超深大位移井井筒清潔技術(shù)及工程實踐

左宏剛，何福耀，嚴(yán)維鋒，和鵬飛，張子明

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

東海盆地位于中國東部海域，屬大陸邊緣斷陷-坳陷盆地，深部地層蘊藏著豐富的油氣資源，有待大規(guī)模的有效開發(fā)[1-5]。近年來，隨著勘探開發(fā)逐漸向深層推進(jìn)，造成作業(yè)深度的大幅增加，對鉆完井工程技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。截至目前，東海已發(fā)現(xiàn)一批大中型油氣田，面臨著深井超深井及大位移井等因素疊合的重大技術(shù)難題。

1 項目背景及難點

1.1 項目背景

某區(qū)塊油氣田的X 井是一口超深大位移探井，完鉆井深7 296 m，最大井斜角75.32°，垂深3 655.24 m，水平投影位移4 129.23 m，水平投影長度5 357.27 m，井身結(jié)構(gòu)（見圖1）。X 井鉆探目的為落實團(tuán)三南構(gòu)造花港組（H4 和H6）、某區(qū)塊組儲層展布和含油氣性。本井鉆遇地層自上而下為：第四系東海群（Qd），上第三系上新統(tǒng)三潭組（N2S）,上第三系中新統(tǒng)柳浪組（N13L）、玉泉組（N12Y）、龍井組（N11L），下第三系漸新統(tǒng)花港組（E3h）、始新統(tǒng)某區(qū)塊組（E2p），其巖性以砂巖、泥巖為主，局部夾雜煤層。據(jù)資料統(tǒng)計，P10層及其以上地層為常壓地層，從P11 層開始出現(xiàn)異常高壓，預(yù)測井底地層壓力48.51 MPa。預(yù)測井底溫度為134.8 ℃。

1.2 井筒清潔的難點和風(fēng)險

根據(jù)某區(qū)塊ZG1 大位移井等東海典型深井超深井在311.15 mm 井段、212.725 mm 井段鉆進(jìn)期間的扭矩波動數(shù)據(jù)，A2H、A5 以及某區(qū)塊ZG1 此三口超深井的最大鉆進(jìn)扭矩都超過了60 kN·m，A5 井更是達(dá)到了75 kN·m。由于鉆具持續(xù)承受較高扭矩，A2H、A5 在四開212.725 mm 井段鉆進(jìn)期間先后發(fā)生鉆具刺漏，好在及時發(fā)現(xiàn)后起鉆進(jìn)行檢查、更換，未釀成鉆具斷落事故。根據(jù)以往的經(jīng)驗和大位移井特點，可以得到X 井井筒清潔的主要難點和風(fēng)險。

（1）X 井易形成巖屑床。X 井大位移井延伸段長，井斜角大，在重力的作業(yè)下，巖屑運移軌跡拋物線式逐漸沉積在井底低邊形成巖屑床，本井311.15 mm 井眼裸眼長達(dá)4 462.61 m，1 752.39 m～5 890 m 井段75.32°穩(wěn)斜，5 890 m～6 215 m 井段連續(xù)降斜至56°，非常容易產(chǎn)生巖屑床。

（2）設(shè)備能力要求高。大位移井在深部鉆進(jìn)時，受鉆井設(shè)備能力、井漏風(fēng)險等因素的限制，排量可能無法滿足井筒清潔要求，因此，需根據(jù)巖屑床模擬情況，為特定的轉(zhuǎn)速和排量組合匹配合理的機(jī)械鉆速，并通過短起下鉆進(jìn)行驗證，通過觀察對比返砂情況對井筒清潔狀況進(jìn)行判斷。

