浅析水平井岩屑床的成因及预防

浅析水平井岩屑床的成因及预防

摘要: 在水平井施工过程中，大斜度井段、水平段岩屑会沉淀在井眼低边形成岩屑床; 岩屑床极易造成钻进中钻压不能全部传递到钻头、螺杆钻具粘托、机械钻速慢、起下钻遇阻严重造成卡钻等问题，甚至钻进中直接造成粘吸卡钻。本文从分析形成岩屑床的影响因素入手，总结出在现有条件下通过采取强化钻进排量等相应的技术措施，优化钻井液体系和性能，防止或预防岩屑床的形成[1]，对确保水平井大斜度井段及水平段安全钻进具有显著的作用。

关键词: 水平井; 岩屑床; 预防

一、岩屑床的形成条件及变化规律

1. 井斜角

水平井及大斜度井施工过程中，在钻井液体系及性能相同的条件下井眼净化程度随井斜角的增加而下降，随着井斜的增大钻井液携带岩屑越来越困难。实践及资料表明，当水平井、定向井井斜角为30°-60°，此时，在重力的作用下钻具偏向下井壁，钻井液的流变性发生改变，由于钻具的偏离，使得钻具与下井壁的间隙变小，上、下间隙的差异增大了钻井液的剪切速率，造成钻井液黏度下降，此时易形成岩屑床。尤其是在钻井液停止循环时，岩屑迅速径向下沉，由于环空径向有限，岩屑便堆积在井壁形成岩屑床[2]。井斜角大于6 0°时钻具严重偏离井眼轴线，在偏离处下井壁的大角度环空中，钻井液的轴向速度分量非常小，切向速度分量（钻具旋转时）从上井壁到下井壁逐渐减小，直至接近零。这种情况下钻井液不能提供足够的轴向速度分量以保证携岩，钻具又会将岩屑压碎、压实，随着其越积越厚、堆积井段越来越长，极易形成岩屑床，威胁施工的安全进行。

2. 钻井液上返速度

岩屑床的形成存在一个钻井液临界值，即使钻井液处于紊流状态时，若上返速度低于临界值，仍会形成岩屑床; 实践证明当钻井液上返速度大于 0. 91m /s 时，仍可形成岩屑床，此时形成的岩屑床极易被破坏，其厚度也不固定，岩屑床处于沉积和冲蚀交迭发生的状态。虽然提高钻井液上返速度有助于防止或减缓岩屑床的形成，但钻井液上返速度过高时对井壁冲刷严重会造成井眼掉块或坍塌，因此钻井液上返速度应选择适当。根据设备、井身结构设计状况等计算，在大斜度井段、水平段的钻井液上返速度控制在 1.22-1.58m /s，可满足正常钻井施工。

3. 钻井液流变性及流态

研究资料表明，当钻井液处于紊流状态时液流的运动方向是紊乱的和无规则的，岩屑总会被运移走; 此时形成的岩屑床厚度极不稳定，处于沉积与冲蚀破坏交迭发生的动平衡状态。当井斜角大于 50°的大斜度井段，钻井液洗井时紊流状态比层流状态效果要好，但是对井壁有较强的冲蚀作用，容易造成地层垮塌，不利于井壁稳定; 因此在钻进时应保持钻井液处于层流状态，在层流状态下要提高钻井液携岩能力，就必须提高钻井液动切力、动塑比以实现平板型层流。

4. 其它因素

钻具在井眼中不居中时也会形成较厚的岩屑床，这是因为钻具不居中时阻卡、降低了井眼低边处的流速所致。由于钻具旋转时可将井眼低边的岩屑推入循环的钻井液中，还可将大块岩屑甩挤压碎成小颗粒，有利于岩屑的清除。转盘转速越高，清除井眼低边处的岩屑效果愈好。当滑动钻进时由于钻具不转动，因此可通过短程起下钻的方法使钻头通过井眼以清除井眼低边处的岩屑、破坏岩屑床或增大钻井液上返速度等措施清除岩屑。

二、防止和清除大斜度井段岩屑床方法

( 1) 强化水力参数，以增加钻进排量为主。在现场机泵条件允许的情况下排量尽可能大，当井下出现遇阻或螺杆钻具粘脱等复杂征兆时，可以双泵大排量进行循环洗井。从岩屑床的形成因素可知泥浆泵排量越大、环空上返速度越高，岩屑床越不易形成。

( 2) 接单根前适当循环钻井液。在井斜 30°-60°井段钻进过程中每钻进一单根，接单根前循环2-3 min，可将岩屑提升到一定高度不至于沿井眼低边滑落到井底，井斜超过30°之后每钻进一个单根，上下大幅度活动钻具一次，破坏岩屑床的形成。

( 3) 使用甲氨基聚合物钻井液体系时，动塑比控制在0. 36 ～ 0. 48 Pa /( mPa·s) 以达到最好携岩效果。为减小岩屑的滑落速度，钻井液的塑性黏度不能太低，应当保持在 8 ～ 16 mPa·s，同时为了弥补钻井液上返过程中层流状态洗井不如紊流状态的不足，循环时可以适当考虑泵入岩屑清除塞，尽可能清除岩屑破坏岩屑床。

( 4) 大斜度井段短程起下钻，破坏岩屑床。当井斜角超过 60°以后，应定期或规定井段长度短起下钻作业，分段循环和上、下活动钻具、转动钻具，利用钻头、扶正器棱角等的挤推作用有效破坏已形成的岩屑床。

