复杂结构井井眼清洁与岩屑运移研究调研报告

报告编号：OGA-A-042 所属集群：井控与复杂地层 出品方：北京经纬智汇信息咨询有限公司 报告日期：2026年7月2日 保密级别：内部参考 版本：V1.0

执行摘要

复杂结构井（大位移井、水平井、大斜度井、多分支井）已成为页岩油气开发、深水与深层超深层油气、老油田加密调整的主力井型。伴随水平段不断延伸、井斜角长期处于高值，井眼清洁（Hole Cleaning）与岩屑运移（Cuttings Transport）从常规井的"次要作业环节"上升为决定复杂结构井能否安全、高效钻达目标的核心工程瓶颈之一。岩屑床（Cuttings Bed）的形成会诱发托压、卡钻、扭矩激增、当量循环密度（ECD）升高、下套管遇阻、固井质量下降乃至井眼报废，其经济与安全代价随水平段长度呈非线性放大。本报告在完整梳理岩屑运移基础理论、关键影响因素、工程技术体系、监测与数字化手段、全球竞争格局及中国本土化应用的基础上，遵循"现状—对标—瓶颈—趋势"逻辑并将结论后置，为管理层立项决策、技术团队选型攻关及投资方价值判断提供依据。核心发现如下：

结论一：岩屑运移的物理规律已基本厘清，但"工程可预测性"仍是短板。 岩屑在环空中的运移经历了从垂直段的悬浮运移、到45°–65°临界井斜带的岩屑床堆积、再到水平段"固定床—移动床—悬浮层"三层结构的流态演变。学界已建立从经验关联式到两层/三层力学模型、再到CFD-DEM（计算流体力学—离散元耦合）数值模拟的完整方法谱系，但受井下真实流变、偏心度、岩屑形态与破碎、动态工况耦合等因素影响，模型预测与现场实测之间仍存在显著偏差，"实时、定量、可决策"的工程化预测能力尚未成熟。

结论二：井眼清洁本质是"水力—流变—机械—作业"四要素的系统协同，单一手段无法奏效。 排量（环空返速）是第一位的主控因素，钻杆旋转（RPM）对破坏岩屑床作用显著，流变性（尤其低剪切速率黏度与屈服应力的匹配）决定悬浮与携带能力，机械清洁工具（水力振荡器、清砂/清洁短节、螺旋钻杆）在长水平段起补充强化作用。四者需针对具体井况系统优化，而非孤立叠加。

结论三：全球竞争呈"四大油服主导高端、中国企业快速追赶"格局，差距集中在软件与高端体系。 斯伦贝谢（SLB，含 M-I SWACO）、哈里伯顿（Halliburton，含 Baroid）、贝克休斯（Baker Hughes）、威德福（Weatherford）凭借一体化钻井液体系、专用工具与实时水力学软件占据高端市场；中海油服（COSL）、中石油/中石化工程技术研究院及安东、杰瑞等中国力量在页岩气长水平段等场景已实现规模化国产替代，但在高端合成基钻井液体系、实时水力学软件与数字孪生、精密清洁工具三个环节仍存在明显能力差距与"卡脖子"风险。

结论四：市场需求确定性增长，但口径差异大，需审慎引用。 与井眼清洁强相关的钻井液服务市场、旋转导向系统（RSS）市场在多家机构的测算中均呈稳健增长，但因统计口径（是否含材料、是否含服务、地域范围、井型范围）差异巨大，不同机构数据不可直接横向比较，投资决策应以口径一致的时间序列而非绝对值横比为依据。

结论五：中国场景是全球最具规模的应用与创新试验场。 四川页岩气长水平段持续刷新纪录、塔里木超深井与大位移井、渤海/南海海上大位移井，为井眼清洁技术提供了世界级的极限工况，也孕育了具备本土竞争力的解决方案，是中国企业实现从"跟跑"到"并跑"的关键窗口。

风险提示：核心风险集中于超长水平段携岩的物理极限、窄密度窗口下"清洁需求与ECD控制"的内在矛盾、实时监测精度不足、高端体系与软件的供应链依赖，以及标准与数据积累的分散化。

行动建议概览：建议以"场景牵引、软件为纲、体系与工具并进"为总方针，分0–6个月（能力盘点与选型基线）、6–18个月（软件与体系攻关、现场验证）、18–36个月（一体化服务与智能化升级）三阶段推进，并设置明确的触发/退出量化阈值以控制投入风险。详见第七章。

