復(fù)雜結(jié)構(gòu)井井眼清潔技術(shù)研究進展

孫曉峰 ，閆鐵 ，王克林 ，焦建軍 ，張楊

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油集團海洋工程有限公司天津分公司，天津 300450；3.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 843300）

復(fù)雜結(jié)構(gòu)井包括大位移井、水平井、多分支井等井型，廣泛應(yīng)用于海洋油氣田開發(fā)、老油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)和低滲透油氣田開發(fā)［1-2］；然而，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井時大斜度井段和水平井段易出現(xiàn)井眼清潔問題，盡管采取了很多井眼清潔方法，井眼清潔問題導(dǎo)致的鉆井事故仍時有發(fā)生，且處理卡鉆的成本很高［3］。我國南海西江24-A14大位移井在φ311.15 mm井段鉆進時，井眼清洗不好導(dǎo)致嚴(yán)重的卡鉆事故，最終在井深4 502 m處將鉆具卡死［4］。四川油田隆40-1大斜度井在鉆井過程中，由于井眼清潔問題多次卡鉆，最終在2 288.87 m將鉆具卡死，致使填井后側(cè)鉆［5］。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對大斜度井段和水平井段井眼清潔問題開展了大量研究，并取得一定成果；但井眼清潔的影響因素很多，巖屑運移過程復(fù)雜，難以準(zhǔn)確預(yù)測巖屑床的厚度或面積。本文系統(tǒng)闡述了影響井眼清潔的主要因素，以及描述巖屑運移規(guī)律理論模型的研究成果和最新進展，討論了巖屑床清潔工具與清潔技術(shù)的發(fā)展趨勢，以為今后深入研究井眼清潔問題提供參考。

1 井眼清潔主要影響因素

在鉆井過程中，影響井眼清潔的因素主要包括環(huán)空流速、流變性、井斜角、機械鉆速、鉆井液密度、巖屑尺寸和密度等［6］。其中，環(huán)空流速、流變性、井斜角是影響攜巖的主要因素［7］，而鉆桿旋轉(zhuǎn)則使環(huán)空巖屑運移規(guī)律更加復(fù)雜。

1.1 環(huán)空流速

在大斜度井段和水平井段，鉆井液均勻懸浮巖屑形成擬單相流動時，攜巖效率最優(yōu)。鉆井液流速是抑制巖屑床形成的重要參數(shù)，數(shù)值模擬研究表明（見圖1），鉆桿旋轉(zhuǎn)把巖屑上甩至環(huán)空高邊的高速流核區(qū)，即“傳送帶”，并利用傳送帶來完成巖屑運移［8］。實驗分析及理論研究表明，隨著環(huán)空流速的增加，環(huán)空紊流強度增加，對已形成的巖屑床產(chǎn)生破壞，使得環(huán)空巖屑總體積分數(shù)、巖屑床面積/環(huán)空面積、巖屑床厚度減小。陳俊等［9］的清水?dāng)y巖實驗表明，環(huán)空流速從0.55 m/s增至1.05 m/s時，環(huán)空巖屑總體積分數(shù)由32%急降至6%。Ozbayoglu等［10］從機械鉆速為9 m/h的水平井段實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)空流速由0.6 m/s增至1.2 m/s時，巖屑床面積/環(huán)空面積由0.6%減小到約0.2%。汪志明等［11］考慮顆粒沉降受阻時的2層模型模擬表明，當(dāng)環(huán)空流速從0.6 m/s增至1.2 m/s時，巖屑床厚度則從6.6 cm減少到約4.8 cm。

