【岩屑床的形成机理及对环空ECD的影响】电环化反应机理

　　摘要： 在大位移井钻井过程中，由于井眼长度较长，并且最终井斜角过大，岩屑很容易在大斜度井段和水平井段沉积下来，形成岩屑床，造成井眼不清洁。岩屑床的形成对钻井安全造成了很大的影响，可能会导致一些复杂情况发生，例如钻速降低、高扭矩和高摩阻、粘附卡钻等等。同时，岩屑床的存在对水力参数也有很大的影响，因此很有必要来研究岩屑床的形成原因以及对水力参数的影响。
　　Abstract: In the highly-displacement well drilling process, because borehole with a greater length and big hole angle, debris is easy to deposite in high Angle interval and horizontal section and forms cutting bed, causing borehole unclean. The formation of cutting caused great influence on the drilling safety, may cause some complex situation occurs, for example the penetration rate is reduced, and the high torque and high friction, adhesion stuck drill, and so on. At the same time, cutting bed has very big effect on hydraulic parameters, so it is necessary to study the cuttings bed.
　　关键词： ECD；岩屑床；形成机理；岩屑浓度
　　Key words: ECD；cutting bed；formation mechanism；debris concentration
　　中图分类号：TE34 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0029-02
　　0 引言
　　在大位移井钻井过程中，由于井眼长度较长，并且最终井斜角过大，岩屑很容易在大斜度井段和水平井段沉积下来，形成岩屑床，造成井眼不清洁。岩屑床的形成对钻井安全造成了很大的影响，可能会导致一些复杂情况发生，例如钻速降低、高扭矩和高摩阻、粘附卡钻等等。同时，岩屑床的存在对水力参数也有很大的影响，传统的水力参数计算时，根本不考虑岩屑床对环空压耗当量密度的影响，但是通过后面的计算实例我们可以看到岩屑床对环空压耗当量密度产生了很大的影响，这样很容易造成井眼安全问题，因此很有必要来研究岩屑床的形成原因以及对水力参数的影响。
　　1 岩屑床形成的原因
　　通过大量的文献调研，我们可以把岩屑床形成的原因归纳为宏观因素和客观因素。
　　1.1 岩屑床形成的宏观原因（图1，图2）
　　从宏观上来说岩屑床的形成原因主要有以下几个方面：
　　1.1.1 从图中可以看出，在钻井过程中，由于钻杆本身的重力G作用而使钻杆轴线偏离井眼轴线，其偏离程度随井斜角的增大而增大，最终与井眼低边接触，沿井眼低边移动或滚动，为岩屑床的形成及发生压差卡钻提供了物理模型。
　　1.1.2 直井段和小斜度井段，井斜角0°-30°，由于其井斜较小，岩屑颗粒沉降距离长，悬浮时间长，沉降速度轴向分量大、径向分量小，下井壁岩屑颗粒位置不稳定，因此泥浆携岩并不太困难。通过提高泥浆排量，环空中的岩屑颗粒很难聚集在下井壁处，从而返出井口，因此在直井段和小斜度井段很难形成岩屑床。但在中斜度井段，井斜角30°-60°，由于岩屑颗粒沉降距离、悬浮时间都有所缩短，岩屑径向滑落速度与轴向滑落速度相当，尤其是40°-50°井段内，岩屑颗粒容易发生垂沉现象从而在下井壁形成不稳定岩屑床，因此，中斜度井段是岩屑沉积在下井壁形成岩屑床的临界井段而且是定向井施工中井眼净化的危险区。研究表明，停泵时该井段内岩屑床容易滑落造成井下复杂情况而堵塞井眼和卡钻事故。大斜度井段，井斜角60-90°，由于井斜角进一步增大，岩屑径向速度大，轴向沉降速度小，岩屑极易沉积在井壁下侧形成稳定的岩屑床，且不易被清除，岩屑沉降使岩屑床层厚度增加，洗井更为困难，易造成起下钻困难及卡钻。