01 · 调研背景与目标

1.1 调研缘起与问题意识

全球油气勘探开发正加速向"非常规、深层超深层、海洋深水"三大方向演进，井型结构随之复杂化。水平井是页岩油气"体积压裂+长水平段"开发模式的物理载体，大位移井（Extended Reach Drilling, ERD）是海上平台"一井多靶、少井高产"的关键手段，多分支井则服务于薄层、边际油藏的高效动用。这类复杂结构井的共同特征是：井眼轨迹存在大段高井斜（大于60°）乃至水平段，且水平段长度持续突破。

在垂直井中，岩屑依靠环空上返流体的携带与自身重力方向一致的排出通道即可顺畅返出；而在大斜度和水平井段，重力方向与流体主流方向近乎垂直，岩屑极易在井眼低边沉积形成岩屑床。岩屑床一旦形成并累积，将引发一系列连锁工程问题：机械钻速下降、旋转扭矩与起下钻摩阻激增、ECD 升高逼近地层破裂压力、下套管遇阻遇卡、固井顶替效率降低，严重时导致卡钻甚至井眼报废。随着水平段从数百米延伸至数千米，携岩难度呈非线性上升，井眼清洁已成为制约复杂结构井"钻得成、钻得快、钻得省"的核心技术瓶颈之一。

因此，系统厘清岩屑运移的物理机理、影响因素与工程对策，对标全球技术格局，识别中国本土化的差距与机遇，对企业的技术立项、装备选型、服务采购与投资布局具有直接的决策价值。

1.2 核心调研问题

本报告围绕以下核心问题展开：其一，复杂结构井中岩屑运移的物理机理与主控规律是什么，现有理论模型的能力边界在哪里；其二，井眼清洁的工程技术体系由哪些要素构成，各要素如何协同；其三，监测、数值模拟与数字化手段的现状与前沿；其四，全球竞争格局如何，中国企业的能力位置、差距与"卡脖子"环节；其五，中国典型场景的应用实践与国产化进展；其六，行业的核心瓶颈、风险与未来趋势，以及企业应采取的行动路径。

1.3 调研范围界定

• 技术范围：聚焦复杂结构井（大位移井、水平井、大斜度井、多分支井）的井眼清洁与岩屑运移，涵盖基础理论、影响因素、工程工具与工艺、监测与模拟、数字化技术；不展开纯直井钻井、常规固井与压裂等相邻主题（仅在关联处点到）。
• 地域范围：全球视野，国际四大油服与主要区域市场并重，重点剖析中国本土化场景。
• 时间视角：全时间轴，梳理理论与技术从早期经验方法到当代数值模拟与智能化的完整脉络，并展望未来12–36个月演进。
• 颗粒度：宏观（行业趋势与市场）、中观（竞争格局与产业链）、微观（模型、工具、案例参数）多层次结合。

1.4 调研方法说明

本报告采用多源信息交叉验证的方法：以 SPE/IADC/OnePetro 论文、《SPE Drilling & Completion》等国际期刊、国际油服公司技术白皮书为英文一手来源；以《石油学报》《石油钻探技术》《钻采工艺》《钻井液与完井液》等中文核心期刊、国家专利文献、中石油/中石化/中海油及其研究院的现场文献为中文来源；辅以主要市场研究机构的行业报告获取市场数据。所有数据均标注来源机构与年份；所有厂商性能宣称均标注为"厂商声明、未独立验证"；对市场规模数据明确标注统计口径并提示不同机构不可直接横比。定性分析与定量数据、工程案例相互印证，结论置于全部分析与数据铺陈之后。

02 · 岩屑运移基础理论与机理全景

2.1 环空流态分区：从悬浮到岩屑床的空间演变

岩屑在环空中的运移行为随井斜角发生本质性变化，可按井斜角划分为三个典型区域，构成认识井眼清洁问题的物理起点。

垂直至低斜段（井斜0°–30°）——悬浮运移区。 该区域重力方向与环空返流方向大致相反，岩屑主要靠流体上返速度克服自身滑脱沉降速度而被携带排出。只要环空返速大于岩屑滑脱速度并留有裕量，携岩即可顺畅完成。此区间井眼清洁问题相对可控，核心参数是环空返速与岩屑滑脱速度之差。

中斜段（井斜30°–65°）——岩屑床堆积临界区。 这是井眼清洁最困难、也是工程事故高发的区间。重力在垂直井壁方向的分量使岩屑向井眼低边沉降，而沿井轴方向的返流分量不足以完全携带，岩屑在低边堆积形成岩屑床；更棘手的是，在此角度范围内堆积的岩屑床还可能沿井壁向下滑塌（avalanche/sliding bed），形成"堆积—滑塌—再堆积"的动态不稳定。大量实验研究指出，井眼清洁最恶劣的井斜角通常出现在约45°–65°区间，业界常称之为"临界角带"或"麻烦区"（trouble zone）。