圖1 環(huán)空流場模擬

1.2 鉆桿轉(zhuǎn)速

大量現(xiàn)場和室內(nèi)實驗均表明鉆桿旋轉(zhuǎn)有助于巖屑運移［12-14］。Ozbayoglu 等［14］通過實驗得出，當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速由0 r/min增至40 r/min時，巖屑床面積/環(huán)空面積由49%驟減至28%，但當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)增至120 r/min時，其面積比值僅減至20.5%。顯然，鉆桿轉(zhuǎn)速對攜巖的影響存在一個臨界值，當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速達到臨界值后，繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速對井眼清潔的影響不大［15］。Bassal［16］，Sanchez 等［17］發(fā)現(xiàn)鉆桿旋轉(zhuǎn)對水平井段的井眼清潔效果很好。Saasen等［18］研究表明，在油基鉆井液形成的巖屑床中，巖屑處于分散狀態(tài)，鉆桿旋轉(zhuǎn)只能把床面顆粒帶入流核區(qū)；而在含聚合物的水基鉆井液形成的巖屑床中，巖屑處于聯(lián)結(jié)狀態(tài)，鉆桿旋轉(zhuǎn)使更多的巖屑進入流核區(qū)。所以，鉆桿旋轉(zhuǎn)對井眼清潔程度的影響除了鉆桿轉(zhuǎn)速外，還與井斜角、巖屑床性質(zhì)有關(guān)。

此外，用計算流體力學(xué)軟件（CFD）模擬發(fā)現(xiàn)，在偏心環(huán)空鉆柱旋轉(zhuǎn)帶動液、固相作類螺旋流動［19］，并沿著旋轉(zhuǎn)方向不斷將動量傳遞給貼近鉆柱表面的一層巖屑顆粒，巖屑不斷向另一側(cè)滑移，表面巖屑顆粒將帶動其下面巖屑顆粒作沿井壁的周向（切向）運動，偏心環(huán)空右下側(cè)巖屑體積分數(shù)大，左下側(cè)體積分數(shù)?。ㄒ妶D2）。

圖2 鉆桿旋轉(zhuǎn)數(shù)值模擬

1.3 鉆井液流變性

鉆井液流變性是改善井眼清潔較為主要的可控因素之一［20］。 Rishi等［6］控制排量在 45 m3/h，用 n 為 0.52，K為855 mPa·sn的鉆井液在層流下測得 90，87°井斜角對應(yīng)的巖屑床厚度分別為91.44，86.36 mm；當(dāng)排量升至90 m3/h時，用n為0.58，K為97 mPa·sn的鉆井液在湍流下測得90，87°井斜角對應(yīng)的巖屑床厚度分別為2.54，0 mm。該實驗表明，在水平井或近水平井中，巖屑床表面的剪切力對巖屑運移起到了關(guān)鍵作用，低黏度流體以高速湍流流態(tài)泵入比高黏度流體以層流流態(tài)泵入有更高的井眼清潔效率。Walker等［21］在水平井段分別用水、HEC凝膠和Xanvis聚合物的攜巖實驗表明，HEC和Xanvis比水更有助于攜帶巖屑。

Okrajni等［22］觀察到井斜角為 0～45°時，屈服應(yīng)力對井眼清潔的影響顯著；當(dāng)井斜角為45～90°時，影響可以忽略。他們還發(fā)現(xiàn)在層流流態(tài)下，增加動塑比可以改善巖屑運移效果，而在紊流狀態(tài)下，鉆井液流變性對巖屑運移沒有影響；因此，鉆井液的屈服應(yīng)力和動塑比也會影響井眼清潔。

1.4 井斜角

Okrajni等［23］觀察到井斜角為 45～55°時，巖屑難以清除。 Zamora 等［12］把井斜角分成 4 組，即 0～10°，10～30°，30～60°和 60～90°，發(fā)現(xiàn)在 30～60°井段巖屑床最難清除。雖然不同文獻給出的范圍不盡相同，但巖屑難以運移的井斜角區(qū)間為 30～60°［24-25］，CFD 模擬表明（見圖3），在該井段偏心環(huán)空低邊存在逆壓差，導(dǎo)致巖屑床加速下滑。Li等［25］通過實驗發(fā)現(xiàn)，井斜角會影響巖屑床厚度。實驗中控制排量為8.33 L/s，機械鉆速為40 m/h，當(dāng)井斜角由60°增至90°時，巖屑床厚度則由6.35 cm增至7.62 cm，水平井段的巖屑床厚度或面積最大；但相對于30～60°井段在重力和逆壓差作用下巖屑床沿井眼向下滑移，水平井段巖屑床不存在滑移，巖屑床更容易清除。綜上所述，當(dāng)鉆至井斜角為30～90°時，由于鉆井液攜帶效率下降會導(dǎo)致巖屑床形成，為了安全鉆井，需要采取相應(yīng)的措施。

