水平井巖屑床清除工具優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

紀(jì)國(guó)棟 陳 勛 佟德水 劉 力 郭衛(wèi)紅 余萬(wàn)順

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司；2.遼河油田公司鉆采工藝研究院；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院）

為提高單井產(chǎn)量和最終采出程度，水平井水平井段的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度逐步增加，目前國(guó)外非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)中水平段長(zhǎng)度一般都大于2 000 m，3 000 m的水平段也非常常見(jiàn)，最大水平井段長(zhǎng)度已突破5 000 m。水平井，特別是長(zhǎng)水平段水平井鉆井面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，其中，井眼清潔問(wèn)題常會(huì)引起起/下鉆遇阻、鉆具托壓甚至卡鉆問(wèn)題，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失［1，2］。新疆瑪湖致密油水平井平均水平段長(zhǎng)度超過(guò)1 500 m，1 500 m以上水平段水平井?dāng)?shù)量占比達(dá)52%，長(zhǎng)水平段鉆井過(guò)程中面臨鉆井液攜巖效率低、斜井段易堆積形成巖屑床等難題，導(dǎo)致摩阻扭矩大、托壓嚴(yán)重和起/下鉆阻卡復(fù)雜狀況多，后期電測(cè)、下套管遇阻嚴(yán)重，一次到底難度大。

提高環(huán)空返速、改善鉆井液性能及機(jī)械清除等傳統(tǒng)清除巖屑床的主要方式具有較大的局限性，已經(jīng)無(wú)法完全滿(mǎn)足長(zhǎng)水平段水平井的巖屑清除要求［3］。近年來(lái)，為有效解決井眼清潔問(wèn)題，許多學(xué)者研制了不同類(lèi)型的巖屑床清除工具，如Samuel R發(fā)明的自適應(yīng)的井眼清潔工具［4］，Tolle G C發(fā)明的分流式水力清屑裝置［5］等。Puymbroeck L V等的論文介紹了VAM Drilling公司的一種帶有雙螺旋葉片的復(fù)合井眼清潔工具［6～10］，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是集成了清潔巖屑的葉片和減阻的滑動(dòng)軸承，應(yīng)用了CFD數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)了葉片剖面形狀，工具扭矩傳動(dòng)通過(guò)鉆桿提供，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明該工具在40℃以下的造斜段和水平段具有極好的巖屑床破壞能力，提高井眼清潔程度達(dá)60%以上，鉆具摩阻減少30%。VAM Drilling公司的系列產(chǎn)品在英國(guó)北海、中東地區(qū)和北美地區(qū)成功開(kāi)展商業(yè)應(yīng)用，取得了良好的巖屑床抑制、鉆桿降阻效果，為解決長(zhǎng)水平段水平井巖屑清除難題發(fā)揮先導(dǎo)性作用［11，12］。

目前，國(guó)內(nèi)尚缺乏高效的巖屑床清除工具，對(duì)工 具 的參 數(shù) 優(yōu) 化 多 以 數(shù) 模 為 主［13～18］，缺 少 深 入的實(shí)驗(yàn)研究。

為此，筆者設(shè)計(jì)了直棱形、螺旋形和V形3種巖屑床清除工具葉片結(jié)構(gòu)，并通過(guò)室內(nèi)攜巖實(shí)驗(yàn)優(yōu)選葉片結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)選

1.1 巖屑床清除工具的工作原理

長(zhǎng)水平段水平井鉆井過(guò)程中，巖屑床清除工具通過(guò)絲扣與鉆桿連接構(gòu)成鉆具組合，由鉆桿傳遞扭矩旋轉(zhuǎn)，葉片旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)環(huán)空鉆井液產(chǎn)生螺旋流結(jié)構(gòu)并沿鉆井液上返方向傳播，抑制巖屑顆粒沉降形成巖屑床，提高巖屑清除效率。巖屑床清除工具突出的葉片通過(guò)機(jī)械刮削作用修復(fù)不規(guī)則井壁，達(dá)到井眼凈化和井眼通暢的目的，有效降低摩阻扭矩，保證起/下鉆、電測(cè)及下套管等作業(yè)的安全。