　　1.1.3 在大斜度定向井中，由于钻具在井眼中靠向下井壁，使钻具周围间隙宽窄变化明显，造成井眼中宽间隙处泥浆流速大，窄间隙处泥浆流速小甚至有可能为零，即v1>v2，同时剪切速率增大，失去了悬屑、携屑的能力，使岩屑易沉向下井壁且不易清除，形成岩屑床。此时岩屑沉淀于井眼低边形成岩屑床是必然的，其厚度随时间的推移而加大。加厚了的岩屑床使钻具旋转扭矩增加，上下运动摩阻增大，钻压不能全部传递给钻头影响钻进速度，还使下井的测试工具、测井仪器受阻，作业成功率下降甚至难以进行，也会使下套管作业、固井作业困难，水泥封固质量差。
　　1.1.4 在大斜度井中，由于岩屑密度大于钻井液密度，岩屑会趋向沉积于井眼低边形成岩屑床。
　　1.2 岩屑床形成的微观分析 我们可以从单一岩屑颗粒的运移与受力来研究岩屑床的形成机理，如图3所示。
　　假定岩屑为类球形，且为实心。通过作用力FR以保持岩屑颗粒的稳定。这一作用力通过两个接触点起作用，即a点（沿?兹方向）和岩屑重心。岩屑床的水下休止角为?准。作用在岩屑上的静力有浮力Fb，重力Fg和塑性力Fp。其中塑性力是由于泥浆的屈服值所致。动力包括拖曳力FD，举升力FL及压力F?驻p。当为井眼倾角为?琢时，环空的底部形成固定岩屑床。环空倾角较大时，井眼余角90-?琢大于岩屑的水下休止角?准，这样就可在井眼下侧形成固定岩屑床，而当井眼余角90-?琢小于休止角?准时，岩屑要么以滚动的形式；要么以举升的形式脱离床层而运动。同时我们也可以通过x、z轴方向的合力F>0还是F0时，岩屑就会向上滚动或举升，就不会形成岩屑床。反之则会向下移动很可能形成岩屑床。
　　2 岩屑床对水力参数的影响
　　大位移井环空循环压耗需根据不同的井段进行计算，在直井段可利用普通直井中的计算方法，在大斜度井段，钻柱一般偏离井眼轴心，且可能有岩屑床产生，其环空循环压耗可采用有岩屑床存在时的偏心环空压耗计算方法或无岩屑床存在时的偏心环空压耗计算方法进行计算。
　　2.1 无岩屑床存在时的环空压耗计算[1] 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以及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：
　　?驻Pa=kk1k2■+?籽■gC■cos?兹
　　上式中，?驻Pa为环空压耗，Pa；k为修正系数，无因次，由实测数据进行计算；k1和k2分别为旋转因子和偏心因子，无因次；ff为泥浆摩阻系数，无因次；La为环空段长度，m；Ca=■为环空固相浓度[2]，无因次；Vs为颗粒下滑速度，m/s；
　　2.2 有岩屑床存在时的环空压耗计算 有岩屑床存在时的环空压耗计算如下：
　　?驻Pac=■■■
　　+（1+0.00581695h）?驻Pa
　　上式中，?驻Pac为有岩屑床存在时的环空压耗，Pa；?驻Pa为无岩屑床存在时的环空压耗，Pa；h为无因次岩屑床厚度，h=100Tcb/Dh；fb为达西-韦斯巴赫系数，层流时fb=■，紊流时fb=■；其他参数意义同前。
　　3 实例分析
　　通过一个实例我们可以看出岩屑床对钻井液环空当量密度的影响。
　　从图中可以看出岩屑床对环空压耗当量密度的影响还是很大的，因此为了保证井眼清洁应严格控制ROP、排量等，将大斜度井段岩屑床的高度控制在5%以内。
　　参考文献：
　　[1]汪志明主编．钻井工程理论与技术.北京：石油工业出版社，2008.
　　[2]陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术[M].北京：石油大学出版社，2004.150-155.
　　[3]王宏宇.钻柱振动控制装置的设计和计算分析[J].价值工程，2011（14）.