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【摘要】在开采技术和各项科学技术深入发展的背景下，水平井技术应用而生，其凭借着自身所具备的高产出、低投入等优点而被广泛应用。但水平井技术的应用范围却受制于开采阶段的卡钻现象，进而对钻井作业造成严重的负面影响。所谓卡钻现象，其产生的原因在于水平井位移过大且水平段长度过长，进而导致钻井阶段侧钻弯曲幅度过大，并最终因粘卡现象而导致岩屑床现象的出现。本文简述了大位移水平井的常见问题——岩屑床，并基于问题的分析，提出相应的解决对策。
【关键词】大位移水平井 岩屑床 解决对策
岩屑床是大位移水平井钻井中最常见、危害最严重的问题之一。所谓岩屑床，其形成的条件包括：井眼内固体微粒受到粘带阻力、自重、浮力作用和冲击力的影响；环空返速和井斜的影响等。岩屑床的危害表现为：减缓机械的钻速和工程施工进度、增加工程施工成本、增大的扭矩导致钻井工具受损、粘卡等事故频发等。本文就大位移水平井的常见问题——岩屑床的机理和解决对策展开讨论。
1 大位移水平井岩屑床机理分析
1.1 井斜角角度
岩屑的携带能力直接取决于大位移井斜角、大斜度和井斜位移等，即各井斜角的增加直接致使岩屑的携带能力的下降。就井斜角而言，岩屑的携带能力存在如下一些情况：若井斜角<40°，岩屑处于上返阶段，钻井液必然在钻柱旋转作用所的影响下顺着轴向朝着上方向移动，并表现为周向速度，而井壁四周的岩屑却受到周向速度的影响表现为二次循环，则此井斜角不会产生岩屑床。若井斜角处于40°—60°，受到自重作用影响的钻具必然改变钻井液的流变性，进而对岩屑的携带能力造成严重的负面影响，加之下井壁与钻具间的间隙受到钻具偏离的影响而变小，进而导致钻井液的剪切速率增大，并最终削减钻井液的粘度，则为岩屑床的形成提供了可能。若井斜角>60°，钻井液的轴向速度分量必然会受到钻具的严重偏离的影响而变得极小，而切向速度分量的减小趋势表现为：从下井壁至上井壁逐渐增加，注意下井壁的速度分量无限接近0。此时，钻井液的携岩能力受到轴向速度分量的制约，而钻具必然会压实或压碎岩屑，并为岩屑床的形成提供了条件，进而直接影响到工程施工安全和施工质量。
1.2 力作用角度
冲击力、重力、浮力和粘滞阻力均会对井眼内固体微粒造成不同程度的影响。斜井钻井往往受制于多种因素进而致使岩屑浓度更大，则岩屑床的存在在所难免。环空返速和井斜是岩屑床的主要影响因素。
1.2.1？井斜的影响
针对垂直井与水平井和斜井间的差异，可从以下两个方面进行判别：有一定厚度的岩屑床分布在较低侧面；岩屑朝着井底方向发生滑移现象。井斜是岩屑床形成的必要条件之一。一般而言，临界返速和环空岩屑浓度均与井斜呈正相关，而井眼净化程度却与井斜角间呈负相关，即岩屑床更容易在井斜角较大的井段分布（见上一小节）。1.2.2？环空返速的影响
若环空返速超出临界值，岩屑床必然会表现出冲蚀与沉积交迭的动态平衡状态。研究结果显示，若井斜角等于45°，岩屑的临界返速超出直井若干倍。一般而言，临界返速与井斜角呈正相关。就客观角度而言，井斜角的增加必然会因马达、机泵和冲刷等的影响而制约返速的最大化提高，进而致使冲蚀比沉积更小，则岩屑床与井斜角间呈正相关。
2 大位移水平井岩屑床的处理对策
2.1 预防措施
均匀悬浮式（见图1）、移动床式（见图2）、非均匀悬浮式和固定床式是岩屑床的四种运移方式，而均匀悬浮式是斜井内岩屑的最佳运移形式。均匀悬浮式的实现可参考如下一些方面：
2.1.1？井斜角