高斜至水平段（井斜65°–90°）——岩屑床稳定区。 此区域岩屑床不再发生大规模滑塌，而是趋于稳定沉积，形成较为固定的岩屑床。此时环空横截面上呈现典型的三层结构：底部为基本不流动的固定床（stationary bed），其上为在流体剪切下缓慢滑移的移动床（moving bed），最上部为携带悬浮颗粒的悬浮层（suspension/heterogeneous layer）。井眼清洁的目标即是通过提高流体对床层的剪切侵蚀能力，将固定床转化为移动床乃至悬浮层。

*图2-1：复杂结构井环空岩屑运移流态分区与三层结构示意图*

2.2 岩屑运移核心力学机理

岩屑运移是典型的固液两相（含气则为三相）流问题，其力学核心包括以下要素。

颗粒沉降与滑脱速度。 单颗岩屑在静止流体中的沉降速度由颗粒与流体密度差、颗粒粒径与形状、流体黏度共同决定，依雷诺数不同落入斯托克斯区（Stokes，层流、小颗粒）、中间过渡区或牛顿区（Newton，湍流、大颗粒）。在流动环空中，岩屑相对于流体的"滑脱速度"决定了它被携带的难易；滑脱速度越大，越易沉降形成岩屑床。非牛顿流体（钻井液多为幂律或赫—巴流体）的存在使沉降规律显著偏离经典单相流公式。

临界返速与临界沉积速度。 井眼清洁工程中最重要的两个速度门槛：一是临界运移速度/临界返速（critical transport velocity），即维持岩屑不在环空中净沉积所需的最小环空返速；二是临界沉积速度（critical deposition velocity），即岩屑床开始出现的流速下限。工程上要求环空实际返速高于临界返速并留有安全裕量。临界返速随井斜角、岩屑粒径、流变性、偏心度等显著变化，是水力设计的核心目标量。

床层侵蚀与 Shields 判据。 已形成的岩屑床在流体剪切作用下发生颗粒起动与侵蚀，其临界条件可借助泥沙运动力学中的 Shields 数（无量纲床面剪切应力）加以刻画。钻杆旋转所产生的附加剪切与搅动是破坏岩屑床、促使颗粒重新悬浮的重要机制，这也是"转速对井眼清洁贡献显著"的力学根源。

2.3 理论模型的演进脉络：从经验关联到 CFD-DEM

岩屑运移的定量描述方法沿"经验—半经验—机理—数值模拟"路径持续演进，构成一条清晰的全时间轴技术脉络。

第一阶段：经验与半经验关联式（20世纪70–90年代）。 早期研究以室内环道实验为基础，拟合出临界返速、岩屑床高度、携岩比与各操作参数间的经验关联式。这类模型形式简单、便于现场估算，代表性工作围绕不同井斜、排量、流变、岩屑尺寸下的携岩效率展开，为工程提供了首批可用的定量指导，但外推能力有限，仅适用于与实验条件相近的工况。

第二阶段：两层与三层力学模型（20世纪90年代至今）。 为突破经验式的局限，研究者引入基于质量与动量守恒的分层力学模型。两层模型将环空流动简化为上部含悬浮颗粒的流动层与下部岩屑床两层，通过层间质量、动量交换求解床层高度与所需流速；三层模型进一步将床层细分为固定床、移动床与悬浮层，更贴合水平段真实结构，物理机理更完整。分层模型在精度与计算成本间取得较好平衡，至今仍是许多工程水力学软件的理论内核。

第三阶段：CFD-DEM 与双流体数值模拟（21世纪以来）。 随着计算能力提升，计算流体力学（CFD）与离散元法（DEM）耦合的 CFD-DEM 方法、以及欧拉—欧拉双流体模型被广泛用于岩屑运移研究。CFD-DEM 将流体作为连续相求解、将每个岩屑颗粒作为离散实体追踪，能够刻画颗粒—颗粒、颗粒—流体、颗粒—井壁的相互作用，直观再现岩屑床形成、偏心环空流场、钻杆旋转搅动等复杂现象；双流体模型则将固相亦视为连续介质，计算效率更高、适合大尺度。二者是当前机理研究的主流工具，但计算成本高、对流变本构与边界条件敏感，工程实时应用仍受限。

*图2-2：岩屑运移理论模型演进与能力对比图*

各代模型的适用性与局限对比如下表。

表2-1 岩屑运移主要理论模型对比

说明：上表模型能力评价为基于公开文献的定性归纳，具体精度依赖于标定数据与工况，不同研究给出的结论存在差异，工程选用应结合自身数据验证。