1.2 巖屑床清除工具葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巖屑床清除工具安裝在相鄰的兩根鉆桿之間，由上接頭、本體、葉片及下接頭等組成，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是巖屑床清除工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，葉片形狀、長(zhǎng)度、外徑及數(shù)量等參數(shù)對(duì)巖屑床清除工具的巖屑清潔效率影響較大。本研究設(shè)計(jì)了直棱形、螺旋形、V形3種葉片結(jié)構(gòu)（圖1），外徑146 mm，長(zhǎng)度150 mm，數(shù)量為6個(gè)，軸向均布。直棱形葉片平行于鉆桿軸線(xiàn)，葉片橫截面為矩形，螺旋形和V形葉片螺距1 100 mm，V形葉片開(kāi)口方向與鉆桿旋轉(zhuǎn)方向相反，以葉片軸線(xiàn)中點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)點(diǎn)分布。

圖1 3種葉片結(jié)構(gòu)

2 葉片結(jié)構(gòu)對(duì)巖屑清潔效率的影響

2.1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合

應(yīng)用3D打印技術(shù)制備3種結(jié)構(gòu)巖屑床清除工具葉片并開(kāi)展巖屑清潔效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)葉片結(jié)構(gòu)、葉片長(zhǎng)度和葉片外徑對(duì)巖屑清潔效率的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)裝備包括液體泵注及測(cè)量系統(tǒng)；巖屑注入、收集及測(cè)量系統(tǒng)；井筒及旋轉(zhuǎn)鉆桿控制系統(tǒng)；儲(chǔ)罐與管閥系統(tǒng)等。采用粒徑2.0～2.5 mm的染色硅酸鹽顆粒模擬巖屑，顆粒均質(zhì)等粒徑，密度為2 500 kg/m3。模擬常溫條件下圓管環(huán)空內(nèi)的鉆井液攜帶巖屑流動(dòng)過(guò)程，變量參數(shù)包括巖屑顆粒注入濃度、鉆桿旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及井斜角等。通過(guò)觀(guān)測(cè)巖屑床運(yùn)移與破壞現(xiàn)象，計(jì)量穩(wěn)態(tài)流動(dòng)后環(huán)空巖屑返出情況，真實(shí)模擬巖屑床清除工具作用下巖屑運(yùn)動(dòng)和分布特點(diǎn)，評(píng)價(jià)巖屑清潔效率。巖屑床清除工具作用后的計(jì)量參數(shù)為井筒巖屑剩余量（巖屑排出量），即循環(huán)井筒環(huán)空達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，關(guān)閉循環(huán)，計(jì)量井筒中巖屑剩余量，由此算得巖屑排出量與巖屑注入量的比值即為巖屑清潔效率。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合：巖屑注入速度1.0、1.5 L/min，巖屑直徑2 mm、鉆桿轉(zhuǎn)速180 r/min、井斜角90°。在相同參數(shù)組合條件下，對(duì)比鉆桿、3種不同葉片結(jié)構(gòu)的巖屑清潔效率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。由表1可知，與純鉆桿相比，增添葉片后，巖屑清潔效率顯著增加。巖屑清潔效率排序?yàn)椋篤形葉片＞螺旋形葉片＞直棱形葉片＞純鉆桿，因此優(yōu)選V形葉片作為巖屑床清除工具的清巖結(jié)構(gòu)。

表1 不同結(jié)構(gòu)巖屑床清除工具的清巖效果

3 V形葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性實(shí)驗(yàn)

3.1 V形葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

與直棱形和螺旋形葉片相比，V形葉片的巖屑清潔效率最高，因此進(jìn)一步研究V形葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)（葉片長(zhǎng)度、葉片外徑和葉片數(shù)量）對(duì)巖屑清潔效率影響的敏感性，優(yōu)化V形葉片參數(shù)。

基于鉆柱剛性和強(qiáng)度考慮，應(yīng)用3D打印制備了不同葉片長(zhǎng)度、不同外徑和葉片數(shù)量的V形實(shí)驗(yàn)用葉片工具（圖2），并開(kāi)展攜屑實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的V形葉片均能誘導(dǎo)出環(huán)空螺旋流動(dòng)，通過(guò)觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，螺旋流將堆積的巖屑床破壞并將巖屑顆粒二次懸浮，懸浮顆粒在V形葉片的加速作用下隨鉆井液加速返出實(shí)驗(yàn)井筒。

