越大，环空流速就越高，有利于井眼的净化。

图2 钻具偏心度与岩屑床厚度关系图

在钻井施工中，转盘或顶驱是规则的轴向转动，但是钻具在井筒内受钻压、重力等综合因素的影响并不是规则的轴向转动，而是一种复杂的螺旋形运动轨迹，可以通过钻具刮、转、挤、碾逐渐破坏岩屑床。

2.3 钻井液性能对岩屑床的影响

清洁井底、携带岩屑、悬浮岩屑和加重剂、降低岩屑沉降的速度、防止沉砂是钻井液的主要作用，良好的钻井液性能对悬浮、携带岩屑，减少岩屑床的堆积有重要作用，专家认为钻井液动切力达0.957Pa，塑性达3mPa·s以上，返速达0.914m/s以上可控制斜井段岩屑浓度小于5%。

2.4 流态对岩屑床的影响

环空在紊流情况下，岩屑总会被运移走且不受流变性能影响，换句话说,流体将冲蚀岩屑床：在层流情况下要提高携屑能力，就须提高动力、动塑比，但粘度超过临界值，在斜井低边形成岩屑床不动区范围就越宽，携屑能力反而下降，故岩屑床总会形成(但在钻井液处于静止状态时,提高粘度可提高浮力)。

3 常用的井眼净化技术

在水平井钻井施工中，根据能够影响岩屑运移的主要因素，有以下几种可以达到净化井眼破坏岩屑床的方式：一是在合理的范围内提高排量，二是调整好钻井液的性能，三是利用钻具自身的转动破坏岩屑床，四是合理使用好固控设备。现场施工过程中，运用其中一种或是几种方法配合使用，能有效控制岩屑床的堆积。

3.1 在合理的范围内提高排量

在水平井的钻井施工中，排量是携带岩屑的一个重要因素，通过间断性的调整排量大小，使井筒内钻井液处于紊流状态达到携砂的目的。在扣村油田扣38-8H井二开八寸半井眼施工中，钻进排量为32L/s，完井通井下钻到底后逐步提排量至34～36L/s循环，返出大量岩屑，起钻过程中未出现附加拉力增大的情况，证明井筒内岩屑返出情况良好。

3.2 钻井液性能的优化和维护

大斜度井施工作业中，钻井液体系的优化在考虑润滑性、井眼稳定性等的基础上，也要考虑到大斜度钻井的携岩能力问题，钻井液流态选用有利于井眼净化和井壁稳定的平板层流，使用高动塑比、高动切力的钻完井液体系。动塑比范围可保持在0.36～0.70之间，动切力要大于2Pa，旋转粘度计Φ3和Φ6读数值要大于2，同时严格控制初、终切力差值。另外现场应用中，可间断使用紊流段塞或重塞，配合高转速、大排量来提高携岩效果。

3.3 利用钻具自身破坏岩屑床

上文中提到，钻具在井筒内受到钻压、重力、井眼轨迹等多重因素的影响，在井内的转动是一种不规则的螺旋运动，我们可以利用这一特性来达到破坏岩屑床的目的。在现场运用中，我们应根据现场实际情况进行短起下作业，利用钻具台肩的刮、挤及钻具的转动带动岩屑上浮减轻岩屑床的影响。

3.4 合理使用好固控设备

水平井施工，返出的钻井液能否得到良好的净化也同样关键，在合理的范围内尽量使用大目数的筛布，并保证震动筛、除砂器等固控设备能够正常、良好的运转，不能良好的使用固控设备，只会导致井筒内岩屑堆积越来越多，形成恶性循环，增加钻井风险。

在扣38-8H井施工中，振动筛选用200目筛布，除砂器、离心机全程开启，在明化镇井段通过适当放浆，补充胶液的方法将膨润土含量控制在60g/L 以内，配合180mm 缸套提高排量，钻进排量32L/s，通井排量34～36L/s，进入馆陶组后每300～500m 进行短起下作业破坏岩屑床，效果明显，水平井段起钻上提拉力小于100kN，全井固井质量优质。

4 总结

经过对扣村油田水平井施工经验的总结，通过合理的范围内提高排量，调整好钻井液的性能，利用钻具自身的转动破坏岩屑床，合理使用好固控设备这几种方法配合使用，可以达到净化水平井井眼的目的，有效减小起钻上提拉力，降低施工风险。

使用以上几种方法配合，在现场操作简单，使用方便，提高了机械钻速，降低了钻井成本。

在今后施工中，应考虑在明化镇井段配合页岩抑制剂降低钻井液中膨润土含量，减少放浆次数，通过页岩抑制剂中的正电离子和膨润土的负电离子形成絮凝，从而降低钻井液中有害固相含量，避免岩屑床形成。