（3）井筒清潔不足帶來的潛在風(fēng)險。井筒清潔程度對鉆完井參數(shù)和施工過程都會產(chǎn)生影響，如泵壓、扭矩、井底ECD、鉆柱摩阻、機(jī)械鉆速等都會隨著井眼的清潔程度而發(fā)生變化[4，6-8]。裸眼段長、井斜角大以及由此帶來的井筒清潔問題都會使井眼摩阻系數(shù)增加，致使鉆柱起下摩阻以及鉆進(jìn)扭矩較高，一者加劇了鉆機(jī)負(fù)荷，二者易導(dǎo)致鉆具疲勞損傷甚至扭斷，三者造成套管嚴(yán)重磨損，縮短采油周期。

2 關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

2.1 巖屑床模擬分析技術(shù)

圖1 X 井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 大位移井巖屑運移機(jī)理 巖屑在循環(huán)狀態(tài)在環(huán)空內(nèi)是受到鉆井液運動所形成的沖刷力、重力、浮力。通常巖屑所受的沖刷力與巖屑的最小橫截面有關(guān)，而重力與巖屑體積有關(guān)，所以越小的巖屑在環(huán)空懸浮性越好，在井中就越快出井，越大出井速度越慢，當(dāng)巖屑大到一定程度，可能也會難以循環(huán)出井[9，10]。

直井循環(huán)過程通常在循環(huán)一個遲到時間后，井眼就變得非常干凈；而大位移井通常循環(huán)三到四個循環(huán)周巖屑仍然很多。這是因為巖屑運移方式的不同。在直井井段巖屑所受到?jīng)_刷力使其向上運動，而重力作用使其比鉆井液返速稍慢，此時鉆井液的流變性起到?jīng)Q定作用[11-13]。

而大位移井鉆具基本都是在低邊運動，巖屑受到重力作用會使其沉向井眼低邊，導(dǎo)致井眼低邊的流動空間變小，且鉆井液巖屑含量高，這就使井眼低邊鉆井液流動阻力高于井眼高邊。進(jìn)而造成井眼內(nèi)上部為高速流，下部為低速流。井眼鉆具兩側(cè)最易形成巖屑床，且?guī)r屑床表層流動阻力最大，流體流速下降基本都為層流狀態(tài)。當(dāng)巖屑上的流體沖刷力不足以帶動巖屑運移時就形成流巖屑床。鉆具的高速轉(zhuǎn)動能帶動周圍鉆井液運動，這個運動將巖屑拋入高速流空間，加快巖屑的出井速度（見圖2、圖3）[14，15]。

巖屑床形成后即使加大排量和轉(zhuǎn)速也很難一次清除，只能一層一層的慢慢減少。這是有時使用重稠塞也不能掃出很多巖屑的原因。有時泥巖巖屑會被鉆具的不規(guī)則滾動壓實在井壁上，這種巖屑只有在扶正器或鉆頭等大直徑鉆具通過時才會被清除。在井徑不規(guī)則井段，特別是在擴(kuò)徑井段，巖屑床也很難得到清除。

圖2 井眼內(nèi)巖屑運移示意圖

圖3 井眼內(nèi)巖屑堆積情況

圖4 排量不變情況下不同機(jī)械轉(zhuǎn)速與不同轉(zhuǎn)速產(chǎn)生組合產(chǎn)生的巖屑床厚度

2.1.2 巖屑床的模擬和參數(shù)優(yōu)化推薦 目前利用專業(yè)的巖屑床模擬軟件模擬大位移井巖屑床形成的厚度。將目前鉆井液性能與預(yù)計調(diào)整后的鉆井液性能，計算出不同機(jī)械鉆速與頂驅(qū)轉(zhuǎn)速組合產(chǎn)生的巖屑床厚度（見圖4），分析優(yōu)選鉆進(jìn)方案，方案優(yōu)選方向包括：（1）在設(shè)備承受能力提高轉(zhuǎn)速；（2）在可接受范圍降低機(jī)械轉(zhuǎn)速；（3）改善鉆井液性能。

