钻井岩屑沉降卡钻实例与理论分析

王茂仁 1,2 张梁 1 肖达士 1 肖露 1

1 克拉玛依市金鑫科技有限公司， 新疆 克拉玛依 834000

2克拉玛依金鑫油田环保工程有限公司， 新疆 克拉玛依 834000

摘要：二开快速钻进时，岩屑尺寸大、钻速快，停泵时间与岩屑沉降卡钻事故发生几率有密切关系。通过实例井发生卡钻及处理过程，以岩屑颗粒沉降模型进行理论分析和计算，结果显示，在岩屑特性不变的情况下，岩屑沉降速度与钻井液密度呈线性关系，通过origin软件拟合，得到的简化模型可以快速为工程实践提供参考数据。

关键词：岩屑、沉降、钻井液、密度、拟合

悬浮和携带岩屑是钻井液的主要作用之一，直接影响钻井过程中井筒清洁和安全。在停泵后，钻井岩屑因自身重力会发生沉降，当岩屑沉降速度、停泵时间达到一定数值时，可能发生岩屑沉降卡钻事故，因此，研究岩屑在钻井液中的沉降规律，对防止停泵卡钻有重要作用。

岩屑沉降运移规律受钻井液性能、井筒尺寸等多种因素影响，理论研究方面主要有3种模型，即经验模型、理论模型和数值仿真模型^[1]，经验模型是在一定实验基础上，利用经验理论推导的实用公式；理论模型是通过力学、动量关系等提出系列数学方程，在设定的边界条件下求解；数值仿真模型是利用CFD等商业软件进行仿真模拟。

为了研究岩屑沉降速度与钻井液性能、停泵时间、岩屑特性等关系，以某井岩屑沉降卡钻实例为基础，通过实践与理论分析，得出数据进行拟合，旨在提供一套简单的工程应用防止岩屑沉降卡钻的经验模型。

1 实例井基本信息

（1）井身结构：表层Φ444.5mm钻头钻至493m， 下入Φ339.7mm套管至492.89m，二开采用Φ311.2mm钻头钻至1099.61m。

（2）钻具组合：Φ311.2mmPDC钻头0.35m+Φ244.5mm螺杆9.76m+631*730接头0.45m+Φ228.6mm钻铤9.05m+Φ310mm扶正器1.75m+Φ228.6mm钻铤18.23+731*630接头0.4m+Φ203mm钻铤9.1m+旋挂短节1.92m+Φ203mm钻铤45.32m+Φ177.8mm钻铤110.03m+Φ127mm钻杆。

（3）钻井液性能：密度1.24g/cm³，黏度60s，塑性黏度40 mPa.s，动切力6Pa，初切力2Pa，终切力5Pa，API中压失水0，碱度2.3ml，破乳电压712v，油水比85:15。

2 岩屑沉降卡钻发生与处理

（1）卡钻的发生

该井1000m-1100m之间每米钻速0.4min-0.85min（见图1），平均0.62min，机械钻速1.61m/min。钻进至1098.56m划眼4min后接单根，停泵5min，开泵2min钻进至1099.61m，突然停电，泥浆泵和钻具均无法启动，8min后以10L/s排量开泵，井口无钻井液返出，憋压10MPa，在600kN-1100kN（钻具悬重850kN）范围内上提和下放，钻具无活动空间，继续增加上提和下压力，400kN-2000kN范围内活动，并增加扭矩，钻头提至1080.88m，无法解除，不能建立循环。

图1 岩屑沉降卡钻前钻进每米耗时曲线图

（2）解卡处理

经测卡点后，在1020.13m处爆炸松扣，落鱼长60.75m，落鱼结构：Φ311.2mmPDC钻头+Φ244.5mm螺杆+631*730接头+Φ228.6mm钻铤1根+Φ310mm扶正器+Φ228.6mm钻铤2根+731*630接头+Φ203mm钻铤1根+旋挂短节+Φ203mm钻铤1根，经套铣、振击、对扣等作业后，提出落鱼，解卡。

3 岩屑沉降卡钻理论分析

（1）岩屑特征

岩屑呈长条状（见图2），长宽厚依次为40—50mm、10—15mm、0.5-1mm；

形状较为规则，较成型的钻屑单个质量分布5-7.5g/个，折算密度约2.5-2.6g/cm³。

图2 实例井岩屑尺寸、重量及形状特征照片

（2）理论模型选择与计算

实际生产中，岩屑的形状、尺寸不可能统一和规则，在理论研究时，需要做一些假设和简化。周凤石^[2]采用托克斯定律假设岩屑为球形颗粒条件下，根据牛顿力学平衡，得到了在静态牛顿流体中岩屑沉降方程： ，静态非牛顿流体中岩屑沉降方程： ， 为沉降速度，in/s； 为岩屑颗粒直径，in；f为沉降时的液体摩擦因数，无纲量； 为x因子，无纲量； 分别为岩屑颗粒的密度和流体的密度，g/cm³。景帅^[3]等通过三层模型建立了岩屑运移与环空压耗计算耦合模型： ，g为重力加速度，9.81m/s²； 为沉降速度，m/s； 为岩屑颗粒直径，mm； 为拖拽系数，无纲量，是流体与颗粒相对运动是Re（雷诺系数）的函数，在滞留区、过渡区分别可以采用托克斯、艾伦、牛顿定律进行计算。王浩