圖2 3D打印的實(shí)驗(yàn)用V形葉片

3.2 V形葉片長(zhǎng)度對(duì)巖屑清潔效率的影響

為研究V形葉片長(zhǎng)度對(duì)巖屑清潔效率影響的敏感性，分別開(kāi)展了兩組實(shí)驗(yàn)。第1組實(shí)驗(yàn)條件：巖屑注入速度1.0 L/min、巖屑直徑2 mm、鉆桿轉(zhuǎn)速180 r/min、井斜角90°；第2組實(shí)驗(yàn)條件：巖屑注入速度1.5 L/min、巖屑直徑2 mm、鉆桿轉(zhuǎn)速180 r/min、井斜角90°。應(yīng)用3D打印分別加工長(zhǎng) 度 為40、70、100、150、200、250 mm的V形 葉片，其中葉片外徑140 mm，螺距1 100 mm，葉片數(shù)量4個(gè)，逐一開(kāi)展攜屑實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)循環(huán)至井筒內(nèi)巖屑沉積量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并記錄兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）。

表2 不同葉片長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的井筒巖屑剩余量

根據(jù)井筒巖屑剩余量和巖屑清潔效率的定義，繪制出巖屑清潔效率隨葉片長(zhǎng)度的變化曲線(xiàn)（圖3），由圖3可以看出，葉片長(zhǎng)度對(duì)V形葉片清巖效果的影響較大，清巖效率隨著葉片長(zhǎng)度的增加而增加，當(dāng)葉片長(zhǎng)度超過(guò)100 mm后，清巖效率基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明葉片長(zhǎng)度有適宜的長(zhǎng)度區(qū)間，在此實(shí)驗(yàn)條件下葉片長(zhǎng)度的最優(yōu)區(qū)間為100～150 mm。

圖3 清巖效率隨葉片長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)

3.3 V形葉片外徑對(duì)巖屑清潔效率的影響

為研究葉片外徑對(duì)巖屑清潔效率影響的敏感性，分別開(kāi)展兩組實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)條件同3.2節(jié)）。應(yīng)用3D打印分別加工外徑為120、129、134、139、144、150 mm的V形葉片，其中葉片長(zhǎng)度150 mm，螺距1 100 mm，葉片數(shù)量4個(gè)，逐一開(kāi)展攜屑實(shí)驗(yàn)研究，兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3 不同葉片外徑對(duì)應(yīng)的井筒巖屑剩余量

根據(jù)井筒巖屑剩余量和巖屑清潔效率定義，繪制出巖屑清潔效率隨葉片外徑的變化曲線(xiàn)（圖4），由圖4可以看出，葉片外徑對(duì)V形葉片清巖效果影響較大，清巖效率隨葉片外徑的增加而增加，在條件允許的情況下，盡量增大葉片外徑，考慮到新疆瑪湖致密油水平井水平段?165.1 mm井眼，使用鉆桿接頭外徑127 mm，為防止葉片外徑過(guò)大帶來(lái)卡鉆、破壞井壁等風(fēng)險(xiǎn)，綜合考慮井眼內(nèi)徑和鉆桿接頭外徑，選擇葉片外徑139 mm，與鉆桿接頭相比，葉片單邊突出6 mm。

圖4 清巖效率隨葉片外徑變化曲線(xiàn)

3.4 V形葉片數(shù)量對(duì)巖屑清潔效率的影響

為考察葉片數(shù)量對(duì)巖屑清潔效率影響的敏感性，分別加工葉片數(shù)量為3、4、5、6個(gè)的V形巖屑清潔工具開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，其中各葉片長(zhǎng)度150 mm，螺距1 100 mm，葉片外徑146 mm。實(shí)驗(yàn)條件同3.2節(jié)。兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同葉片數(shù)量對(duì)應(yīng)的井筒巖屑剩余量

根據(jù)井筒巖屑剩余量和巖屑清潔效率定義，繪制出巖屑清潔效率隨葉片數(shù)量的變化曲線(xiàn)（圖5），可以看出葉片數(shù)量對(duì)V形葉片清巖效果影響不大，三葉片工具工作時(shí)葉片間流體存在滑脫現(xiàn)象，有部分流體周向流速?zèng)]有達(dá)到峰值，而葉片數(shù)量為4、5、6時(shí)，巖屑清潔效率基本保持恒定，因此工具葉片數(shù)量選擇4個(gè)或5個(gè)為宜?？紤]到葉片數(shù)量過(guò)多易導(dǎo)致環(huán)空流體壓降增大，且井下工具結(jié)構(gòu)宜盡量簡(jiǎn)化以降低加工制造難度，優(yōu)選葉片數(shù)量為4個(gè)。

圖5 井筒巖屑剩余量隨葉片數(shù)量變化曲線(xiàn)

