井下大徑垮塌物打撈劃眼一體化處理技術

秦 春， 陳小元， 程智勇

（中石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司，江蘇揚州 225261）

深部裂隙發(fā)育的泥巖地層和破碎地層在鉆井過程中極易垮塌，且垮塌物尺寸大。在井眼失穩(wěn)和復雜情況處理方面，目前國內外主要采用優(yōu)化鉆井液、稠段塞清掃、牙輪鉆頭和反循環(huán)打撈籃劃眼等常規(guī)方法[1-3]，但處理井下大徑垮塌物遇阻劃眼時間長，會嚴重影響鉆井成本和經濟效益。如FHX1 井，完鉆后井下掉塊的直徑最大達到15 cm、厚度達到8 cm，處理井下掉塊劃眼時間長達30 d。造成大徑垮塌物劃眼處理時間長的原因主要有：1）注入高黏鉆井液段塞清掃垮塌物時，難以將大徑垮塌物攜帶至地面，且多次采用稠段塞清掃易破壞鉆井液性能，造成井眼失穩(wěn)垮塌井段進一步垮塌，形成惡性循環(huán)；2）缺少處理大徑垮塌物遇阻的劃眼工具，配套技術不完善。采用牙輪鉆頭或領眼公錐劃眼時，由于垮塌物尺寸大且堅硬，難以破碎垮塌物，且其不具備打撈功能；使用反循環(huán)打撈籃打撈垮塌物，由于其容量小，一次撈出量有限，導致劃眼效果差，處理時間長[4-8]。因此，筆者考慮從劃眼工具著手，采用集破碎、劃眼和打撈于一體的工具，形成了井下大徑垮塌物打撈劃眼一體化處理技術。12 口井的現(xiàn)場應用結果表明，該技術能縮短井下大徑垮塌物的處理時間，降低鉆井成本，提高經濟效益。

1 打撈劃眼一體化工具

為實現(xiàn)打撈劃眼一體化工具的破碎、劃眼和打撈一體化功能，借鑒了反循環(huán)打撈籃的鉆井液循環(huán)方式，通過優(yōu)化循環(huán)方式降低了鉆井液對井壁的沖蝕。針對劃眼時大徑垮塌物易使鉆頭發(fā)生偏移、不易被鉆頭破碎的問題，借鑒取心鉆頭的環(huán)形切削思路，采用環(huán)形硬質合金切削齒對大徑垮塌物進行破碎。針對大徑垮塌物不易被鉆井液攜帶至地面的問題，將劃眼作業(yè)中依靠鉆井液循環(huán)清理掉塊的方式改為利用工具內筒進行機械打撈，并采用可拆裝式的加長打撈筒，不但增大了打撈筒容量，而且便于取出打撈物，提高打撈劃眼效率。

1.1 工具結構

打撈劃眼一體化工具由筒體、分水機構、流道管、打撈機構和銑齒等組成，如圖1 所示。筒體為正六棱柱，6 根流道管位于筒體的6 條棱上，分別與位于堵頭上方腔體內壁上的6 個流道管相通，流道管的下端沿筒體向下延伸至筒體的下端；堵頭下方腔體內壁上對稱設有3 個回流孔，并與筒體的外壁貫通。

圖 1 打撈劃眼一體化工具的結構示意Fig.1 Structure diagram of the integrated fishing and reaming tool1.筒體；2.花籃套；3.堵頭；4.流道管；5.打撈機構；5a.門蓋；5b.彈性鉸鏈；5c.翻板；6.硬質合金齒

分水機構由堵頭和花籃套組成，堵頭位于接頭喉口部的臺階上，通過密封圈實現(xiàn)堵頭與接頭喉口部內壁的密封?；ɑ@套上端與連接鉆具的公螺紋下端接觸，花籃套壓住堵頭，并采用平鍵與堵頭連接，防止堵頭上行或旋轉，以減輕鉆井液對流道口和堵頭密封圈的沖蝕?；ɑ@套有6 個與對應腔體內壁上6 個流道管相通的長腰形孔，以確保鉆井液正常流入流道。

打撈機構由方形門孔、門蓋、翻板和鉸鏈組成，其結構如圖1（b）所示。翻板通過彈性鉸鏈鉸接在門蓋的內壁上，直接利用筒體方形門孔的邊沿作為門框，翻板從里面安裝，大大減小了翻板和門框的變形。翻板采用可鉆材料，確保翻板因擠壓、扭曲掉落后不影響后續(xù)劃眼打撈和鉆井作業(yè)。

劃眼用銑齒采用環(huán)形切削結構設計，將傳統(tǒng)劃眼中對垮塌物進行鉆磨改變?yōu)檠鼐趫A周方向對垮塌物直接切削，以增強通井劃眼能力。銑齒采用直徑10～11 mm 的圓柱形YK25 硬質合金，可以將大直徑掉塊切削成粒徑較小的顆粒，有利于鉆井液將小顆粒攜帶至地面，而粒徑較大的顆粒更容易進入打撈筒。

