1、在直井、定向井和常規水平井中，泥漿攜巖問題并不突出。但在水平井水平井特別是大位移井大位移井中，如何才能更好地將巖屑通過泥漿循環排出而不導致巖屑床沉積呢？本課將從泥漿排量、泥漿特性、鉆具的運動以及環空尺寸等等一系列方面來討論井眼凈化的問題，并簡單介紹了一些參數指標的計算方法。一.基本概念井眼凈化最小攜巖返速臨界排量巖屑濃度巖屑床高度二.模型求解力學理論模型預測理論模型實驗模型模型求解比對模型評估與程序計算三.軟件應用定點測試全井段CTR巖屑濃度巖屑床高度機械鉆速臨界排量井眼凈化最小攜巖返速臨界排量巖屑濃度巖屑床高度在鉆斜井和水平井的過程中，由鉆頭鉆進產生的巖屑需要隨鉆井液的流動通過環空排出。若巖

2、屑在自身重力的作用下沉積在下井壁，就會形成一層巖屑床。如果巖屑床得不到較好的清洗和控制，將會造成鉆井過程中的諸多嚴重問題，包括高摩阻和扭矩、憋泵、粘附卡鉆等等。為此，如何有效地排出巖屑、防止形成巖屑床，成為鉆井過程中的重要問題。這被稱為井眼凈化。井眼凈化有以下思路：調整鉆井液的密度以及鉆井液的流變特性，如賓漢模型下的塑性粘度PV、屈服值YP等，使得鉆井液有更好的攜巖性能。 鉆井液密度越大，攜巖能力越強。 有文獻指出，對大斜度井及水平井，粘度的增大通常會造成攜巖能力的下降，因此低粘紊流是較好的井眼凈化鉆井液方案。調整機械鉆速ROP以及轉盤轉速以影響井眼凈化。 ROP越大，巖屑就越多，因此要求更強

3、的攜巖能力。 轉盤轉速越大，巖屑越不容易沉積，因此攜巖能力越強。 設計井身結構和鉆具組合，以調整環空的內外徑，并對井眼凈化產生影響。加大泵排量以利于鉆井液的攜巖。Rank 1：提高鉆井液密度，加大泵排量。 鉆井液密度的提高導致更大的壓力損耗，而對泵排量造成影響。 較大的泵排量有可能導致環空中鉆井液流速過快，而對井壁造成沖刷。Rank 2：設計井身結構和鉆具組合，調整環空內外徑。井身結構和鉆具組合的設計受很多因素影響（例如降低摩阻或者防止卡鉆等等），為了有利于井眼凈化而對它們做出修改的余地很有限。Rank 3：調整鉆井液流變特性以有利于攜巖。Rank 4：降低機械鉆速以有利于攜巖。 機械鉆速的大

4、小直接決定了鉆進工程的進度，調整機械鉆速的余地很有限。Rank 5：提高轉盤轉速以有利于攜巖。注：Rank 1僅代表這些措施對井眼凈化影響的程度，不代表其可行性。比如提高鉆井液密度雖然會很大地提升攜巖能力，但可行性并不大（因為會影響泵排量和鉆井液流變特性）。還有一些因素會影響到井眼凈化，如：巖屑密度、巖屑尺寸以及巖屑床孔隙度等等。但這些因素通常不可控制，因此不在評估之列。有觀點認為轉盤轉速對攜巖不造成影響，也有觀點認為轉盤轉速影響較大，鉆井液密度影響較小。對于鉆井的整個環空中的某一段來說，具有某個給定的井斜角（由井軌跡得出）、環空外徑（即井眼內徑）、環空內徑（即管柱外徑），這些參數再與鉆井液密

5、度、鉆井液流變特性、巖屑尺寸、巖屑密度、機械鉆速、轉盤轉速、鉆頭直徑等固定的參數相結合，就可以發展算法計算出環空該段不形成巖屑床所需要流體的最小速度，被稱為最小攜巖返速（CTFV）。該速度對應一個泵排量。所有段分別計算最小攜巖返速，其對應的泵排量中最小的那一個就被稱為臨界排量（CTR）。注：所有對井眼凈化的分析和評估，都在最小攜巖返速和臨界排量的定量計算上反映了出來。CTR1CTR2CTR100.對于井眼環空中的某一段，巖屑所占整個環空段體積的比例即巖屑濃度。若沒有形成巖屑床，巖屑濃度由環空段體積、鉆頭在該環空段時間所產生的巖屑量、鉆井液返速、巖屑返速這四個個因素決定。其中環空段時間為鉆井液流