^[4]经过推演和简化，提出了球形颗粒岩屑自由沉降速度 。

实例井发生卡钻时，是停泵工况，岩屑处于自由沉降状态，且岩屑为长条状，非球体，对比现有模型基础上，采用简化模型为： ， 为球形系数，为等于岩屑实际体积的球体的表面积与岩屑表面积的比值^[1]。选取实例中最大和最小尺寸的岩屑，计算理论沉降速率见表1。

表1 典型尺寸的岩屑理论沉降速度表

岩屑长宽厚 mm		mm	g/cm3	g/cm3	理论沉降速度m/s
50、15、1	0.24	50	2.6	1.24	0.52
40、10、0.5	0.19	40	2.6	1.24	0.37

由模型可以看出，岩屑的密度在地层均质性较好的情况下，变化幅度较小，可以近似认为常数，假设岩屑体积不变时，岩屑沉降速度与钻井液的密度呈线性关系。将钻井液密度1.2g/cm³-2.0g/cm³代入模型计算，得到岩屑沉降速度与钻井液密度的线性图（见图3），采用origin线性拟合，可得到线性方程： =0.69589-0.24708 ，R=0.99777，拟合度较好。由图2可以看出，随着密度的升高，岩屑沉降速度呈线性下降，即相同条件下，停泵后，钻井液密度越高，岩屑沉降速度越慢。

图3：岩屑（钻屑）沉降速度与钻井液密度线性关系及拟合图

（3）实例计算与理论对比

实测1044m岩屑迟到时间为23min，参考岩屑上返速度为0.76m/s；排量为68L/s,环空返速为1.07m/s；开泵条件下，岩屑平均沉降速度为0.31m/s，理论计算停泵条件下岩屑沉降速度为0.37 m/s-0.52 m/s，高于开泵条件下实际值，主要因为开泵时，受钻井液流型、井筒尺寸、环空轴向速度差等因素影响，岩屑实际沉降速度小于理论计算沉降速。

（4）卡点理论与实际对比

根据工程实况，接单根的5min，按开泵时岩屑沉降速度0.31m/s，岩屑下降了93m，接单后开泵2min，按0.76m/s上返速度计算，岩屑上返高度91.2m，结合迟到时间和钻速分析，井筒中有1069.7m至1099.61m段的岩屑未及时携带出地面，按沉降孔隙度0.4-0.5^[1]估算，理论岩屑体积为4.55 m³-5.68m³，环空中井底理论岩屑厚度68.46m-85.57m，电测卡点，落鱼60.75m，理论计算与实际数据相近。因此，为避免扶正器被埋，停泵时间＜7.1min，实例井单次停泵时间8min，结合前面的工况，才发生岩屑沉降卡钻事故。

表2 环空井底岩屑理论厚度估算表

	螺杆	钻铤	扶正器	钻铤	合计
外径mm	244.5	228.6	310	203
长度m	9.76	27.28	1.75	29.67/46.78	68.46/85.57
理论容积m3	0.65	1.81	0.12	1.97	4.55-5.68

4 结论

根据经验公式，针对实例井，在岩屑尺寸、形状等不变情况下，钻井液密度与钻屑沉降速度呈线性关系，拟合方程为： =0.69589-0.24708 ，钻进过程中可以根据钻井液密度，计算钻屑沉降速度，从而计算最大停泵时间，作为防止岩屑静止沉降卡钻的参考数据，降低实钻过程中的工程风险。

参考文献

[1] 刘成文，李兆敏 . 钻井过程中岩屑运移模型研究进展 [J]. 钻井液与完井液，2019，36（6）：663-671.

[2] 周凤石.岩屑沉降速度的理论计算及其在钻井中的应用[J].石油钻采工艺,1982(07):14-29.

[3] 景帅，肖莉， 张好林，等. 基于井眼清洁程度与水力学耦合的环空压耗最小化计算方法[J].石油钻探技术，2020，48（2）：56-62.

[4]王浩，深水钻井岩屑浓度分布及迟到时间计算[J].2012,32（12）

作者简介：王茂仁（1982— ），男，高级工程师，主要从事油田化学和油田固液废弃物环保治理工作。