第6章水平井井眼清洁计算方法

第6章水平井井眼清洁计算方法第1节井眼清洁的重要性第2节岩屑运移机理及沉降速度计算模型第3节最小排量计算模型第4节井眼清洁计算模型及影响因素分析第5节计算实例第6节井眼清洁措施中国石油大学（北京）张辉由于大斜度井段、水平井段，岩屑的重力效应及钻杆偏心严重（窄间隙处泥浆流速小甚至有可能为零，失去了悬屑、携屑的能力），岩屑极易在大斜度井段和水平井段形成岩屑沉积床，造成井壁不稳定，形成键槽、沉砂卡钻事故等。第1节水平井井眼清洁重要性另外，由于钻具的滑动和转动，岩屑被反复碾碎，颗粒变细，造成钻井液固相含量升高，从而导致钻速下降，起下钻抽吸压力升高，摩阻、扭矩急剧增加，这些都成为大位移井、水平井钻井的不利因素。大位移井的井眼清洁不好还会造成以下问题：一是不能将钻压传至钻头；二是不能解释井的方位变化；三是泥浆漏入产层，降低了最终采收率等等。第1节水平井井眼清洁重要性z由于井眼清洁不好而导致的井下事故和复杂情况是屡见不鲜的。z南海西江24-3-A14大位移井在钻进时就因为井眼清洁不好而导致严重的卡钻事故，并最终在井深4502m处将钻具卡死，致使填井后侧钻；z英国北海Arbroath油田22/17T14井由于井眼清洁不好，致使套管提前下入，然后又由于有岩屑床的存在，导致在井深10328ft处将钻具卡死，侧钻后由于仍然存在井眼清洁不好的问题，因此又在新井眼井深11225ft处再次将钻具卡死；z英国BP公司在WytchFarm油田所钻4口大位移井都不同程度地出现了与井眼不清洁有关的问题。第1节水平井井眼清洁重要性垂直井段‹Vs=岩屑颗粒的的沉降速度‹Vf=钻井液环空返速‹举升效率,Ks=(Vf-Vs)/Vf‹一般来说，Ks大于0.50时可获得较满意的岩屑运移。VfVsVp水平段‹流体流速与颗粒沉降速度方向互相垂直。‹固体颗粒将趋于沉降并形成岩屑床。‹较高的流体流速可以拖动底部的颗粒，使其沿着岩屑床滚动。更高的流速则可以使固体颗粒悬浮。斜井段的岩屑运移0deg.30deg.60deg.90deg.需要较高的流体流速•岩屑运移最难区域为40-60°•岩屑浓度在50°最高井眼清洁影响因素井眼清洁情况现场经验判断方法，主要有：（1）岩屑形状评价（2）岩屑尺寸评价（3）井眼畅通评价（4）岩屑含量评价（1）岩屑形状评价‹钻井液携砂能力很强时，钻出的岩屑可能很快离开井底并随钻井液返出。这时，岩屑棱角清晰或比较清晰，磨圆度差，表明井眼清洗良好。反之，尽管岩屑离开了井底，但岩屑在整个循环过程中处于上升和下沉交替状态，直到将棱角磨掉尺寸磨小之后才逐渐被返出地面。‹钻进过程中认真观察每米携出的砂样的磨圆程度。根据钻井实践提出：磨圆砂样小于20%井眼清洗良好；小于30%井眼清洗中等；30%～50%井眼清洗较差；大于50%则在大斜度井段必定存在较为严重的岩屑床。（2）岩屑尺寸评价‹岩屑尺寸随钻头类型、机械钻速和地层胶结程度及岩性而变化。当钻头类型、机械钻速和地层岩性保持基本不变时，岩屑尺寸大小也可间接表示井眼清洁程度。‹钻进过程中返出岩屑除棱角明显外，还能见到已钻过地层的较大岩块时，表明钻井液具有强的携带能力。（3）井眼畅通评价‹在大斜度井段和水平井段乃至于直井段起下钻过程中，若遇起下钻阻力增大或下钻遇阻，则表明井下有大量岩屑堆集，需要提高钻井液的净化能力。（4）岩屑含量评价‹岩屑含量即返出钻井液中岩屑的体积百分含量。‹其方法是，测定返出一定体积的钻井液混合体（钻井液体积和岩屑体积的总体积），测定该体积中的岩屑体积。将岩屑体积比上钻井液与岩屑总体积，以C表示。C＞5%则表明井下净化基本良好。