4 巖屑床清除工具現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1 巖屑床清除工具樣機(jī)加工

根據(jù)V形葉片巖屑清潔效率實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，設(shè)計(jì)加工了適用于?165.1 mm井眼的V形巖屑床清除工具（圖6），該工具由上接頭、本體、V形葉片和下接頭組成，工具技術(shù)參數(shù)為：長(zhǎng)度1 000 mm，葉片外徑139 mm，葉片長(zhǎng)度150 mm，V形葉片數(shù)量4個(gè)，工具內(nèi)徑60 mm，兩端接頭型號(hào)NC38。工具在新疆瑪湖致密油水平井開(kāi)展2井次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

圖6 V形葉片巖屑床清除工具結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 MaHW6202井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

MaHW6202井是一口長(zhǎng)水平段致密油水平井，設(shè)計(jì)井深5 822.84 m，水平段長(zhǎng)1 800 m，三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，三開(kāi)采用?165.1 mm鉆頭鉆至5 579 m，井斜90.8°，巖屑床堆積嚴(yán)重，振動(dòng)篩基本無(wú)巖屑返出，鉆柱摩阻超過(guò)20 t，托壓嚴(yán)重。為及時(shí)清除巖屑床和降低摩阻扭矩，起鉆接V形巖屑床清除工具通井作業(yè)，采用間隔下鉆和分段主動(dòng)劃眼的模式進(jìn)行上下往復(fù)劃眼，破壞并清除巖屑床，修整不規(guī)則井眼，劃眼過(guò)程中振動(dòng)篩返出巖屑明顯，下鉆劃眼井段4 137～5 579 m，倒劃眼井段5 579～4 175 m，劃眼井段長(zhǎng)1 442 m，工具入井時(shí)間82 h，主螺旋結(jié)構(gòu)完好，外徑磨損1.2 mm。通井后鉆柱摩阻（上提摩阻）由之前的23～24 t以上下降到4～5 t（圖7），起/下鉆通暢，保障了后期電測(cè)、下套管作業(yè)的安全順利。

圖7 V形巖屑床清除工具應(yīng)用效果

4.3 MaHW1332井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

MaHW1332井是一口長(zhǎng)水平段致密油水平井，設(shè)計(jì)井深5 169.60 m，水平段長(zhǎng)1 705 m，三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，三開(kāi)采用?165.1 mm鉆頭鉆至5 167 m，井斜85.6°，鉆柱摩阻扭矩大，托壓嚴(yán)重。為及時(shí)清除巖屑床、降低摩阻扭矩，起鉆接中石油工程院研制的V形巖屑床清除工具配合牙輪鉆頭通井，工具入井時(shí)間42.8 h，劃眼和鉆進(jìn)時(shí)間11.6 h，V形葉片完好，外徑磨損1 mm。劃眼過(guò)程中振動(dòng)篩巖屑返出明顯，并伴有大顆粒巖塊返出。通井后井底鉆柱摩阻（上提摩阻）由之前的20 t左右下降到11～12 t，降低40%左右，起/下鉆通暢且無(wú)阻卡，后期下套管安全順利，一次到底。

5 結(jié)論

5.1 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，與直棱形、螺旋形葉片相比，V形葉片結(jié)構(gòu)的巖屑床清除工具清潔效率最高，螺旋形葉片次之，直棱形葉片最差。相同實(shí)驗(yàn)條件下，3種結(jié)構(gòu)的葉片清潔效率均優(yōu)于鉆桿。

5.2 通過(guò)室內(nèi)敏感性實(shí)驗(yàn)得出了V形葉片3種關(guān)鍵參數(shù)對(duì)巖屑清潔效率的影響規(guī)律，優(yōu)化了葉片關(guān)鍵參數(shù)組合：葉片長(zhǎng)度150 mm，葉片外徑139 mm，葉片數(shù)量4個(gè)，基于最優(yōu)參數(shù)組合設(shè)計(jì)了適用于?165.1 mm井眼的V形巖屑床清除工具。

5.3 研制了V形巖屑床清除工具樣機(jī)，在新疆瑪湖致密油水平井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試2井次，通過(guò)劃眼、鉆進(jìn)相結(jié)合的方式破壞和清除巖屑床，對(duì)巖屑床易堆積井段進(jìn)行高轉(zhuǎn)速往復(fù)劃眼和洗井作業(yè)，應(yīng)用過(guò)程中振動(dòng)篩巖屑返出明顯，應(yīng)用后鉆柱摩阻大幅下降，起/下鉆通暢、無(wú)阻卡，保障了后期電測(cè)或下套管作業(yè)安全順利。配套應(yīng)用V形巖屑床清除工具是水平井抑制巖屑床形成的有效方法。