三、现场案例分析

大吉-平11井及大吉-平12井为大宁区块的两口小井眼水平井[3]，由于其井身结构、钻井周期长及井眼轨迹等问题，造成井壁失稳、井内岩屑返出困难，形成大段岩屑床，在施工过程中多次出现复杂，造成钻具脱落、埋钻、工程回填等。

大吉-平11井复杂概况

大吉-平11井通井短起至2415米遇阻，开泵起钻到2370.56米憋泵（井斜78.13°，灰黑色泥岩，泵压由17mpa上升到19mpa，排量14.9L/s），憋泵后无法顶通建立循环，可以转动顶驱，后在转动钻具期间扭矩从11KN.M下降到9KN.M.泵压由2.5mpa下降到1.2mpa，通过上下活动钻具（80吨到50吨）起钻到2357.77米，井口见到返浆，开动顶驱，逐渐提高排量循环。开泵短起到2200米循环正常后，短起到套管内（2200米到1770米短起正常），继续下钻到2270米循环，下钻到2310米有显示，上下活动无法通过，开泵下放，9月29日划眼到2369米钻压不回，起钻检查发现钻具断落，落鱼48.65米。后续经过多次打捞失败，造成工程回填。

大吉-平12井复杂概况

常规钻具下钻通井划眼至3042.39m时泵压由19MPa上升至21MPa，排量16L/s。停泵后在50-80T范围活动钻具（悬重62T，上提摩阻15T，下放磨阻20T），尝试挂单凡尔泵，无法建立循环，钻具转动自由，转速30r/min，扭矩7-8KN.m。采取钻压1T倒划眼至3039.74m（井斜91.2°，岩性：灰色泥质粉砂岩，倒划出2.65m）。再次尝试挂单凡尔泵顶通，井口见返浆，流量较小。钻具转动自由，转速40r/min，扭矩6-6.5KN.m。通过单凡尔泵憋压、上提下放活动钻具（最大上提至110t，顶驱最大设置扭矩12KN.m）、转动钻具逐渐倒划眼起钻至2751.03m（累计起出291.36m）再次憋泵，排量10.60L/s，泵压由12MPa上升至13MPa，扭矩由5.5KN.m上升至8.5KN.m。后续采取间断性挂单凡尔泵顶通，用新浆置换井内老浆等措施逐渐建立循环。再通过上下活动钻具、带泵起钻、倒划眼等措施起出钻具发现钻具断落，落鱼长度11.33m。

故障原因分析：

1、由于井身结构原因，环空间隙小，岩屑及掉块上返时极易造成憋堵环空，造成无法提起排量，岩屑越积越多的恶性循环。

2、二开造斜段地层为石盒子组与山西组，岩性分别为紫红色泥岩与黑色煤及碳质泥岩，极易坍塌掉块形成“大肚子”井眼，而该地层又刚好处于40°至80°之间易形成岩屑床的井段，不同程度岩屑床的存在隔断了泥饼对井壁的保护，更加剧了井壁的不稳定。下部井段的岩屑逐步运移到上部井段继续堆积，岩屑越积越多形成大段岩屑床，致使环空更加狭窄，造成憋泵、起钻困难。

3、水平段钻进期间虽每钻进150-200m进行短起下钻，但每次短起下钻行程过短，未起至斜井段，致使岩屑床清除不彻底，增加后期施工难度及风险。

4、钻进期间复合钻进时理论排量17L/s，定向钻进时理论排量16L/s，由于长时间开启一体机，实际排量远低于理论排量，影响岩屑上返，加剧岩屑床的形成。

四、结论与认识

( 1) 水平井钻进过程中，在现场机泵允许的条件下，在钻进及循环中应选择合适的泵排量，这样既有利于岩屑能够及时携带出井避免形成岩屑床又不至于排量过大使岩屑憋堵环空（6寸井眼建议18-20l/s）。

( 2) 在井斜 30°之后井段钻进过程中，接单根前要循环一定的时间，将岩屑提升到一定高度，以防止其沿井眼低边滑落到井底，每钻进一个单根，上下大幅度活动钻具一次，破坏岩屑床的形成。

( 3) 调整钻井液流变性，将动塑比保持在 0. 36～ 0. 48 Pa /( mPa·s) ，钻井液上返处于层流状态，塑性黏度保持在 8 ～ 16 mPa·s，以减小岩屑滑落速度。

( 4) 大斜度井段钻进过程中，定期用少量(3-5m3) 聚合物无固相钻井液体系循环洗井，实现两种体系、两种流态层流和紊流的优势互补，同时配合封闭浆，每次起下钻或短起下钻前循环干净后用井浆（离心机彻底清除有害固相确保含砂<0.3%）+1%超细碳酸钙+1%沥青类处理剂对易塌井段进行封闭后起钻，最大限度的维护井壁稳定。

( 5) 一旦有岩屑床形成，出现遇阻复杂等征兆时，可使用大排量定期循环，配合复合携岩塞的使用破坏、清除岩屑床。

( 6) 井斜角超过 60°以后，钻进过程中要定期、分井段短程起下钻作业和分段循环; 上、下大幅度活动钻具，利用钻头和扶正器的挤推作用和配合钻井液循环，破坏已形成的岩屑床（建议100-150米短起下一次，并起至造斜点左右）。

【参考文献】

[1]党克军，王增年，简章臣.水平井岩屑床控制技术浅析[J].石油钻探技术

[2]宋洵成，王振飞，徐小龙，胡莎莎.大位移井岩屑床危害及处理措施研究[J].石油科技论坛

[3]王莉,赵晨,王吉文,等.小井眼钻井液的开发与应用[J].石油科技论坛