X 井作業(yè)中模擬提高轉(zhuǎn)速及鉆井液性能、降低機(jī)械鉆速等各種手段來減少巖屑床產(chǎn)生，從而指導(dǎo)作業(yè)。特別是短起下鉆作業(yè)，當(dāng)鉆井井段計算井筒清潔狀態(tài)都較好的情況下，短起下鉆可采用直起直下修整井眼就可以滿足作業(yè)需求，能有效節(jié)約生產(chǎn)時間。在后續(xù)作業(yè)中此種手段取得良好的應(yīng)用效果。

專業(yè)巖屑床模擬軟件模擬相同密度和參數(shù)情況下，不同機(jī)械鉆速與轉(zhuǎn)速的巖屑床厚度模擬Landmark軟件水力模塊對每日鉆進(jìn)過程的井筒清潔參數(shù)進(jìn)行分析，提供參考的最低井筒清潔排量，根據(jù)鉆井液性能及對應(yīng)鉆參下計算的最小排量與ROP 對應(yīng)圖（見圖5）。

2.1.3 鉆進(jìn)模擬ECD 與實測ECD 的對比 可通過鉆進(jìn)模擬ECD 與實測ECD 的對比情況，判斷井筒清潔情況是否正常。2 700 m～3 200 m 鉆進(jìn)過程實際ECD一直偏大，而實際短起下鉆過程這段也確實比較難通過，也從側(cè)面證明了此井段是有巖屑床，短起下鉆后模擬ECD 與實際ECD 基本一致（見圖6）。

2.1.4 摩擦系數(shù)輔助判斷井筒清潔 摩擦系數(shù)也是井筒清潔狀況重要指標(biāo)。從實際跟蹤情況來看每次短起下鉆摩擦系數(shù)都有不同程度改善（見圖7）。

圖5 滿足井筒清潔轉(zhuǎn)速0～200 r/min 情況下最小排量與最大機(jī)械轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系圖

圖6 鉆進(jìn)模擬ECD 與實測ECD 對比圖

圖7 摩擦系數(shù)監(jiān)測

2.2 井筒清潔配套工程措施

根據(jù)鉆井參數(shù)與鉆井液性能實時模擬井筒清潔狀態(tài)，最大限度保證井筒清潔，找準(zhǔn)鉆參和鉆井液性能的最優(yōu)契合點，短起前錯位循環(huán)措施得當(dāng)、循環(huán)充分，有效保障井筒清潔。

采用大尺寸鉆桿或鉆桿復(fù)配，降低循環(huán)壓耗，避免在深部井段循環(huán)排量受限。

MWD 隨鉆測壓實時監(jiān)測ECD，判斷井筒清潔狀況。

加強固控，結(jié)合地層特性、鉆井液性能變化合理配置振動篩布目數(shù)，在本井實際鉆進(jìn)過程中選用進(jìn)口210～230 目篩布，加強巡檢，及時更換破損篩布，改造平臺原裝離心機(jī)排砂管線，三臺離心機(jī)保障固控。利用短起下鉆時間地面循環(huán)處理鉆井液池、沉砂池鉆井液。

中完后井筒處理措施到位：（1）倒劃眼期間針對砂泥巖互層、煤層或淺部疏松砂層大肚子井段等阻卡段，分段主動循環(huán)+阻卡后被動循環(huán)+稀稠塞清掃有效清除鉆屑；（2）根據(jù)參數(shù)和巖屑錄井資料準(zhǔn)確判斷阻卡點特性，有針對性地進(jìn)行處理，停泵停轉(zhuǎn)下放模擬下套管狀況，確保阻卡點順暢無阻掛。

2.3 鉆井液清潔井眼技術(shù)