6、過該環空段所需要的時間。若忽略鉆井液返速與巖屑返速的差異，巖屑濃度=巖屑量/環空段體積。若有巖屑床形成，巖屑濃度=懸浮巖屑濃度+巖屑床巖屑濃度。對于某個環空段，當環空流體返速低于最小環空返速時，巖屑將在井壁下側進行堆積，而形成巖屑床。當開始形成巖屑床后，由于環空的面積不斷減小，環空返速會升高，進而攜巖能力又有提升。當攜巖能力被提升到巖屑不再沉淀堆積時，已經堆積的巖屑表面到環空下側的距離被稱為巖屑床高度。巖屑床有兩層模型和三層模型。兩層模型上層為流動層，含懸浮巖屑顆粒下層為固定巖屑床環空通常為偏心圓環偏心率由管柱接頭外徑決定三層模型與兩層模型相比多了中間的一層滑動巖屑床（分散層）力學理論模型預測

7、理論模型實驗模型模型求解比對模型評估與程序計算力學理論模型是基于巖屑受力分析而計算出各種需要的數據，包括最小攜巖返速（CTFV）等等。SPE28306比較有代表性。以SPE28306為例演示如何通過受力分析確定CTFV。如圖：巖屑受到重力、浮力、舉升力拖拽力、塑性力以及循環壓力梯度所產生的力列出流體力學方程組即可求解最終需要的CTFV根據CTFV即可計算CTR，巖屑床高度等預測理論模型是基于對巖屑床形成機制以及巖屑運移規律的理解和把握而對一些需要的數據如CTFV等進行預測。兩層模型和三層模型中多有預測理論模型。SPE28306 論文中提到并求解的Kelvin- Helmholtz穩定模型也是這

8、一類的模型。SPE23884是典型的預測理論模型。舉升力影響因子 粒子雷諾數 巖屑傳輸仿真公式注：V為摩擦速度，湍流邊界切應力與流體密度比值的平方根,具有速度量綱實驗模型是基于實驗室模擬鉆井內環空中巖屑運移狀況，并推廣到一般情形，用于預測在各種情況下的CTFV和CTR。SPE25872是典型的實驗模型求解CTFV。Larsen等搭建5寸外徑和2.375寸內徑的環空用以實驗，并根 據實驗數據來確定各種校正系 數。如右圖，由實驗數據得出ROP與巖屑濃度之間的關系求解CTFV以宋洵成等所著斜井巖屑運移臨界環空流速力學模型（文獻7）一文中的算例為例，不同的模型計算結果也不同：從計算結果可知，相同的輸入

9、條件不同的模型計算出來的CTR相差很大大體上的規律為：論文模型求解的值偏大（以4,5行為例）實用軟件所計算值偏小（以1,2,3行為例）以下為文中的算法與其它實驗模型計算結果之比對（實線部分為論文中的算法）理論模型：模型較多，也比較復雜，考慮問題的角度不一樣、層面不一樣、側重點不一樣，結果就會有較大的差異。實驗模型：受目測等很多主觀因素的影響，以及一些不確定因素例如巖屑尺寸等等的制約，并且由于影響CTR的因素太多（11個甚至更多），實驗模型很難完全涵蓋它們的取值變化范圍。所以實驗模型計算的結果也是彼此之間差異很大。無論理論模型還是實驗模型，無論計算CTR（分段計算）還是計算巖屑床高度（分段迭代計

10、算），軟件計算都有其優越之處，而手工計算是很困難的。以天氣預報為例（超級計算機+偏微分方程組+流體力學），不能精準計算的預測系統（仿真系統）依然會有其用處。定點測試全井段CTR巖屑濃度巖屑床高度機械鉆速臨界排量環空外徑6寸，環空內徑4寸PV:25cP YP:12(lbf/100ft2) 鉆井液密度:1027kg/m3巖屑尺寸:4mm 巖屑密度：2.4sg轉速：30rpm 鉆進速度 16ft/hr環空外徑12.5寸，環空內徑5寸PV:30cP YP:12(lbf/100ft2) 鉆井液密度:1250kg/m3 巖屑尺寸:4.5mm 巖屑密度：2.3sg 轉速：30rpm 鉆進速度 40ft/hr

11、小結：上面的最大和最小CTR的比率約4倍，下面約3倍。對于水平井或者大位移水平井，Hydraulics軟件比較有意義。觀察30度60度井斜時計算結果可知00.20.40.60.811.2020406080100HydrauHydrauHydrau01234020406080100HydrauHydrauHydrau05101520253035400500100015002000250030003500HydraulicsHydraulicsHydraulics0510152025303501000200030004000500060007000HydraulicsHydraulicsHydraulics0123456789010002000300040005000HydraulicsHydraulicsHydraulics0246810121416050010001