井眼清洗

第三章井眼清洗引言自井筒内除去钻屑是钻井作业中的非常重要的部分。任何井眼都应保持有效的清洗；无法有效清除钻屑将导致大量钻进复杂情况：起钻时超提力太大。转盘扭矩高。卡钻。井眼堵塞。地层破裂。钻速低。循环终止。所有这些不仅对近垂直井(井斜30。)而且对大位移井都是潜在的问题。但总体看来，井眼清洗在近垂直井中问题不大。上面列出的问题在大位移井中很常见。井眼清洗质量取决于各种泥浆性能优化以及对钻进参数的选取。当遇到问题时，必须了解问题的实质以及产生原因何在，这样可以集中考虑其中几项以定出最合适的措施。影响井眼清洗的因素有大量钻进参数会影响井眼清洗；司钻可以控制其中一些，其它的则是由钻井作业的限制因素客观决定了。岩屑运移下图(图3-1,图3-2)示意了一定井斜范围内岩屑运移的机理。在井斜小于30。的井中，岩屑能够被泥浆切力有效地悬浮，不会产生岩屑床(1区和3区)。在这种情况下，常规的基于钻屑垂直滑脱的返速计算仍适用。大体上，这些小斜度井环空返速通常要比直井大20~30%。超过30。的井，钻屑会在井眼底边沉积成床并可能沿着井筒下滑引起环空堵塞。沉积在井眼底边的钻屑要么作为一个滑动的岩屑层整体移动(4区)，要么交替地在泥浆与沉积层的界面上象涟波或沙丘那样运动(2区)。环空内的流型主要取决于泥浆排量和流变性。低屈服值的稀泥浆容易形成紊流使岩屑跳跃式搬运。高屈服值的稠泥浆提高了流体剪切力会引起岩屑床滑动。较理想的岩屑运移区是1区和2区。5区必然产生缩径问题。图3-1岩屑的运移图3-2岩屑床的运动流变性泥浆流变性对井眼清洗的影响取决于环空内的流态。为层流时增大泥浆粘度可以提高井眼清洗质量，这对低剪切流变性及高的YP/PV比值的情况特别有效。为紊流时，降粘会有利于清除钻屑。屈服应力屈服应力是泥浆低剪切性的量度。它由常规范氏(Fann)粘度计的6rpm及3rpm的读数来确定，[YS=2*Fann3-Fann6]。该性质决定了流动泥浆能(动态地)悬浮起的钻屑大小。这个动态悬浮受钻屑大小和泥浆比重的影响。实际作业时，需要的最优值最好是基于现场资料由经验来定。泵排量泥浆流速提供携砂出井口的举升力。排量对大位移井的井眼清洗是非常重要的因素，而直井中的岩屑清除速度随环空返速及流变能力增加而增加。井眼几何形状井眼直径对环空返速影响很大。例如变17-1/2为16将提高环空返速约20%。泥浆比重泥浆比重通过钻屑浮力影响井眼清洗。随着比重增加，钻屑就越容易返出井口，井眼清洗也就越容易了。实际上，泥浆比重的范围与其说是受井眼清洗的限制，倒不如说主要是受钻进因素(井壁稳定、当量循环密度、压差卡钻等)的影响。钻屑性质井眼清洗取决于岩屑的大小和密度两个方面。大小、密度的增加都要加大岩屑的下滑速度，这就使清除岩屑更困难。较高的岩屑滑脱速度可以通过提高泥浆屈服应力和静切力来克服。极端情况下还可以选用能产生细小钻屑的钻头来降低岩屑的下滑速度。钻速钻屑量增加会导致岩屑富积于环空内。环空内有效泥浆密度较高时，循环压力也会增高，而泵压又会限制排量。钻柱旋转在斜井中用高速旋转钻柱的方法机械地搅动岩屑床，可以有效地将岩屑重新携带进泥浆流中清除掉。钻柱旋转在近垂直井中对井眼清洗没有什么效果。井场观测有大量井场显示可以用于监测井眼状况而提前采取措施。通常需要监测一些变化趋势即突然偏离情况，而不需要其绝对值。振动筛上出来的岩屑形状和大小要经常监测。小而圆的岩屑表明岩屑在井下呆了过长的时间，受到井下钻具组合的重复研磨。振动筛处岩屑返出量也要作计量，并且与按钻速预测的返出量作比较。一些简单的设备可以用来自动地测量。扭矩和摩阻也可以用来判断是否有岩屑床增加了井壁摩擦。应该提前用钻柱模拟器DSS(它是DEAP软件的一部分)作反复模拟。任何偏离正常趋势线都表明岩屑床正在形成。扭矩和立管压力剧烈波动的信号也是岩屑床形成的早期警告。垂直/近垂直井在直井或近垂直井中，泥浆流变性对岩屑运移起着重要作用。