若井斜角未超过40°，少数岩屑会依附在钻具表面，并顺着钻具的旋转叶卷起，此时岩屑床难以形成。若井斜角超过40°，钻井液的流变性在钻具偏心的作用下必然发生较大改变，其为岩屑床的形成提供了有利的条件。因此，钻井液流变参数和流态应基于井斜角的不同加以合理选择。
2.1.2？环空返速
研究结果显示，环空返速对岩屑运移的影响具有可控性。若井斜角处于40°—60°间，钻井液的返速<0.6m/s，井眼必然有岩屑床的存在；若钻井液的返速>0.9m/s，岩屑床必然会失去最佳的形成条件。就大斜度井而言，岩屑床在钻井液环空返速>1.5m/s的条件下不易产生。因此，务必要基于现场设备均具备足够的承受能力，合理确定设备的排量。
2.1.3？钻井液的流态
若现场设备允许，应就上返速度和钻井液排量予以适当提高，以便通过设备的紊流状态实现设备携岩能力的提高，但应基于井斜角范围的不同选择恰当的流态。若井斜角处于0°—55°间，紊流效果略次于层流效果；若井斜角>55°，紊流的携岩能力略优于层流；若井斜角处于45°—55°，层流和紊流的携岩能力不相上下。
2.1.4？钻井液的性能
若现场设备的环空返速较低，钻井液的动塑比必然会对钻井液的携岩能力造成明显的影响，层流均不会超过0.5Pa/mPa？s。研究结果显示，若流动指数<0.6、动塑比>2：1，设备的携岩能力会明显增加；钻井液过高的触变性会对岩屑运移造成极大的阻力；钻井液过高的环空返速和触变性必然会给岩屑的清除工作造成严重的负面影响。由于钻井液目前尚不能满足钻井液中岩屑不下沉的要求，则应把钻井液性能的调整与其他岩屑清除方法配合使用。
2.2 提高参数设置的合理性
结合图3可得，V形槽的工作原理为：V形槽部位环空截面积更大，钻井液在此处的流动速度也更大，以提高流体对岩屑的冲刷力；就来流而言，V形槽可发挥导向作用（即V形槽可改变来流的方向），加之V形槽旋转作用可增加来流的压力，进而实现流体速度的增加；V形槽旋转与流体速度的协同作用可实现流体紊动程度的提高，进而实现岩屑床清除能力的提高。
2.3.2？岩屑床专业清除工具
相对于V形槽，岩屑床专业清除工具的结构具有离心泵的特点，即就来流发挥抽吸作用。图4为岩屑床专业清除工具结构图。
备注：AB段和BC段均具备螺旋叶轮；BC段的环空截面积自下而上呈递增趋势；AB段属等径结构。
结合图4可得，岩屑床专业清除工具的工作原理为：流体受到BC段螺旋叶轮的作用而发生旋转，加之下部流体的作用，钻井液顺着螺旋叶轮被抛向井壁，进而破坏岩屑床；流体向上流动必然致使下部形成真空状态，进而就下部流体发挥抽吸作用，并实现了流体流速的提高；流体流动方向可随着螺旋叶片发生改变，进而实现了流体紊动程度的增加，并对岩屑床发挥破坏作用。
3 结束语
综上所述，井斜角过大条件下的岩屑携带能力必然受到钻井液流变性的影响；钻柱旋转实现了环空钻井液的螺旋流动，进而对岩屑床发挥破坏作用，随着环空截面的被破坏，其也可发挥运移岩屑的功能。基于岩屑携带能力的分析可得，若要有效预防并清除岩屑床，可采取如下措施：提高钻井液性能+大排量+岩屑床清除工具，以保证大位移水平井钻井作业的顺利开展。
参考文献
[1] 檀朝东，闫学峰，杨喜柱，等.大位移水平井完井管柱力学分析研究[J].石油矿场机械，2008，37（2）：20-24.
[2] 裴建忠，刘天科，周飞，等.金平1浅层大位移水平井钻井技术[J].石油钻探技术，2009，37（1）：87-90
[3] 薛建国，吴应战，王冰晖，等.超浅层大位移水平井楼平2井钻井技术[J].石油钻采工艺，2008，30（3）：11-14.
