利用機(jī)械工具改善大斜度井巖屑床問(wèn)題的研究

袁則名， 和鵬飛， 丁 勝， 張彥瑞， 徐 鯤， 龔 寧， 徐 彤

(1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司 3中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司)

海上油田開(kāi)發(fā)主要采用集中井槽叢式井技術(shù)，因此以井槽平臺(tái)為單點(diǎn)輻射整個(gè)油田區(qū)塊的井網(wǎng)布置，必然有較多的大斜度井出現(xiàn)。此外，在開(kāi)發(fā)井型方面，渤海油田采用水平井和大斜度井以增大泄油面積[1-6]。而在大斜度井和水平井鉆井作業(yè)中，當(dāng)井斜角超過(guò)臨界值時(shí)，井眼底邊便會(huì)因巖屑堆積而形成巖屑床。巖屑床的清除是目前大斜度井、水平井的作業(yè)難點(diǎn)，普遍采用的是通過(guò)調(diào)整鉆井液性能，利用水力清除，但水力效果較為局限，不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的[7-9]。

一、巖屑床的清除難點(diǎn)與特點(diǎn)

巖屑床是鉆井過(guò)程中在特定井段無(wú)法避免產(chǎn)生的巖屑堆積問(wèn)題，最明顯的將導(dǎo)致井筒中鉆具環(huán)空固相含量增加、影響鉆井液性能的穩(wěn)定，巖屑床形成后容易因擾動(dòng)而出現(xiàn)局部堆積，鉆進(jìn)過(guò)程中摩阻明顯增大、鉆進(jìn)扭矩偏高，即便調(diào)整鉆井液潤(rùn)滑性也無(wú)明顯改善；不能實(shí)現(xiàn)正常的直接起下鉆，鉆具懸重和鉆壓失真問(wèn)題突出；停泵后井眼中巖屑下沉形成臺(tái)階或砂橋造成砂卡或粘卡，使下套管、固井作業(yè)困難；即便多次通井、泵入高低比重、高低黏度段塞仍無(wú)有效改善；套管下入到位后，由于環(huán)空間隙變小，更易導(dǎo)致循環(huán)不暢；固井之后水泥封固質(zhì)量也不能達(dá)到預(yù)期效果。

目前海上鉆井對(duì)于巖屑床的處理一般是選擇定期或適時(shí)進(jìn)行短起下鉆，配以劃眼和適當(dāng)?shù)脑龃蟊门帕垦h(huán)，既影響了鉆進(jìn)速度，浪費(fèi)了時(shí)間，又增加了鉆井成本，且此類(lèi)針對(duì)巖屑床的處理方法不能有效清除巖屑床。渤海某A區(qū)塊已鉆井的復(fù)雜情況概述，該區(qū)域已鉆井達(dá)上百口，水平井占50%、大斜度井占20%左右，但水平井同樣存在大斜度井段，因此這70%的比率效果一致，在鉆井過(guò)程中，由于巖屑床的存在導(dǎo)致作業(yè)效率低，部分井出現(xiàn)了倒劃眼一柱用時(shí)10 h以上的現(xiàn)象，出現(xiàn)蹩泵耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間處理暢通，大排量循環(huán)一般返出大量混雜巖屑，從返出情況可以排除井塌確定為巖屑堆積問(wèn)題[10]。

鑒于此，渤海油田研究并開(kāi)發(fā)了巖屑床清除工具，在以上傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)在巖屑床清除工具本體上布置特殊的螺旋槽道結(jié)構(gòu)，利用槽道結(jié)構(gòu)的攪動(dòng)提高巖屑攜帶的能力以實(shí)現(xiàn)清除巖屑床，有效的解決定向井、大斜度井和水平井鉆井作業(yè)中的巖屑床堆積問(wèn)題，大大降低鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

二、巖屑床清除工具的組成和原理

1. 結(jié)構(gòu)組成

巖屑床清除工具技術(shù)參數(shù)如表1，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由工具本體和巖屑床清除部件組成。在正常鉆井作業(yè)中，巖屑床破壞器可直接連接于鉆具組合，工具隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，傳遞扭矩，同時(shí)，螺旋支撐棱松動(dòng)巖屑床，經(jīng)螺旋棱攪拌，使巖屑由井眼低邊進(jìn)入具有較高流速的環(huán)空高邊，重新進(jìn)入鉆井液循環(huán)，同時(shí)螺旋流道使流體發(fā)生彎曲，產(chǎn)生螺旋紊流，提高鉆井液攜帶巖屑的能力[11]。

表1 巖屑床破壞器技術(shù)參數(shù)

圖1巖屑床清除工具的結(jié)構(gòu)組成

2. 工作原理

巖屑床破壞器鉆井工具在鉆井過(guò)程中通過(guò)機(jī)械破壞、改變局部流場(chǎng)、制造局部紊流原理，可以有效地破壞清除已形成的巖屑床，并避免形成新的巖屑床。

(1)機(jī)械挖掘作用和壓力吸附雙作用。采用螺旋槽道設(shè)計(jì)，利用過(guò)流截面積的改變來(lái)改變鉆井液的流場(chǎng)特征，通過(guò)螺旋結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)力攪動(dòng)井壁下段的巖屑床巖屑，使巖屑脫離井壁低流速區(qū)域。螺旋槽道段相比鉆桿本體具有更大的截面積(鉆桿本體外徑139.7 mm，螺旋槽道外徑190.5 mm，接頭外徑184.2 mm)。圖2是螺旋槽道的結(jié)構(gòu)。

