直井、斜井和水平井井眼净化和岩屑清除最优化M. Mohammadsalehi等著翻译：魏振（钻井所）审校：（）摘要：随着水平井测量深度和水平位移的提高，优质的井眼净化和岩屑清除已经成为解决钻杆粘卡、非正常拉扭、机械钻速低等问题的关键。

目前，许多方法和模型都是通过计算最小排量来有效地解决钻井过程中的岩屑清除问题。

其中的Larsen模型，能够预测55°~90°井斜范围的最小排量，另一个Morre关系式用来计算直井段上返泥浆中岩屑的下滑速度。

本论文通过结合Larsen模型和Morre关系式，用以预测和计算0°~90°井斜范围清除岩屑的最小排量。

用计算出的最小排量与使钻头功率或喷射力最大化的排量（优化排量）相比较，如果清除岩屑排量比优化排量较小，就选择优化排量；如果清除岩屑排量比优化排量较高，就调整钻井液流变性，直到优化排量高于清除岩屑排量。

这个工艺既优化了水力学参数，又起到净化井眼的目的。

本论文选择了直井、斜井和水平井来阐述这个工艺技术，对所有井斜都具有适用性。

关键词：优化排量井眼净化岩屑清除工艺技术介绍清除井眼岩屑一直是钻井过程的难题。

上世纪八十年代早期，钻井工作者大多致力于弄清楚直井的井眼净化问题。

差的井眼净化可能造成循环漏失、下套管困难、起下钻困难、过大的旋转扭矩、过高的当量循环密度、地层破裂、机械钻速降低、钻头过度磨损和钻杆粘卡等问题。

影响岩屑输送的主要影响因素包括：钻杆的偏心率、井眼直径、井斜角、钻井流体密度、岩屑体积、岩屑密度、机械钻速、转盘转速、钻井液的流变性和排量等。

通过以上参数控制岩屑的清除，例如：钻杆的偏心率是影响岩屑输送的主要因素，但是在钻井作业中评估钻杆偏心率十分困难。

图1阐明了这些参数的关系。

图1: 影响井眼净化参数钻井液流变性和排量是影响岩屑输送的两个主要参数，而且在钻井作业中相对容易控制。

基于以上这些情况、方法和模型，通过确定最小排量来清除特殊钻井环境和钻井液流变性的井筒中的岩屑。

Larsen模型能够预测55°~90°井斜角范围的清除岩屑的最小排量；另一个Morre模型能够计算岩屑在直井中的沉降速度。

通过Matlab编程，能够用这两种方法预测0°~90°井斜范围岩屑输送的最小排量。

另一个程序针对不同的钻井液流变性、用水功率和喷射冲击力准则计算最小排量。

最后，将这两个程序结合，确定钻井液的流变性，以给出能够清除岩屑的最小排量，并且应用于Varaminin的Yorte-E-Sha油田的YS5水平井。

钻井液流变性和排量对井眼净化的影响/作用钻井液影响井眼净化的主要因素是泥浆比重和泥浆粘度。

泥浆密度的主要功能是稳定井壁和阻止地层流体侵入。

通过增加泥浆密度能够加强岩屑的悬浮能力和运载力。

但是，泥浆密度的增加会降低机械钻速，因此，不采用提高泥浆密度的方法来净化井眼。

粘度对于井眼净化的影响能够描述为YP/PV比率，针对宾汉姆流体的特有剪切速度（YP 是流体屈服强度，PV是流体塑性粘度）。

这个比率是流体粘度两倍于塑性粘度的剪切速率。

剪切速率远大于YP/PV，流体多为牛顿流体；剪切速率小于YP/PV，流体剪切变稀。

90%的剪切变稀发生在剪切速率大约为10YP/PV。

对于有些系统，YP/PV能够用来评定流体剪切变稀的性质。

因此，用YP/PV来比较流体性质十分重要。

对于定向井而言，流体粘度的增加会降低钻井液净化井眼的能力。

事实上，用清水钻井是定向钻井过程中净化井眼最有效的手段，用清水打钻能够解决低排量带来的循环紊流，是最有效的井眼净化方式。

紊流就像摩擦力，会使压降损失增加，导致岩屑床表面的剪应力增大，增大的剪应力能够帮助清除更多的岩屑。

Okrajni观察到在紊流条件下，对于任意井斜角，岩屑的运载都不受泥浆性能的影响。

层流时，YP/PV比率越高，井斜角越低，岩屑富集度越低。

Okrajni发现井斜角位于0°~55°范围，层流对于井眼净化更有利；而紊流对于55°~90°井斜角范围的井眼净化更有利。

Iyoho注意到，在直井中，紊流中的低粘度泥浆和层流中的高粘度泥浆性能差不多。

对于大斜度井而言，环状层流对于岩屑的运载更加有利。

泵排量是影响岩屑床发育最大的因素。

泵排量也可以称为环流速度。

排量的急剧增加能够阻止岩屑床的形成，并增加的岩屑的运载能力。

这是由于更高的排量使作用于岩屑床的剪应力更大，从而阻止了岩屑床的形成。

特别是紊流对于岩屑的运载更为有利，岩屑床的发育大大降低。

尽管如此，排量上限的规定是：（1）钻机的水功率利用率。

（2）允许的当量循环密度。

（3）裸眼井段的水力冲蚀率。

随着钻井液排量的增加，岩屑在井眼较低一侧堆积减少直到排量达到一特殊值（没有颗粒沉降和无岩屑堆积发生）。

大多数预测岩屑运载的最小排量模型，定义临界运载速度为最小流速，需要保持岩屑向上不断地运动。

当整体容积排量没有产生运载岩屑的流速，岩屑开始堆积在钻柱底部，形成不动的岩屑床。

当岩屑床的高度与岩屑床之上的速度相平衡时，与水流联通区域，形成充足运载岩屑的能力，使岩屑床不能堆积。

当整体容积速率达到将岩屑床分散成缓慢移动的岩屑床时，容积排量足够高，以分配固体颗粒到水相中。

固体颗粒在水相中分配如图2。

图2: 岩屑在液相中的分散分布状态Larsen 模型和Morre 关系比较rsen 、A.A.Pilehvari 和J.J.Azar （SPE-25872）介绍了预测定向井和水平井中岩屑在泥浆中下滑速度和最小速度的方法。

