機械法巖屑清除技術在渤中某區塊的應用

沈元波，和鵬飛，徐彤

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 （天津 300452）

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。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［1-2］。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［3-4］。

1 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黏卡，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。

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并不能有效的清除巖屑床。表1為渤海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%，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，出現憋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［5-6］。

在傳統方法的基礎上，渤海油田研究并開發了巖屑床清除工具，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，有效地解決定向井、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。

表1 渤海A區塊的已鉆井復雜情況統計

2 巖屑床清除工具的組成和原理

2.1 結構組成

巖屑床清除工具技術參數見表2，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［7-8］。

表2 巖屑床清除工具技術參數

圖1 巖屑床清除工具的結構組成

2.2 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。

圖2 螺旋槽道結構

2）機械傳動力。通過井筒環空鉆井液流場分析（圖3），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

3 應用與實踐

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。以其中具有代表性的某37井為例進行應用說明。

3.1 定向井軌跡

某37井為一口大斜度井，定向井數據見表3，最大井斜69°，其中50°以上井斜井段達1 400 m。

表3 某37井定向井軌跡數據

3.2 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，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［9］。

3.3 巖屑床清除工具的使用井段

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°。

3.4 加放位置及鉆具組合

1）使用前的鉆具組合：Φ311.1 mmPDC鉆頭+Φ244.5 mm 螺桿馬達（1.15°單彎角）+Φ203.2 mm 浮閥接頭+Φ292.1 mm穩定器+Φ203.2 mm無磁鉆鋌+Φ203.2 mmMWD+Φ203.2 mm 無 磁 鉆 鋌+Φ203.2 mm隨鉆震擊器+變扣接頭+Φ139.7 mm加重鉆桿×14 根［10］。

2）加入清除工具時的鉆具組合：Φ311.1 mmPDC鉆頭+Φ244.5 mm 螺桿馬達（1.15°單彎角）+Φ203.2 mm浮閥接頭+Φ298.5 mm穩定器+Φ203.2 mm無磁鉆 鋌 +Φ203.2 mmMWD+Φ203.2 mm 無 磁 鉆 鋌 +Φ203.2 mm隨鉆震擊器+變扣接頭+Φ139.7 mm加重鉆桿×14根+1#巖屑床清除工具+Φ139.7 mm鉆桿×12根+2#巖屑床清除工具+Φ139.7 mm鉆桿×12根+3#巖屑床破壞器。

4 效果分析

4.1 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。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。

4.2 倒劃眼效果對比

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，每柱快約0.5 h，每柱慢4～5 h，頻繁憋壓、蹩扭矩。

表4 鉆井參數統計表

圖5 倒劃眼短起鉆錄井圖

5 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。

3）目前該工具仍處于逐步推廣應用階段，需要在多口井做使用效果的對比分析，以此為基礎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。

攝影/范明