尤其是大直径井眼无法单靠返速来清除岩屑，但如果泥浆流变性适当的话，这类井的清洗一般不成问题。泥浆环空返速总是远大于岩屑滑脱速度，结果岩屑被携带出井口。为了获得一个较低的滑脱速度，钻这类井通常用稠的高屈服值泥浆。近垂直井清洗对策优选泥浆性能，为钻进提供最好的清洗质量。某些特殊的性能取决于可实现的泵排量。在任何情况下，泥浆流变性都必须保证足以把滑脱速度降低到可以接受的程度。环空返速考虑到岩屑滑脱速度时的特殊要求可以从DEAP软件中获得。井眼清洗不好会使大量岩屑富积于环空内，停止循环后这些岩屑会落回井底埋住钻具。发生埋钻具表明排量太低或者(假定泥浆性能已达到前面的标准时)循环时间不够长。起钻前彻底循环清扫井眼------0.5周是不够的。对直井推荐的最小循环量是1.3周(大于8-1/2的井眼为1.5周)。观察振动筛，确保开始起钻之前，岩屑返出速度已经减少到一个可以接受的背景值。少用稠塞辅助清扫井眼，宜调整循环中的泥浆性能来提供最优的清洗能力。直井中不要使用重泥浆塞。在直井起钻前的循环期间，上下活动钻具而不要旋转钻柱会有利于从靠近井壁的滞流区清除岩屑。缩径处若下放无阻时，可以超提通过。应该提前与公司人员/钻井监督商议一个最大允许超提力。不要一下子就提到最大值，要逐渐加大以确保各种情况下钻柱都可以自由通过。如果超提次数过多，停下来开始循环清扫井眼。不要作预防性倒划眼，应了解起钻中所遇到的问题的实质及产生原因，只有在必要的时候进行倒划眼。大斜度/大位移井前面大多数关于直井井眼清洗的讲述也和大位移井有关，但在斜井中保持井眼清洁要困难得多。下面的对策是基于实验室和现场资料基础之上给出的：斜井井眼清洗------对策排量斜井中对井眼清洗最重要的因素就是排量(也即环空返速)。定向钻井作业中，如果环空返速不够，钻屑会在井眼底边沉降下来静止成岩屑床。防止岩屑成床的临界流速可以从BP井眼清洗模型中得到。设计一口井时，必须选择具有足够尺寸和额定排量的泥浆泵以达到要求的排量。通常垂直井段或水平段很少存在井眼清洗问题；大多数问题出现在倾斜的50。~60。井段，在那里的岩屑床在重力作用下顺着井眼下滑。BP的井眼清洗模型在所有井的设计中都应使用，尤其是大位移井。大位移井清洗用的典型排量如下：井眼尺寸典型排量17-1/21100gpm某些钻机用到1250~1400gpm12-1/4尽量靠近高值1100gpm(尽管已达到的常见值为800~1000gpm)若达不到1000gpm,需要用起下钻来辅助清洗。8-1/2尽量靠近高值500gpm表3-1流态选择如果设计得当，不管是层流还是紊流都能有效地清洗斜井。大体上，增加层流泥浆的粘度或降低紊流泥浆的粘度都会提高清洗质量。重要的是只能选择两种流态之一，并且要避开它们之间的过渡带(如图3-3)。图3-3流态选择总体来说，层流时使用稠泥浆较好，因为：可以获得较高的清洗能力(流变性因素)。稠泥浆在近垂直井段携岩能力更强。稠泥浆在停止循环后有更好的悬浮特性。60050040030020010005101520253035泥浆屈服值(磅/100平方英尺)紊流层流低粘泥浆高粘泥浆排量很难形成“紊流”，除非是在小井眼内。紊流能够有效地防止岩屑在大斜度井底边成床，并且有助于减少当量循环密度。由于这些原因，紊流比较适合于大斜度井泥浆比重与破裂压力梯度之间只有很窄范围的地方。但是很难在大直径井眼(=12-1/4)内形成紊流,尤其是使用加重泥浆。紊流不能用于弱的不够坚实的地层，否则冲蚀的岩屑会将环空返速降低至临界点产生层流，而泥浆性能只是专门为紊流态设计的，岩屑成床或重晶石下沉就不可避免了。同样的过程会发生在专门为小井眼设计的紊流泥浆进入上部较大井眼内的时候。所有为紊流设计的泥浆都应有一个泥浆悬浮性能和携岩能力的最低标准以确保这些较大井眼(套管)清洁。泥浆流变性经验证明良好的泥浆流变性对钻大斜度井特别重要。有研究表明泥浆流变性和环空内的流态是相辅相成的。层流时，提高泥浆粘度有利于井眼清洗，这在屈服值高时尤其有效。