[4] 李凡，王晓鹏，张海，等.渤海D油田WHPA平台大位移水平井钻修机钻井作业实践[J].中国海上油气，2012，24（2）：50-53
[5] 张尚君，柴国兴，张一佳，等.美国MultiFRAC技术在大位移水平井完井中的应用[J].石油钻采工艺，2010，32（z1）：82-83
[6] 冯光彬，唐世忠，蔺玉水，等.ZH8 Es-H5大位移水平井钻井技术[J].石油钻采工艺，2009，31（3）：14-17
【关键词】大位移水平井 岩屑床 解决对策
岩屑床是大位移水平井钻井中最常见、危害最严重的问题之一。所谓岩屑床，其形成的条件包括：井眼内固体微粒受到粘带阻力、自重、浮力作用和冲击力的影响；环空返速和井斜的影响等。岩屑床的危害表现为：减缓机械的钻速和工程施工进度、增加工程施工成本、增大的扭矩导致钻井工具受损、粘卡等事故频发等。本文就大位移水平井的常见问题——岩屑床的机理和解决对策展开讨论。
1 大位移水平井岩屑床机理分析
1.1 井斜角角度
岩屑的携带能力直接取决于大位移井斜角、大斜度和井斜位移等，即各井斜角的增加直接致使岩屑的携带能力的下降。就井斜角而言，岩屑的携带能力存在如下一些情况：若井斜角<40°，岩屑处于上返阶段，钻井液必然在钻柱旋转作用所的影响下顺着轴向朝着上方向移动，并表现为周向速度，而井壁四周的岩屑却受到周向速度的影响表现为二次循环，则此井斜角不会产生岩屑床。若井斜角处于40°—60°，受到自重作用影响的钻具必然改变钻井液的流变性，进而对岩屑的携带能力造成严重的负面影响，加之下井壁与钻具间的间隙受到钻具偏离的影响而变小，进而导致钻井液的剪切速率增大，并最终削减钻井液的粘度，则为岩屑床的形成提供了可能。若井斜角>60°，钻井液的轴向速度分量必然会受到钻具的严重偏离的影响而变得极小，而切向速度分量的减小趋势表现为：从下井壁至上井壁逐渐增加，注意下井壁的速度分量无限接近0。此时，钻井液的携岩能力受到轴向速度分量的制约，而钻具必然会压实或压碎岩屑，并为岩屑床的形成提供了条件，进而直接影响到工程施工安全和施工质量。
1.2 力作用角度
冲击力、重力、浮力和粘滞阻力均会对井眼内固体微粒造成不同程度的影响。斜井钻井往往受制于多种因素进而致使岩屑浓度更大，则岩屑床的存在在所难免。环空返速和井斜是岩屑床的主要影响因素。
1.2.1？井斜的影响
针对垂直井与水平井和斜井间的差异，可从以下两个方面进行判别：有一定厚度的岩屑床分布在较低侧面；岩屑朝着井底方向发生滑移现象。井斜是岩屑床形成的必要条件之一。一般而言，临界返速和环空岩屑浓度均与井斜呈正相关，而井眼净化程度却与井斜角间呈负相关，即岩屑床更容易在井斜角较大的井段分布（见上一小节）。1.2.2？环空返速的影响
若环空返速超出临界值，岩屑床必然会表现出冲蚀与沉积交迭的动态平衡状态。研究结果显示，若井斜角等于45°，岩屑的临界返速超出直井若干倍。一般而言，临界返速与井斜角呈正相关。就客观角度而言，井斜角的增加必然会因马达、机泵和冲刷等的影响而制约返速的最大化提高，进而致使冲蚀比沉积更小，则岩屑床与井斜角间呈正相关。
2 大位移水平井岩屑床的处理对策
2.1 预防措施
均匀悬浮式（见图1）、移动床式（见图2）、非均匀悬浮式和固定床式是岩屑床的四种运移方式，而均匀悬浮式是斜井内岩屑的最佳运移形式。均匀悬浮式的实现可参考如下一些方面：
2.1.1？井斜角
若井斜角未超过40°，少数岩屑会依附在钻具表面，并顺着钻具的旋转叶卷起，此时岩屑床难以形成。若井斜角超过40°，钻井液的流变性在钻具偏心的作用下必然发生较大改变，其为岩屑床的形成提供了有利的条件。因此，钻井液流变参数和流态应基于井斜角的不同加以合理选择。
2.1.2？环空返速