1.2 工作原理

下井前，將打撈劃眼一體化工具接在鉆桿下部，下鉆到遇阻井段后開泵，鉆井液到達工具筒體上端時，被喉口部的堵頭堵住，鉆井液從堵頭上部的流道口進入流道管，沿鉆井液流道管到達下端面出口高壓噴出，在壓差作用下，鉆井液推開筒體下部的活門返入筒體內腔，同時將切削后的垮塌物攜帶至筒內，起到打撈的作用；到達筒體內腔上部的鉆井液從回流孔流出，起到循環(huán)利用的作用。通過旋轉鉆具，筒體下端的硬質合金齒對遇阻井段進行劃眼、切削破碎大徑垮塌物，有助于碎物進入筒內和被鉆井液攜帶至地面；可邊下鉆邊劃眼，以起到劃眼通井修整井壁的作用。

1.3 強度校核及性能參數(shù)

1.3.1 強度校核

打撈劃眼一體化工具在井下進行大徑垮塌物劃眼、打撈作業(yè)時，需要承受一定的鉆壓和扭矩，因此需要進行強度校核，確保其強度滿足井下復雜工況的需求。采用有限元分析軟件ABAQUS 校核打撈劃眼一體化工具的結構強度。對打撈劃眼一體化工具進行簡化，只保留工具的筒體和流道管，建立物理模型。模擬時施加的鉆壓、扭矩比實際施工時施加的鉆壓、扭矩大。對打撈劃眼一體化工具上端固定，下端施加40 kN 軸向壓縮力（鉆壓）和4 000 N·m周向扭矩，模擬溫度120 ℃條件下工具的應力分布。φ203.2 mm 打撈劃眼一體化工具應力分布模擬結果如圖2 所示。

圖 2 φ203.2 mm 打撈劃眼一體化工具的應力分布Fig.2 Stress distribution of φ203.2 mm the integrated fishing and reaming tool

從圖2 可以看出，φ203.2 mm 打撈劃眼一體化工具承受的最大應力在其下部外管壁凹槽側面，達到329.31 MPa。該工具的材料為4145H 鋼，屈服強度為689 MPa，說明打撈劃眼一體化工具的強度滿足井下復雜工況下的安全要求。

1.3.2 技術參數(shù)及特點

φ203.2 mm 打撈劃眼一體化工具的最大外徑為203.2 mm，總長2.00 m，打撈筒長1.70 m，最大打撈直徑140.0 mm，接頭采用NC50 扣，適用于φ215.9 mm井眼。

該工具具有以下技術特點：1）可實現(xiàn)井下大徑垮塌物劃眼、破碎和打撈一體化作業(yè)；2）打撈內筒長1.70 m，可一次打撈出井下大量的大徑垮塌物；3）現(xiàn)場拆裝方便，打撈物容易從工具內取出，可重復入井使用。

2 施工工藝

2.1 劃眼、打撈工藝

考慮處理井下復雜情況下劃眼作業(yè)的特殊性，入井鉆具組合為φ203.2 mm 打撈劃眼一體化工具+φ165.1 mm 浮閥+φ165.1 mm 鉆鋌×3 根+φ165.1 mm隨鉆震擊器+φ127.0 mm 加重鉆桿×15 根+φ127.0 mm鉆桿。下鉆過程中需分段循環(huán)，下鉆至遇阻點或預計遇阻井段，上提鉆具使劃眼專用工具距遇阻點5.00～6.00 m。根據(jù)井下情況合理控制排量，建立循環(huán)。劃眼過程中控制劃眼參數(shù)：1）鉆壓10～20 kN，劃眼時沖、劃與輕拔相結合；2）適用于φ215.9 mm 井眼的排量為28～30 L/s，控制泵壓不超過鉆進時的泵壓；3）根據(jù)轉盤或頂驅扭矩的變化及時調整轉速，一般劃眼轉速45～50 r/min，防止憋停轉盤或頂驅后釋放扭矩造成鉆具故障。劃眼出現(xiàn)鉆壓不變、無進尺、泵壓升高或扭矩無波動等現(xiàn)象時，說明打撈筒已被垮塌物充滿，需起鉆取出垮塌物。

2.2 打撈物取出工藝

打撈劃眼一體化工具接頭端的分水機構和工具下端的打撈機構均可拆卸，不用破壞工具即可方便地取出打撈物。具體操作流程如下：

1）打撈劃眼結束后起鉆至井口，卸下打撈劃眼一體化工具。

2）取出工具接頭內腔上部的花籃套，用專用工具取出堵頭；拆掉打撈機構的門蓋，將門框和翻板取出。

3）將打撈物專用取出工具從打撈劃眼一體化工具的母螺紋端放入其內腔，采用榔頭敲擊打撈物專用取出工具的另一端，將打撈物壓出打撈劃眼一體化工具的打撈筒。

3 現(xiàn)場應用

打撈劃眼一體化處理技術在蘇北盆地、海南福山油田等的12 口井進行了現(xiàn)場應用，劃眼處理井下大徑垮塌物引起的井下復雜情況成功率100%，縮短了井下復雜情況處理時間，取得了良好的效果。下面以TX100 井和H11-5X 井為例介紹具體應用情況。