但是对于紊流，降低泥浆粘度会有助于清除岩屑。因此，泥浆流变性设计时应该避开过渡流区域。对大于8-1/2的井眼，大多数情况下环空内流动是层流。因此，指定一个最小的屈服值是比较理想的做法。实际上需要的最优值是由现场资料及经验来确定的。井眼清洗工作表使用已经开发出来的一系列井眼清洗工作表来确定钻不同尺寸斜井的泥浆流速。这些工作表以及实例附在本章末尾。水力因素常规钻井水力学建立于对钻头处水马力或水力作用优化的基础之上。它要求大约60~70%的系统压降应该消耗于钻头处。大位移井中用于井眼清洗的排量要高一些，因此有必要采取折中的办法减少消耗在钻头处的能量，这是通过使用大水眼直径来实现的。压降的分布取决于井身结构以及泥浆性能。常规钻井中环空压耗尽管只占总压降的一小部分，却是确定当量循环密度的关键所在。稠塞的使用在大斜度井中恰当地使用稠塞会提高井眼清洗质量。高粘度(加重了更好)泥浆段塞在大于8-1/2的井眼内很有效，而稀塞在小井眼内较合适。当使用稀塞时，保持正常的排量并且尽量缩短停止循环的时间非常重要。为确保较大尺寸垂直段的清洗质量，有必要在稀塞后接一个稠(重)塞。具体的段塞体积应该基于井眼尺寸以及计算出来的对静水压力的影响来定。典型的体积用量如下；17-1/2&16井段12-1/4井段8-1/2井段50桶30~50桶20桶表3-2注意；稀紊流塞不宜在弱胶结地层使用以防发生冲蚀和失稳。稳定钻速高钻速需要大排量来清洗井眼。较好的做法是用稳定的钻速钻进而选择相应所需的排量。当无法实现稳定的钻速时，30米进尺内的平均钻速可用来选择排量。钻柱旋转/上下活动经验表明钻柱的旋转/上下活动能有效清洗井眼，高速状态尤其如此。这是因为旋转/上下活动钻柱能搅动岩屑床，从而有利于清除岩屑。当使用井下马达时，应与定向井公司讨论关于钻速的限制因素。大尺寸表层井段钻大位移井时常常有必要在大尺寸表层井段(22/24/26)造斜。但是由于倾斜的大尺寸表层井眼需要非常大的排量来清除岩屑，故有必要限制这个井段内的最大井斜角，通常应在20。~30。范围内。同样地，减小井眼尺寸能够大大提高井眼清洗质量。比如，若可行的话钻22的井眼而不要钻24或26的井眼。先钻一口领眼然后扩眼至全尺寸，只能稍稍降低有效清洗需要的排量。使用较大钻杆泵压经常是限制井眼清洗所需排量的因素。因此，有必要使用超过5的钻杆(诸如5-1/2或6-5/8)来降低泵压。但是，由于使用大钻杆尺寸会产生较大地面扭矩，所以必须优化大钻杆的长度。接单根&起钻前循环接钻柱之前，应该用正常排量循环井眼，除掉井下钻具组合周围的岩屑。循环时间取决于井斜和井下钻具组合的长度，通常需要5~10分钟。起钻前以正常排量循环直至振动筛处无返出，循环的同时以最大速度旋转钻柱并上下活动，这可能需要1.5周的时间取决于井斜和井眼大小。下表列出了泥浆单行程的推荐数值。井斜(。)8-1/2井眼12-1/4井眼17-1/2井眼0~101.31.31.510~301.41.41.730~601.61.82.5601.72.03.0表3-3通井通井通常能够有效排除井眼清洗问题。较好的做法是经常通井，如大斜度井每钻150米或200米则短起下至上层套管鞋，在实际排量低于或接近于临界排量时尤其有效。数据采集建议使用趋势变化表监测井眼清洗参数备用，如各深度下的排量、转速、流变性、起下钻时井眼清洗不好的显示等等。起钻计划书中应该提前准备好关于起钻的间隔期、倒划眼速度以及最大超提力的规定。这些计划书有必要在各井段进行修改。定时监测振动筛处岩屑返出量，作一份岩屑返出录井表，该表能够为不同钻速下岩屑返出变化趋势提供帮助性信息。冲蚀的井眼当井径不规则地方很多时，要采取各种可能的措施来尽量减小井眼扩大的程度；可通过优选各种影响因素如泥浆设计(从化学角度)和选择比重以使问题减少。胶结差的地层容易受水力或化学地侵蚀，钻头水力参数及钻进参数也应作相应设计。在某些地区如哥伦比亚，地层构造运动活跃，相应井段处总是井