圖3 環(huán)空壓降模擬

2 井眼清潔理論數(shù)學(xué)模型

為研究實鉆過程中大斜度井段和水平井段的巖屑運移規(guī)律，很多學(xué)者開展了大量的室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗，建立了描述巖屑運移規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，歸納起來可以分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头謱永碚撃Ｐ?。這些模型為水平井、大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆前水力學(xué)參數(shù)設(shè)計提供了合理的理論依據(jù)。

2.1 經(jīng)驗井眼清潔模型

劉希圣等［26］忽略鉆柱旋轉(zhuǎn)和井斜角的影響，建立了定向井（井斜角大于40°）環(huán)空巖屑床厚度的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，模型與實驗數(shù)據(jù)的平均誤差小于10%。周風(fēng)山等［27］根據(jù)偏心環(huán)空中的兩相流流動規(guī)律，建立了用于計算水平井巖屑床厚度的理論模型，結(jié)合室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)及優(yōu)化理論，提出了預(yù)測巖屑床厚度的半經(jīng)驗公式，并用于SP-1井巖屑床厚度的預(yù)測。Ozbayoglu等［28］應(yīng)用π定理定義了一組無量綱參數(shù)，在鉆桿完全偏心但不旋轉(zhuǎn)的條件下，通過大量實驗回歸出巖屑床截面面積模型，模型誤差小于15%。

以下模型均考慮了鉆柱旋轉(zhuǎn)的影響：汪海閣等［3，29］通過大量室內(nèi)實驗，得到了水平井段巖屑運移規(guī)律，采用多元參數(shù)統(tǒng)計方法回歸實驗數(shù)據(jù)，得到了水平井段環(huán)空巖屑床厚度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，模型與實驗數(shù)據(jù)的平均誤差小于8%；李明等［19］選擇φ215.9 mm井眼及φ127.0 mm鉆柱作為環(huán)空尺寸，同時取鉆柱偏心度為0.5，選擇軸向長度為20 m的物理模型，用CFD進行模擬，并利用模擬結(jié)果建立了巖屑床厚度模型。

以上經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎惴奖悖珶o法從本質(zhì)上揭示巖屑運移規(guī)律，且適用范圍較窄；因此，需要對理論模型進行深入研究。

2.2 2層井眼清潔模型

Gavignet和 Sobey［30］在借鑒 Dukler［31］固液管流理論的基礎(chǔ)上，首次將井眼環(huán)空攜巖流域平行劃分為巖屑床和懸浮層。模型假設(shè)巖屑已經(jīng)沉降到井眼低邊，并形成巖屑床，懸浮層為純鉆井液，同時鉆桿不旋轉(zhuǎn)。與此假設(shè)類似，劉希圣等［26］建立了定向井（井斜角大于 40°）的2層井眼清潔模型，運用反推法對模型求解。Martins等［32］、汪 志明 等［11，33］在 Gavignet和 Sobey 模型的基礎(chǔ)上，引進擴散方程以描述巖屑床厚度與懸浮層巖屑濃度分布的關(guān)系。考慮到巖屑在環(huán)空運移過程中存在滑脫現(xiàn)象，Santana 等［34］以 Doron［35］管流理論為基礎(chǔ)，建立了2層井眼清潔模型。汪海閣等［29］應(yīng)用固、液兩相流體力學(xué)的基本理論，結(jié)合實驗中觀察到的巖屑運移情況，從紊流的紊動擴散作用出發(fā)，建立了水平井段的2層井眼清潔模型。Kamp等［36］在考慮巖屑沉降與懸浮的基礎(chǔ)上，建立了大斜度井的2層井眼清潔模型，并利用無量綱矩陣進行模型求解。Espinosa-Paredes等［37-39］運用體積平均法建立了2層井眼清潔模型，但沒有給出具體的求解方法。

以上模型都是2層穩(wěn)定井眼清潔模型，無法描述巖屑在環(huán)空中的運移和累積過程，特別是在斜井段和水平段，容易產(chǎn)生較大誤差［40-43］。 Martins［44］、汪志明［45］等考慮了井壁坍塌掉塊，將井壁穩(wěn)定與巖屑運移問題作為整體考慮，建立了大位移井不穩(wěn)定井眼清潔模型，并用有限體積法求解。Suzana等［46］在考慮懸浮層固液耦合作用的基礎(chǔ)上，利用漂移模型，研究了巖屑的2層不穩(wěn)定運移模型。