第6章水平井井眼清洁计算方法第1节井眼清洁的重要性第2节岩屑运移机理及沉降速度计算模型第3节最小排量计算模型第4节井眼清洁计算模型及影响因素分析第5节计算实例第6节井眼清洁措施中国石油大学（北京）张辉第第22节节岩岩屑运移机理及沉降速度计算模型屑运移机理及沉降速度计算模型：：垂直井段当球形颗粒在静止流体中沉降时，作用于球形颗粒上有三个力：‡重力G‡浮力Ff‡阻力FFfFG垂直井段中岩屑颗粒的受力分析33221616ssfsssGdgFdgFdvπρπρφρ===s3m/scm,g/cmssvdφρρ−−−−阻力系数，无因次颗粒下滑速度，颗粒直径，岩屑颗粒、泥浆的密度，‡由力的平衡方程，可得岩屑的沉降速度为：()6sssdvgπρρφρ−=‡阻力系数与颗粒雷诺数有关，颗粒雷诺数与阻力系数的计算公式如下：0.995ssepevdRρμ=0.540/122/11001.54100epepepepepRRRRRφφφ=⎧⎪=⎨⎪=⎩………………φ第第22节节岩岩屑运移机理及沉降速度计算模型屑运移机理及沉降速度计算模型：：垂直井段†岩屑多呈现不规则的颗粒，不规则的颗粒与球形颗粒的主要区别在于：（1）不规则颗粒比同体积的球体表面积大；（2）颗粒的表面是粗糙的；（3）颗粒的形状是不对称的。†不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速度。因此，计算不规则颗粒沉降速度时应乘上一个修正系数，即：形状系数，用符号ϕ表示。第第22节节岩岩屑运移机理及沉降速度计算模型屑运移机理及沉降速度计算模型：：垂直井段()0.295sssdvρρϕρ−=-m/s-cm,--sssvdρρϕ3颗粒下滑速度，颗粒直径，岩屑颗粒、泥浆的密度，g/cm形状系数不规则颗粒的沉降速度计算模型：第第22节节岩岩屑运移机理及沉降速度计算模型屑运移机理及沉降速度计算模型：：垂直井段形状系数0.5扁平型0.65～0.5长条形0.8～0.65多角形1.0～0.8类球形1.0球形形状系数（ϕ）钻屑颗粒形状第第22节节岩岩屑运移机理及沉降速度计算模型屑运移机理及沉降速度计算模型：：垂直井段岩屑运移机理：斜井段力学模型：„有效重力Fg„拖曳力FD„流体推力FΔP„举升力FL„摩擦力Ff3()6sgsfdFgπρρ=−2242sDDfdVFCπρ=24sPsdPFdLπΔΔ=Δ2242sLLfdVFCπρ=(sin)fsgLFfFFθ=−FΔP各个状态出现的临界条件（举升、滑动）„颗粒开始滑动的临界条件：„颗粒悬浮运移条件：举升、滑动均不满足，在下井壁形成固定岩屑床。cosDgfFFFθ≥+cossinDLgFFFθθ+≥岩屑运移机理：斜井段岩屑运移机理：斜井段两层稳定岩屑传输模型（汪志明/张政，2003）根据质量守恒定律和动量定理，建立了考虑悬浮层颗粒扩散、岩屑床中流体压力降的大位移井中两层稳定岩屑传输数学模型。岩屑运移机理：斜井段三层稳定岩屑传输模型（汪志明/郭晓乐，2005）根据物质守恒定律和动量定理，运用理论分析和数值计算方法，建立了大位移井大斜度井段和水平井段偏心环空岩屑传输的三层模型，编程求解了钻井几何参数、钻井工作参数以及钻井液流变性参数等对岩屑传输的影响规律，并与实验数据和前人模型进行了对比分析。悬浮层运动岩屑床静止岩屑床第6章水平井井眼清洁计算方法第1节井眼清洁的重要性第2节岩屑运移机理及沉降速度计算模型第3节最小排量计算模型第4节井眼清洁计算模型及影响因素分析第5节计算实例第6节井眼清洁措施中国石油大学（北京）张辉第3节最小排量计算模型：直井段†根据钻屑举升效率（ks）和环空岩屑浓度综合确定最小环空返速。10.5sscvkv=−≥2.2.环空环空岩岩屑浓度模型屑浓度模型：：5%3600()(1)ascsbROPcdvvd=≤−−223.3.两者两者求出的环空返速，取求出的环空返速，取较大者较大者作为最小的作为最小的环空返速环空返速vvcc，，进进而计算最小排量而计算最小排量。。1.1.岩岩屑举升效率模型：屑举升效率模型：第3节最小排量计算模型：斜井段郭柏云：郭柏云：v=1.0v=1.8v=1.5()[]ccqq)2sin(4.01005556.01,ααα++=井斜角，度直井的最小排量第3节最小排量计算模型：斜井段csmwtRPMsizeangVVCCCCV+=min()222bchoeROPDVDdC×=−()min22min4VdDQoh∗−=π影响因素：•井斜角•岩屑尺寸•转速•泥浆密度•钻速QDROPDROPCbbe422+∗∗=ππ第3节最小排量计算模型：斜井段213.0000233.00342.02−−=θθangCssizedC9448.40286.1−=6001RPMCRPM−=()5.10420002779.01−−=fmwtCρ1=mwtC5.1042fρ5.1042fρ第6章水平井井眼清洁计算方法第1节井眼清洁的重要性第2节岩屑运移机理及沉降速度计算模型第3节最小排量计算模型第4节井眼清洁计算模型及影响因素分析第5节计算实例第6节井眼清洁措施中国石油大学（北京）张辉当量循环泥浆密度ECD的计算模型：第4节井眼清洁计算模型0.00981pECDESDHΔ=+地面泥浆密度环空压耗井深pΔ岩屑床高度越大，越大，ECD越大，井眼清洁效果越差，甚至压漏地层。