(2)機(jī)械傳動(dòng)力。通過(guò)如圖3的井筒環(huán)空鉆井液流場(chǎng)分析，巖屑床清潔工具的螺旋體可以帶動(dòng)鉆井液產(chǎn)生軸向和橫向的傳動(dòng)，將一部分鉆具的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為鉆井液的軸向和橫向復(fù)合加速力，產(chǎn)生機(jī)械傳動(dòng)效果。

圖2 螺旋槽道結(jié)構(gòu)

圖3 環(huán)空流體的流線分布圖

(3)巖屑的循環(huán)推動(dòng)作用。巖屑顆粒在排屑槽內(nèi)部向井口運(yùn)送的過(guò)程中會(huì)沿順時(shí)針(視線方向?yàn)閺木谥赶蜚@頭)滑動(dòng)，形成了循環(huán)往復(fù)。在循環(huán)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)作用使巖屑顆粒的切向和軸向速度增加，提高巖屑傳輸效率，如圖4所示。

圖4 循環(huán)推動(dòng)作用示意圖

三、在渤海油田的應(yīng)用

目前該工具在渤海A區(qū)塊使用量較大，且處于推廣、擴(kuò)展應(yīng)用階段。本文以其中具有代表性的某37井為例進(jìn)行應(yīng)用說(shuō)明。

1. 定向井軌跡情況

某37井為一口大斜度井，定向井?dāng)?shù)據(jù)如表2，最大井斜69°，其中50°以上井斜井段達(dá)1 400 m。

表2 某37井定向井軌跡數(shù)據(jù)

2. 地層特征

該井的主要目的層位于東營(yíng)組，自上而下依次揭開(kāi)平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組和東營(yíng)組。其中明化鎮(zhèn)組主要是淺灰色細(xì)砂巖和綠灰色泥巖，館陶組主要是細(xì)砂巖和含礫細(xì)砂巖、中下部為中砂巖及砂礫巖、底部為厚層礫巖層，東營(yíng)組上部為淺灰色泥巖及粉砂、細(xì)砂巖、下部為巨厚褐灰色及灰色泥巖[12]。

3. 巖屑床清除工具的使用井段

鉆穿館陶組底礫巖后(1 835 m)起鉆，更換鉆具組合時(shí)在鉆柱中加入巖屑床清除工具，累計(jì)進(jìn)尺323 m，鉆進(jìn)井段井斜均大于55°。

4. 加放位置及鉆具組合

(1)使用前鉆具組合：?311.1 mm PDC鉆頭+?244.5 mm螺桿馬達(dá) (1.15°單彎角)+?203.2 mm浮閥接頭+?292.1 mm穩(wěn)定器+?203.2 mm無(wú)磁鉆鋌+?203.2 mm MWD+?203.2 mm無(wú)磁鉆鋌+?203.2 mm隨鉆震擊器+變扣接頭+ ?139.7 mm加重鉆桿×14根[15]。

(2)加入清除工具時(shí)的鉆具組合：?311.1 mm PDC鉆頭+?244.5 mm螺桿馬達(dá) (1.15°單彎角)+ ?203.2 mm浮閥接頭+?298.5 mm穩(wěn)定器+?203.2 mm無(wú)磁鉆鋌+?203.2 mm MWD+?203.2 mm無(wú)磁鉆鋌+?203.2 mm隨鉆震擊器+變扣接頭+?139.7 mm加重鉆桿×14根+1#巖屑床清除工具+?139.7 mm鉆桿×12根+2#巖屑床清除工具+?139.7 mm鉆桿×12根+3#巖屑床破壞器。

四、效果分析

1. 鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)比分析

在表4中，通過(guò)該井上部井段(未使用巖屑床清除工具)與下部井段(使用巖屑床清除工具)進(jìn)行了對(duì)比分析。在下部井段(1 835 m)下入巖屑床破壞器之后，因井深及排量升高，泵壓升高，但鉆井扭矩降低并趨于平穩(wěn)，說(shuō)明巖屑床破壞器通過(guò)破壞巖屑床，減小鉆柱與井壁之間的摩阻，降低扭矩?，F(xiàn)場(chǎng)在使用巖屑床破壞器之后振動(dòng)篩處巖屑返出明顯增加，說(shuō)明巖屑床清除工具有效清除沉積在井眼底邊的巖屑床。

表4 鉆井參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2. 倒劃眼效果對(duì)比

如圖5，為本井在倒劃眼短起鉆過(guò)程中的錄井曲線，對(duì)應(yīng)起鉆深度是1 800 m前后，即使用巖屑床清除工具的井段。倒劃眼速度基本維持在正常速度，即10 min左右一柱，但如表1統(tǒng)計(jì)，前期已鉆井倒劃眼極為困難，快則0.5 h一柱，慢則4～5 h一柱，頻繁憋壓、蹩扭矩。

五、結(jié)論

(1)針對(duì)大斜度井、水平井作業(yè)量逐步增加的情況，單純依靠水力攜巖效果不足以解決巖屑床問(wèn)題。通過(guò)機(jī)械式巖屑床清除工具的應(yīng)用，在一定程度上輔助解決了巖屑床的清除問(wèn)題。

(2)通過(guò)使用巖屑床清除工具，以某37井為例的井眼清潔情況較好，鉆井參數(shù)、倒劃眼速度等均與未使用前有了較大改善。

圖5 倒劃眼短起鉆錄井圖

(3)目前該工具仍處于推廣應(yīng)用階段，需要在多口井做使用效果的對(duì)比分析，進(jìn)一步優(yōu)化工具加放位置、加放量的設(shè)計(jì)，以最大化發(fā)揮效果。