2.3 3層井眼清潔模型

Sharma［47］把 Gavignet和 Sobey 模型中的巖屑床分成移動和靜止2種，即環(huán)空存在3層流動狀態(tài)，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合很好，但模型封閉方程的信息較少。在Nguyen等［48］的3層模型中，懸浮層的速度梯度遵循Wilson［49］的分布規(guī)律，但懸浮層只有鉆井液，且沒有明確每層流動的邊界條件。 Cho 等［50-51］在Doron 管流模型［52］中引入流速，并考慮了鉆井液流變性、巖屑形狀和濃度、連續(xù)油管的偏心，建立了滿足連續(xù)油管鉆井的3層模型，模擬結(jié)果與Nguyen等的數(shù)據(jù)基本一致。

以上模型均忽略鉆桿旋轉(zhuǎn)，且為穩(wěn)定井眼清潔模型。郭曉樂等［53］根據(jù)固液兩相流理論，綜合考慮巖屑的懸浮、滾動和滑動運移方式，懸浮層固液相速度差及鉆桿旋轉(zhuǎn)的影響，建立適用于大位移井全井段的3層巖屑動態(tài)運移模型，并通過SETS（stability enhancing two step）方法求解。

3 巖屑床清潔工具

在抑制巖屑床形成的技術(shù)中，改進鉆井液性能或提高排量均會增加作業(yè)費用；而機械法清除巖屑床則是利用鉆柱旋轉(zhuǎn)的機械能，不需要額外能量輸入，節(jié)約成本，所以近幾年機械法抑制巖屑床工具［54-56］的研發(fā)倍受重視。

工具設(shè)計通常借助CFD商用軟件。其結(jié)構(gòu)包括旋流短節(jié)、保護接頭等，利用鉆桿提供的扭矩旋轉(zhuǎn)破壞巖屑床，使巖屑均勻懸浮。巖屑床清潔工具結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，一方面是如何在破壞巖屑床的同時，不增加鉆柱的摩阻和扭矩；另一方面是工具短節(jié)如何有效增加對鉆井液的推力，使巖屑均勻懸浮。鑒于該工具的優(yōu)點，應(yīng)大力研發(fā)和推廣同類工具。

4 井眼清潔技術(shù)展望

4.1 提高井眼清潔數(shù)學(xué)模型精度

隨著巖屑運移規(guī)律研究的不斷深入，以分層理論為基礎(chǔ)的2層和3層理論清潔模型得到了充分發(fā)展?？紤]到環(huán)空巖屑運移過程的復(fù)雜性和影響因素的多樣性，現(xiàn)有模型仍無法準(zhǔn)確描述鉆桿旋轉(zhuǎn)下的巖屑運移規(guī)律，亟需先進的實驗裝置進一步研究巖屑運移規(guī)律，以及新的理論方法描述巖屑運移過程。在經(jīng)驗?zāi)Ｐ头矫?，由于實驗條件和數(shù)據(jù)處理方法的限制，計算結(jié)果與井眼實際相比還存在一定差距。相對于分層理論模型，經(jīng)驗?zāi)Ｐ途哂羞\算速度快、易于編程的優(yōu)點，但預(yù)測精度仍需要在未來通過大量室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗反復(fù)驗證加以提高。

4.2 建立井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)

為了更好地解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的井眼清潔問題，可以建立一套實時監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的快速反饋系統(tǒng)，實時收集旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、井下系統(tǒng)等的有效數(shù)據(jù)，以反映當(dāng)前的井眼清潔情況，同時用于預(yù)測將來的井眼清潔狀況以及面臨的作業(yè)風(fēng)險，以便快速準(zhǔn)確地決策是否采取巖屑床抑制措施防范井下事故。Martins［57］和Nazari［58］等對建立井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，并在現(xiàn)場進行了初步嘗試。但建立一套完整的實時采集與控制系統(tǒng)，仍需要更多的現(xiàn)場試驗和模型驗證。

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