定向井岩屑浓度计算及井眼清洁分析

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1、定向井岩屑浓度计算及井眼清洁分析摘要：井眼清洁情况是影响定向井施工的关键因素之一，岩屑携带能力不足会导致岩屑床形成，严重时甚至会造成卡钻，导致复杂的钻井事故，因此井眼清洗分析计算必须受到重视，它保证施工安全的基础。本文详细介绍了岩屑传输机理，给出了环空岩屑浓度相关计算方法，归纳了环空最小返速计算步骤，对影响定向井井眼清洁的相关参数进行了详细分析，有助于加深现场技术人员对井眼清洁相关知识的理解，为现场工作提供帮助。关键词：岩屑运移岩屑受力临界环空返速井眼清洁1.研究目的意义在定向井特别是大位移井钻井过程中

2、,因其大斜度段或水平段长,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、黏附卡钻事故等，因此保证井眼清洁和有效控制岩屑床厚度是钻井成功的关键之一。为消除可能存在的岩屑床,工程上常采用长时间循环钻井液的方法,这就延长了钻井作业时间,从而增加了钻井成本。如何判断井下是否已经形成了岩屑床以及确定岩屑床的厚度和位置是目前急需解决的难题。在胜利油田长裸眼井的钻井施工中,常常出现井眼清洁困难的情况。严重时,在钻时比较快的情况下,震动筛上甚至无任何钻屑。由于井眼清洁不好,钻屑停留在井眼内,常

3、导致起下钻阻卡、电测不顺利、划眼、卡钻、固井质量差等井下复杂情况。如何解决井眼清洁问题,已经越来越成为制约这些井钻井速度、钻井安全和钻井质量的重要因素。2.定向井岩屑传输机理2.1岩屑受力分析作用在井眼低边岩屑上的力按照是否有利于携带运移岩屑分成正作用力和负作用力。如图1所示。1拖曳力举升力垂直井斜角θ岩屑方向重力图1作用在井壁低边岩屑上的力（1）正作用力该力趋向于使岩屑脱离岩屑床从而进入环空主岩屑流。包括：拖曳力和举升力。举升力将岩屑举升进入沿井眼向上流动的主流中。该力来自于岩屑周围的非对称钻井液流速

4、分布和环空流中的湍流涡旋。拖曳力有利于拖曳和使岩屑翻滚脱离岩屑床，从而向上流动，它来自于钻井液粘度对岩屑的上端出露。（2）负作用力该力趋向于使岩屑附着在岩屑床上。主要来自于岩屑的重力，它使岩屑沉降形成岩屑床，其数量级同岩屑在钻井液中的浮重。其次，由于重力作用，岩屑对井壁产生正压力，从而产生墨阻力，阻碍岩屑向上滑动。2.2岩屑运移流动模式岩屑在井眼中流动时，由于井斜角、钻井液性能和环空流速不同，导致作用在岩屑上的力关系不同，从而产生三种流动模式。（1）非均质悬浮由于举升力大于重力引起的正压力，因此岩屑能被

5、举升离开井壁保持悬浮状态。然而，在环空横截面上岩屑浓度不同，呈现非均质状态，低边处呈现更高的岩屑浓度。这种流动模式通常发生在环空流动速度较大，产生强举升力或者是在井斜角比较小，从而重力在井斜法线方向上的分力相对举升力较小这两种情况下。（2）独立岩屑床2如果环空流速降低或者井斜角增大，举升力仍然能够举升岩屑，但不能使岩屑处于悬浮状态，同时，重力沿井斜方向上的分力减小，则环空钻井液能够拖曳岩屑向上流动。因此，这种流动模式是举升力和拖曳力的共同作用的结果。该流动模式通常发生在环空流速低，而井斜角比较大的情况下

6、。（3）连续移动岩屑床如果举升力小于重力产生的正压力，而拖曳力足够大，则井壁低边形成连续移动的岩屑床。该流动模式通常发生在钻井液粘度较高，而环空流处于层流流态的情况。如果环空流速继续下降，导致举升力和拖曳力都不能移动岩屑，就会形成一个稳定静止的岩屑床。因此，应合理设计钻井液排量和流变性能以有效清洗倾斜井眼。2.3环空岩屑浓度及下滑速度计算2．3.1环空岩屑浓度2ROPDb环空岩屑浓度Ca22（2-1）(DD)VhpT式中ROP—机械钻速，m/s；VT—岩屑运移速度，m/s，VT=Va-Vs；Db—

7、钻头直径，m；Dh—井眼直径，m；Dp—钻柱外径，m。岩携运移工程要求环空岩屑浓度小于5%，岩屑运移效率通常用岩屑运移比RT表示：VTVsRT1（2-2）VaVa式中：Va—环空钻井液返速，m/s；Vs—岩屑下滑速度，m/s。2.3.2定向井岩屑下滑速度VS1）岩屑运移影响因素a.钻井液描述钻井液流变性至少需要两个参数，然而由于使岩屑开始运移时，只有岩屑床附近或井眼表面的钻井液起作用。因此，井眼低边处的钻井液表观粘度可用来描述钻井液的流变性。加上钻井液密度，共有两个参数影响岩屑运移：ηa，ρ。b.

8、岩屑3岩屑形状和尺寸以及岩屑密度用来描述岩屑特征。这两个参数：ρs、Ds影响岩屑运移。c.重力和井斜角岩屑在钻井液中的浮重和井斜角确定了岩屑对井壁的附着力和沿井壁的下滑力以及抵抗岩屑向上的摩阻力。附着力：g(ρs-ρ)sin(θ)下滑力：g(ρs-ρ)cos(θ)摩阻力：g(ρs-ρ)fssin(θ)d.钻进作业钻进作业时钻柱旋转有利于岩屑运移，衡量影响的变量为转盘转速RPM。2）定向井岩屑下滑速度Vs影响定向井岩屑传输的主要因素有：岩屑尺