他们指出最小速度是下滑速度和岩屑速度（钻头的切削速率）的叠加。

最小速度取决于机械钻速、钻杆外径和井眼直径，其表达式如下：slip cut V V V +=min （1）岩屑速度表达式为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ROP D D ROPV hole pip cut 16.1864.01362（2）下滑速度的表达式为：()⎩⎨⎧>+-<+=cp cp V a a a a slip 5382.353002554.053006.300516.0μμμμ（3）这两个下滑速度的方程式与泥浆密度、井斜角和岩屑平均大小有关。

泥浆密度相关系数是：()⎩⎨⎧<>--=7.817.87.8333.01m m m mwt C ρρρ（4）井斜角的相关系数是： 213.0000233.00342.02--=ang ang ang C θθ（5）岩屑平均大小的相关系数是：286.104.150+-=cut size D C （6）下滑速度表达式为：()()()mut size ang slip slip C C C V V =（7）Morre 关系用于预测直井中岩屑在上返泥浆中的下滑速度，其表达式如下：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=f f s ssl f d V ρρρ89.1（8）为了预测直井中的最小速度，用Morre 关系计算V slip ，用关系式（2）计算C cut ，现在举例说明如何将这两个方法结合预测和计算0°~90°井斜范围的最小速度。

实例中的数据在表1中，结果在图3。

图3中有超过两个点位于55°~90°井斜范围，一个是30°井斜，另一个是40°井斜。

这两个点的数据通过Larsen 模型数值运算得出岩屑运载的最小速度V min ，在Larsen 数据中，30°的V min 除以65°的V min 为0.76，40°的V min 除以65°的V min 为0.8。

同样，可以认为30°的V min 为65°的V min 的0.76，40°的V min 为65°的V min 的0.8。

这两个点在表3中更好更精确的解释。

如果不用这两个点，0°~55°的变化时线性的，看起来不准确。

V min 随着泥浆流变性和机械钻速的变化而变化。

表1: 计算V min所需的数据图3: 0o到55o V min的推断另一个能够调整和改变用来减小V min，用以净化井眼的因素是机械钻速。

机械钻速越高，岩屑产生越多，V min越高，需要将岩屑运载到地表的排量越高，但是机械钻速这一因素没有考虑在井眼净化工艺中，应为其会影响到钻时和单井花费。

排量优化实例在YS6井，为了实现井眼净化的目的，通过将Larsen模型和Morre关系组合到一起，来预测计算优化井眼净化的参数。

为了呈现计算过程和结果，选择井眼轨迹上的三个点，垂深300m的直井段，垂深690m 的斜井段和垂深990m的水平段。

下面举例说明计算方法的适用性和井斜适用范围。

（1）300m垂深（井深300m）钻杆：长度=133m，外径=5in，内径=4.276in；钻铤：长度=166m，外径=8in，内径=3in；钻井液密度=9.6ppg；井眼尺寸=17.5in；井斜角=0°；机械钻速=30ft/hr；最大允许表压=3000psi；岩屑密度=21.68ppg；平均岩屑尺寸=0.175in；屈服强度=2倍塑性粘度。

优化结果见图4。

随着钻井液塑性粘度和屈服强度的增加，需要运载岩屑的排量减少。

分析结果表明，在直井或斜井的直井段，为了净化井眼应该增加塑性粘度和屈服强度。

塑性粘度小于44cp，优化排量适合净化井眼；塑性粘度超过44cp，优化排量不足以净化井眼，需要增大排量。

图4: 300m垂深的优化排量和井眼净化排量（2）690m垂深（井深750m）这个点位于斜井段（井斜角46°）钻杆：长度=386m，外径=5in，内径=4.276in；加重钻杆：长度=200m，外径=5in，内径=3in；钻铤：长度=164m，外径=8in，内径=3in；3套管：长度=420m，内径=13in8钻井液密度=11ppg；井眼尺寸=12.25in；机械钻速=30ft/hr；最大允许表压=3000psi；岩屑密度=21.68ppg；平均岩屑尺寸=0.175in；屈服强度=塑性粘度。

由图5可得出结论，45°井斜位于35°~65°之间，随着钻井液塑性粘度和屈服强度的增加，井眼净化需要的排量增加。

井斜角位于35°~65°之间，重力造成岩屑沉降，并且有向井底的堆积趋势，使岩屑运移困难。

紊流能够阻止这一过程的发生。

解决这一情况可以增加排量或者降低粘度。

如图5，PV<9cp，优化排量适合净化井眼；当PV>9cp，优化排量不适合净化井眼。

选择更高的排量，应考虑泵压和地表设备的压力流量。

图5: 650m垂深的优化排量和井眼净化排量（3）990m垂深（井深1050m）这个点位于水平段（井斜角90°）钻杆：长度=586m，外径=5in，内径=4.276in；加重钻杆：长度=200m，外径=5in，内径=3in；钻铤：长度=176m，外径=6in，内径=2.813in；5套管：长度=727m，内径=9in8钻井液密度=12ppg；井眼尺寸=12.25in；机械钻速=20ft/hr；最大允许表压=3000psi；岩屑密度=21.68ppg；平均岩屑尺寸=0.175in；屈服强度=0.5塑性粘度。