间接反映井眼清洁情况()()()aceehcbVVeDT−++=587.0115.6015.05.0μμ()()()()1112312−−−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=nanohneVdDnnkμ()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−=333.0667.0)2sin(55.071.014.0efsffscdVμρθθρρρ岩屑床高度直接反映井眼清洁情况无岩屑床环空压耗()()()θρπρcos32232221aasohohafsfaLgCdDdDQLffkkkP++−+=Δ在无岩屑床存在的环空固液两相流动情况下，环空压耗主要有三部分组成，分别为：•泥浆本身运动产生的摩擦压降；•固相颗粒运动引起的摩擦压降；•固相颗粒自重引起的压降；同时环空压耗还受到钻杆偏心和钻杆转动的影响，其计算公式如下：无岩屑床环空压耗()()()θρπρcos32232221aasohohafsfaLgCdDdDQLffkkkP++−+=Δ2527.031852.028454.0196.05.1072.01⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=hohohoDdnDdnDdnkλλλ层流紊流2527.031852.028454.01285.032048.01⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=hohohoDdnDdnDdnkλλλ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+=112332maxλλohchdDDD−−=maxλ（1）偏心因子K1的计算公式：（2）旋转因子K2的计算公式为：2max25.11λ+=k无岩屑床环空压耗()()()θρπρcos32232221aasohohafsfaLgCdDdDQLffkkkP++−+=Δ()BsohfsfBasBsafbsBesddDVVVVQROPDRAkf+−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−−=1122343ρρρρπρ()()nohnnohmnedDQnnKdDR−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−=2221431212πρff（3）的计算公式：sf（4）的计算公式：有岩屑床环空压耗()()()()afsohohfbaacPhdDdDgQfPhPΔ++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−+−Δ=Δ−00581695.0140260686.025.12322ρρπρECD计算分析（LW24-6-1井预测）9.39.49.59.69.79.89.91010.110.210.330403140324033403440井深mECDppg漏失压力Q=32l/sQ=33l/sQ=87.42l/s地面泥浆密度8.8ppg‡随着排量的降低，环空ECD逐渐增加；‡当排量小于33L/s(435.5gpm)时，ECD的增加会导致地层漏失。‡用推荐排量87.42L/s(1153.8gpm)时，井眼清洁且安全。各因素对岩屑床高度的影响：•泥浆流变性•岩屑密度•岩屑直径•钻杆偏心度•钻速•井斜角泥浆流变性钻速井斜角岩屑直径：e=0.5,0.75cm岩屑直径e=0.5cm环空返速1.0m/s第6章水平井井眼清洁计算方法第1节井眼清洁的重要性第2节岩屑运移机理及沉