改善鉆井液攜巖性和流變性，滿足直徑311.15 mm井段的井筒清潔要求：（1）油基鉆井液通過調(diào)整HIRHEO-A 提切劑的質(zhì)量濃度（5 kg/m3～10 kg/m3）提高鉆井液的動切力、動塑比及鉆井液的3 轉(zhuǎn)讀數(shù)，鉆井中始終保持低黏高切的流變特性，以提高巖屑攜帶和懸浮能力；（2）在停泵或起下鉆的靜態(tài)時，為了避免巖屑下沉，需要盡可能地提高3 轉(zhuǎn)讀數(shù)在10 以上，低剪切速率黏度高（LSRV 在30 000 mPa·s 以上）；（3）循環(huán)洗井時，可通過泵入一段白油后跟一段稠塞（井漿＋5 kg/m3～10 kg/m3HIRHEO-A 提切劑）的方法，大排量循環(huán)并不停地上下活動和轉(zhuǎn)動鉆具協(xié)助清砂；（4）鉆進(jìn)新地層后及時開啟固控設(shè)備，清除有害固相。要求固相控制設(shè)備（振動篩、除泥器、除砂器及離心機(jī)等）運行正常，配備相應(yīng)的易損配件，能有效清除鉆井液中的有害固相。

2.3.1 311.15 mm 井眼鉆井液性能維護(hù)措施 新漿在65 ℃溫度下，測量性能（見表1）。

新漿破乳電壓偏低，切力偏低，分析為配制新漿乳化劑加量不夠、剪切不充分，加入10 kg/m3PFMOEMUL、2.5 kg/m3PF-MOCOAT 提高破乳電壓，切力等頂替完油基鉆井液建立循環(huán)后，視情況調(diào)整。循環(huán)兩周后，鉆井液性能（見表2）。

井漿循環(huán)均勻后，各項性能基本符合要求，可適當(dāng)提高R6/R3，進(jìn)一步提高破乳電壓，循環(huán)池中直接補入5 kg/m3～6 kg/m3的PF-MOEMUL 和1.5 kg/m3的PFMOCOAT，提高井漿破乳電壓，增強井漿穩(wěn)定性。

2.3.2 215.9 mm 井眼鉆井液性能維護(hù)措施 花港組泥砂互層頻繁，夾層多。為確保井壁穩(wěn)定，補充10 kg/m3的PF-MOLSF 和10 kg/m3的PF-MOHFR，進(jìn)一步強化封堵，控制高溫高壓濾失量，提高井壁穩(wěn)定性。鉆進(jìn)至6 445 m，測量其性能（65 ℃）（見表3）。

表1 311.15 mm井眼新漿性能指標(biāo)

表2 311.15 mm井眼鉆井液性能指標(biāo)

表3 215.9 mm 井眼鉆井液性能

鉆進(jìn)至6 712 m，進(jìn)入某區(qū)塊組地層P2，考慮到煤層發(fā)育，井壁有失穩(wěn)的風(fēng)險，封堵再加強，勤觀察振動篩篩面返出，是否有掉塊等。維護(hù)以補充新漿為主，每12 h 補充2 kg/m3的PF-MOVIS 維持消耗，維持動切力和3/6 轉(zhuǎn)，確保鉆井液的攜砂性。

3 結(jié)語

通過超深大位移井井筒清潔技術(shù)的應(yīng)用，最終X井實現(xiàn)井深7 296 m 鉆井周期僅57.33 d 的東海記錄。通過對大位移井巖屑床厚度的模型分析，定性地討論衡量了4 種關(guān)鍵參數(shù)對井筒清潔的影響。分析表明，在保證安全鉆進(jìn)的情況下應(yīng)盡可能提高鉆井液排量，合理控制機(jī)械轉(zhuǎn)速，改善鉆井液性能，特別是攜巖性和流變性，以提高鉆井液懸浮和攜帶巖屑的能力。根據(jù)模擬不產(chǎn)生巖屑床的井筒清潔參數(shù)，短起下鉆基本實現(xiàn)直起直下，避免的大量劃眼時間。大位移井井筒清潔技術(shù)在X 井的成功應(yīng)用極具代表性，這是理論與實際相結(jié)合的又一突破，對東海其他區(qū)塊大位移井的作業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。