利用機械工具改善大斜度井巖屑床問題的研究

袁則名， 和鵬飛， 丁 勝， 張彥瑞， 徐 鯤， 龔 寧， 徐 彤

(1中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司 3中海石油(中國)有限公司天津分公司)

海上油田開發主要采用集中井槽叢式井技術，因此以井槽平臺為單點輻射整個油田區塊的井網布置，必然有較多的大斜度井出現。此外，在開發井型方面，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中，當井斜角超過臨界值時，井眼底邊便會因巖屑堆積而形成巖屑床。巖屑床的清除是目前大斜度井、水平井的作業難點，普遍采用的是通過調整鉆井液性能，利用水力清除，但水力效果較為局限，不能實現預期目的[7-9]。

一、巖屑床的清除難點與特點

巖屑床是鉆井過程中在特定井段無法避免產生的巖屑堆積問題，最明顯的將導致井筒中鉆具環空固相含量增加、影響鉆井液性能的穩定，巖屑床形成后容易因擾動而出現局部堆積，鉆進過程中摩阻明顯增大、鉆進扭矩偏高，即便調整鉆井液潤滑性也無明顯改善；不能實現正常的直接起下鉆，鉆具懸重和鉆壓失真問題突出；停泵后井眼中巖屑下沉形成臺階或砂橋造成砂卡或粘卡，使下套管、固井作業困難；即便多次通井、泵入高低比重、高低黏度段塞仍無有效改善；套管下入到位后，由于環空間隙變小，更易導致循環不暢；固井之后水泥封固質量也不能達到預期效果。

目前海上鉆井對于巖屑床的處理一般是選擇定期或適時進行短起下鉆，配以劃眼和適當的增大泵排量循環，既影響了鉆進速度，浪費了時間，又增加了鉆井成本，且此類針對巖屑床的處理方法不能有效清除巖屑床。渤海某A區塊已鉆井的復雜情況概述，該區域已鉆井達上百口，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，在鉆井過程中，由于巖屑床的存在導致作業效率低，部分井出現了倒劃眼一柱用時10 h以上的現象，出現蹩泵耗費較長時間處理暢通，大排量循環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題[10]。

鑒于此，渤海油田研究并開發了巖屑床清除工具，在以上傳統方法的基礎上，通過在巖屑床清除工具本體上布置特殊的螺旋槽道結構，利用槽道結構的攪動提高巖屑攜帶的能力以實現清除巖屑床，有效的解決定向井、大斜度井和水平井鉆井作業中的巖屑床堆積問題，大大降低鉆井作業風險。

二、巖屑床清除工具的組成和原理

1. 結構組成

巖屑床清除工具技術參數如表1，結構如圖1所示，其主要由工具本體和巖屑床清除部件組成。在正常鉆井作業中，巖屑床破壞器可直接連接于鉆具組合，工具隨鉆柱旋轉，傳遞扭矩，同時，螺旋支撐棱松動巖屑床，經螺旋棱攪拌，使巖屑由井眼低邊進入具有較高流速的環空高邊，重新進入鉆井液循環，同時螺旋流道使流體發生彎曲，產生螺旋紊流，提高鉆井液攜帶巖屑的能力[11]。

表1 巖屑床破壞器技術參數

圖1巖屑床清除工具的結構組成

2. 工作原理

巖屑床破壞器鉆井工具在鉆井過程中通過機械破壞、改變局部流場、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)機械挖掘作用和壓力吸附雙作用。采用螺旋槽道設計，利用過流截面積的改變來改變鉆井液的流場特征，通過螺旋結構和流體動力攪動井壁下段的巖屑床巖屑，使巖屑脫離井壁低流速區域。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是螺旋槽道的結構。

(2)機械傳動力。通過如圖3的井筒環空鉆井液流場分析，巖屑床清潔工具的螺旋體可以帶動鉆井液產生軸向和橫向的傳動，將一部分鉆具的機械能轉化為鉆井液的軸向和橫向復合加速力，產生機械傳動效果。

圖2 螺旋槽道結構

圖3 環空流體的流線分布圖

(3)巖屑的循環推動作用。巖屑顆粒在排屑槽內部向井口運送的過程中會沿順時針(視線方向為從井口指向鉆頭)滑動，形成了循環往復。在循環過程中旋轉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 循環推動作用示意圖

三、在渤海油田的應用

目前該工具在渤海A區塊使用量較大，且處于推廣、擴展應用階段。本文以其中具有代表性的某37井為例進行應用說明。

1. 定向井軌跡情況

某37井為一口大斜度井，定向井數據如表2，最大井斜69°，其中50°以上井斜井段達1 400 m。

表2 某37井定向井軌跡數據

2. 地層特征

該井的主要目的層位于東營組，自上而下依次揭開平原組、明化鎮組、館陶組和東營組。其中明化鎮組主要是淺灰色細砂巖和綠灰色泥巖，館陶組主要是細砂巖和含礫細砂巖、中下部為中砂巖及砂礫巖、底部為厚層礫巖層，東營組上部為淺灰色泥巖及粉砂、細砂巖、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，更換鉆具組合時在鉆柱中加入巖屑床清除工具，累計進尺323 m，鉆進井段井斜均大于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 (1.15°單彎角)+?203.2 mm浮閥接頭+?292.1 mm穩定器+?203.2 mm無磁鉆鋌+?203.2 mm MWD+?203.2 mm無磁鉆鋌+?203.2 mm隨鉆震擊器+變扣接頭+ ?139.7 mm加重鉆桿×14根[15]。

(2)加入清除工具時的鉆具組合：?311.1 mm PDC鉆頭+?244.5 mm螺桿馬達 (1.15°單彎角)+ ?203.2 mm浮閥接頭+?298.5 mm穩定器+?203.2 mm無磁鉆鋌+?203.2 mm MWD+?203.2 mm無磁鉆鋌+?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. 鉆進參數對比分析

在表4中，通過該井上部井段(未使用巖屑床清除工具)與下部井段(使用巖屑床清除工具)進行了對比分析。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，說明巖屑床破壞器通過破壞巖屑床，減小鉆柱與井壁之間的摩阻，降低扭矩。現場在使用巖屑床破壞器之后振動篩處巖屑返出明顯增加，說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 鉆井參數統計表

2. 倒劃眼效果對比

如圖5，為本井在倒劃眼短起鉆過程中的錄井曲線，對應起鉆深度是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統計，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、結論

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

(2)通過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、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用階段，需要在多口井做使用效果的對比分析，進一步優化工具加放位置、加放量的設計，以最大化發揮效果。