研究结果显示，环空返速对岩屑运移的影响具有可控性。若井斜角处于40°—60°间，钻井液的返速<0.6m/s，井眼必然有岩屑床的存在；若钻井液的返速>0.9m/s，岩屑床必然会失去最佳的形成条件。就大斜度井而言，岩屑床在钻井液环空返速>1.5m/s的条件下不易产生。因此，务必要基于现场设备均具备足够的承受能力，合理确定设备的排量。
2.1.3？钻井液的流态
若现场设备允许，应就上返速度和钻井液排量予以适当提高，以便通过设备的紊流状态实现设备携岩能力的提高，但应基于井斜角范围的不同选择恰当的流态。若井斜角处于0°—55°间，紊流效果略次于层流效果；若井斜角>55°，紊流的携岩能力略优于层流；若井斜角处于45°—55°，层流和紊流的携岩能力不相上下。
2.1.4？钻井液的性能
若现场设备的环空返速较低，钻井液的动塑比必然会对钻井液的携岩能力造成明显的影响，层流均不会超过0.5Pa/mPa？s。研究结果显示，若流动指数<0.6、动塑比>2：1，设备的携岩能力会明显增加；钻井液过高的触变性会对岩屑运移造成极大的阻力；钻井液过高的环空返速和触变性必然会给岩屑的清除工作造成严重的负面影响。由于钻井液目前尚不能满足钻井液中岩屑不下沉的要求，则应把钻井液性能的调整与其他岩屑清除方法配合使用。
2.2 提高参数设置的合理性
结合图3可得，V形槽的工作原理为：V形槽部位环空截面积更大，钻井液在此处的流动速度也更大，以提高流体对岩屑的冲刷力；就来流而言，V形槽可发挥导向作用（即V形槽可改变来流的方向），加之V形槽旋转作用可增加来流的压力，进而实现流体速度的增加；V形槽旋转与流体速度的协同作用可实现流体紊动程度的提高，进而实现岩屑床清除能力的提高。
2.3.2？岩屑床专业清除工具
相对于V形槽，岩屑床专业清除工具的结构具有离心泵的特点，即就来流发挥抽吸作用。图4为岩屑床专业清除工具结构图。
备注：AB段和BC段均具备螺旋叶轮；BC段的环空截面积自下而上呈递增趋势；AB段属等径结构。
结合图4可得，岩屑床专业清除工具的工作原理为：流体受到BC段螺旋叶轮的作用而发生旋转，加之下部流体的作用，钻井液顺着螺旋叶轮被抛向井壁，进而破坏岩屑床；流体向上流动必然致使下部形成真空状态，进而就下部流体发挥抽吸作用，并实现了流体流速的提高；流体流动方向可随着螺旋叶片发生改变，进而实现了流体紊动程度的增加，并对岩屑床发挥破坏作用。
3 结束语
综上所述，井斜角过大条件下的岩屑携带能力必然受到钻井液流变性的影响；钻柱旋转实现了环空钻井液的螺旋流动，进而对岩屑床发挥破坏作用，随着环空截面的被破坏，其也可发挥运移岩屑的功能。基于岩屑携带能力的分析可得，若要有效预防并清除岩屑床，可采取如下措施：提高钻井液性能+大排量+岩屑床清除工具，以保证大位移水平井钻井作业的顺利开展。
参考文献
[1] 檀朝东，闫学峰，杨喜柱，等.大位移水平井完井管柱力学分析研究[J].石油矿场机械，2008，37（2）：20-24.
[2] 裴建忠，刘天科，周飞，等.金平1浅层大位移水平井钻井技术[J].石油钻探技术，2009，37（1）：87-90
[3] 薛建国，吴应战，王冰晖，等.超浅层大位移水平井楼平2井钻井技术[J].石油钻采工艺，2008，30（3）：11-14.
[4] 李凡，王晓鹏，张海，等.渤海D油田WHPA平台大位移水平井钻修机钻井作业实践[J].中国海上油气，2012，24（2）：50-53
[5] 张尚君，柴国兴，张一佳，等.美国MultiFRAC技术在大位移水平井完井中的应用[J].石油钻采工艺，2010，32（z1）：82-83
[6] 冯光彬，唐世忠，蔺玉水，等.ZH8 Es-H5大位移水平井钻井技术[J].石油钻采工艺，2009，31（3）：14-17