3.1 TX100 井

TX100 井為蘇北盆地的一口預探井，完鉆井深3 230.00 m。該井進入E1f4地層后一直沿著斷裂帶鉆進，由于該地層具有水敏性，垮塌嚴重，且垮塌物尺寸較大。該井在鉆至井深2 383.00 m 時，因實鉆地層與地質設計結果相差較大，中途電測前通井，通至井深2 100.00 m 附近阻卡嚴重，倒劃眼起出通井鉆具組合，下入帶牙輪鉆頭的劃眼鉆具組合進行劃眼，在2 077.00～2 383.00 m 井段劃眼困難，共耗時5.26 d，后下入打撈劃眼一體化工具進行劃眼。

下鉆至井深2 033.00 m 遇阻開始劃眼，劃眼井段2 033.00～2 109.00、2 234.00～2 244.00 和 2 292.00～2 311.00 m，劃眼到底循環(huán)，短起15 柱后下鉆至井深2 053.00 m 再次遇阻，劃眼困難，起鉆后發(fā)現(xiàn)打撈劃眼一體化工具打撈筒充滿大徑垮塌物，劃眼耗時0.71 d，打撈出的井下垮塌物最大尺寸20 cm×15 cm×13 cm。再次下入打撈劃眼一體化工具進行劃眼，下鉆至井深2 030.00 m 遇阻，劃眼至井深2 033.00 m 后無法繼續(xù)劃眼，起鉆發(fā)現(xiàn)工具打撈筒充滿垮塌物，垮塌物最大尺寸為120 mm×75 mm×55 mm，劃眼耗時0.58 d。

TX100 井采用常規(guī)工具進行劃眼，耗時5.26 d井下仍不能恢復正常，遂采用打撈劃眼一體化工具對井下大徑垮塌物進行打撈劃眼，后下入領眼公錐順利劃眼到底，恢復正常，加快了劃眼處理垮塌遇阻的速度。

3.2 H11-5X 井

H11-5X 井是海南福山油田的一口評價井（定向井），完鉆井深4 514.01 m。由于設計沿斷層破裂帶鉆進，造成崩塌式垮塌，垮塌物極大，劃眼處理難度極大，造成2 次填井側鉆。三開φ215.9 mm 井眼鉆至井深3 789.98 m 時發(fā)生井下復雜，由于處理難度大，在井深3 602.00 m 處進行第一次側鉆，側鉆至井深3 785.96 m再次發(fā)生井下復雜，使用牙輪鉆頭、反循環(huán)打撈籃和領眼公錐進行劃眼，但劃眼非常困難，耗時27 d才劃眼至井深3 776.40 m。觀察分析反循環(huán)打撈籃打撈出的井下垮塌物，發(fā)現(xiàn)井下垮塌物硬且大，于是下入打撈劃眼一體化工具破碎、打撈井下垮塌物。

第一次劃眼打撈時，打撈劃眼一體化工具下至井深3 774.50 m 阻，劃眼至及井深3 778.60 m，憋轉盤，泵壓不變，起鉆發(fā)現(xiàn)工具打撈筒充滿垮塌物，垮塌物最大尺寸為20 cm×11 cm×14 cm。隨后，又4 次下入打撈劃眼一體化工具劃眼打撈，打撈筒內均充滿垮塌物。1.70 m 長的打撈筒兩端是25～30 cm 的巖塊，中間是6～10 cm 的碎塊，累計打撈出0.14 m3的垮塌物。該井采用打撈劃眼一體化專用工具對井下大徑垮塌物進行破碎打撈，僅用時6 d 就劃眼至井深3 781.16 m。通過分析打撈出的垮塌物，認為該井鉆遇了層理性斷層，設計的側鉆位置和第一次側鉆位置均為斷層破裂帶，于是決定再次填井從井深1 350.00 m 側鉆，順利鉆至設計層位。

4 結論與建議

1）打撈劃眼一體化工具可實現(xiàn)井下大徑垮塌物破碎、打撈和劃眼一體化作業(yè)，且打撈筒內腔長達1.70 m，一次打撈量大，打撈物易于取出。

2）打撈劃眼一體化工具可以將井下大徑垮塌物破碎、打撈出，能夠加快劃眼進度，縮短井下復雜情況的處理時間。

3）鉆井過程中出現(xiàn)井下復雜情況需要劃眼時，如果能準確判斷是由大徑垮塌物造成的，建議應用打撈劃眼一體化工具進行處理，以加快井下復雜情況的處理速度。