钻井过程中井下岩屑运移规律及井眼净化技术

引言

钻井过程中，井下岩屑的及时清除是保障钻井顺利进行的核心环节之一。随着深井、超深井、大位移井及水平井技术的发展，井眼轨迹日趋复杂，井下环境高温高压、地层非均质性显著，岩屑运移的动力学特征更加复杂。若井眼净化不充分，岩屑沉积会导致井径缩小、钻具卡阻、扭矩与摩阻增加，甚至引发井涌、井喷等井控事故。因此，系统研究井下岩屑运移规律并优化井眼净化技术，对于提高钻井效率、降低工程风险、节约作业成本具有重要的理论与实践意义。本文在总结前人研究成果与工程实践经验的基础上，从岩屑生成与运移机理、井眼净化影响因素、技术手段及综合优化策略等方面展开探讨，以期为复杂井钻井作业提供可行的技术方案与决策支持。

一、岩屑生成与运移机理分析

井下岩屑生成是钻头与地层相互作用的结果，其数量、粒径、形态及分布受钻进方式、钻头类型、地层岩性等多因素影响。旋转钻进过程中，钻头切削岩石形成的岩屑在井底被钻井液携带进入环空，并在环空流动中不断向井口运移。不同井型中，岩屑运移表现出明显的差异性：在垂直井中，重力作用使岩屑易于沉降，而在高斜井及水平井中，岩屑更易形成床层沉积，需较高的流速与扰动来实现有效悬浮与搬运。岩屑运移动力学过程受到重力、浮力、流体阻力、钻具扰动等多种力的共同作用，其速度与方向不仅与流体流型相关，还受岩屑粒径与密度、钻井液流变性等因素制约。

二、井眼净化的影响因素

钻井液性能对岩屑悬浮与搬运的影响。钻井液的密度、黏度、屈服值及触变性决定了其悬浮与输送岩屑的能力。高密度钻井液可增强浮力作用，降低岩屑沉降速度；高黏度与较高屈服值有助于悬浮细小岩屑，但过高黏度会增加泵压与能耗，不利于高效循环。环空流速与流态控制。环空流速是井眼净化效果的直接控制参数。当流速低于临界携砂速度时，岩屑易在井底或低侧壁沉积；当流速过高时，虽可有效清砂，但会增加井壁侵蚀与井眼不稳定风险。因此，在不同井段应结合井径、钻具组合及地层条件优化流速。井眼轨迹与井斜角度。井斜角越大，重力对岩屑沉积的作用越明显，在水平井段，岩屑床层易沿井眼低侧形成稳定沉积，需通过机械扰动与脉动流体破坏沉积结构。钻具运动方式。

三、井下岩屑运移规律的实验与数值研究进展

井下岩屑运移规律的研究主要依托实验模拟与数值计算两大技术路径。实验方面，通过透明井筒物理模拟系统，可直观观察不同流型、流速、岩屑粒径下的运移状态，揭示岩屑床层形成与破坏的临界条件。数值模拟方面，CFD（计算流体力学）技术可建立井下流场与岩屑颗粒运动的耦合模型，分析不同井型、钻井液性能与钻具扰动对岩屑运移效率的影响规律。最新研究表明，环空流动呈现明显的分层结构，上层流体速度较高、携砂能力强，下层流速低、沉积倾向显著，适当增加脉动扰动与周期性变流有

助于破坏岩屑床层结构。

四、高效井眼净化技术体系构建

优化钻井液流变性参数。在保障井壁稳定与井控安全的前提下，应根据井段岩性与井斜条件调整钻井液密度、黏度、屈服值等参数，兼顾携砂能力与泵送效率。合理控制环空流速与泵排量。采用变排量控制技术，根据井段岩屑返速与携带效果实时调整泵速，确保各井段流速处于最佳区间。引入机械辅助清洁装置。包括螺旋钻铤、偏心稳定器、井底清洁器等，可通过机械扰动增强岩屑悬浮与搬运能力，尤其适用于高斜井与水平井段。结合脉动与涡流技术。通过在循环系统中引入脉动流或旋转涡流结构，可显著破坏岩屑床层沉积，提升低速区的岩屑搬运效率。实时监测与智能调控。

五、针对复杂井型的井眼净化优化策略

在深井与超深井钻进过程中，高温高压环境易导致钻井液黏度下降、失水量增加和流变性能波动，因此需要重点保持钻井液在极端条件下的稳定性，通过添加耐高温降滤失剂和稳定剂延缓性能衰减。同时，应针对长井段低速流区增加机械扰动频率，促使沉积岩屑悬浮并随流体运移。在大位移井与水平井施工中，可在钻具组合中配置偏心扰动工具，使流场在井底形成周期性扰动，并结合间歇高流速循环，有效冲刷低侧岩屑床层，减少沉积厚度。对于欠平衡钻井作业，应在维持井壁稳定的同时兼顾携屑效率，通过选用低密度高黏度钻井液提高悬浮能力，并辅以高频脉动流增强岩屑剥离与输送效果，从而在安全条件下实现井眼的高效净化。

结论

岩屑运移与井眼净化在钻井工程中具有密切关联，其效果直接影响钻进过程的安全性与经济效益。研究表明，岩屑运移效率受到钻井液性能、流速与流态、井眼结构、钻具姿态及地层性质等多因素耦合作用的影响。为了在不同井型与复杂地层条件下实现高效净化，需要综合运用多项技术手段，包括优化钻井液的密度、黏度与切力特性，合理控制泵排量以形成有利于携屑的流态，利用机械辅助扰动装置改善岩屑悬浮与输送效果，并通过智能监测系统实时获取井下流动与岩屑分布信息，实现动态调控。未来，随着智能钻井与大数据分析技术的进步，基于实时监测与预测模型的自适应井眼净化技术将成为重要发展方向，使净化过程从依赖经验的被动控制转向精准化、主动化调节，从而在保障钻井安全的同时提升整体作业效率与经济效益。

参考文献：

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