大斜度井巖屑床分析及新型井眼清潔工具應用

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(渤海鉆探工程技術研究院，天津 300280)

大斜度井鉆井作業中，巖屑易在大斜度井段堆積形成巖屑床，導致摩阻增大、井下卡鉆風險增加。一口井的井眼清潔狀況還會直接影響到這口井的井身質量、鉆進速度，進而影響到其經濟效益[1-3]。一般認為，影響井眼清潔的主要因素包括環空流速、鉆井液流變性和井斜角[4-5]，單純依靠水力參數優化和工藝改進來解決井眼清潔問題在現場應用中存在一定局限性，難以達到滿意效果[6-7]。本文在對大斜度井巖屑床分析的基礎上，研制了一種BZ-HCS型井眼清潔工具，并進行了現場試驗，取得較好的應用效果。

1 井底巖屑床分析

岔X井是在岔河集油田實施的一口二開三段制定向井，設計井深3 571.86 m，設計最大井斜56.33°。實際鉆進中，鉆至2 009 m井深，井斜即達到45°，后續鉆進巖屑上返量明顯減少，摩阻增大。為準確判斷不同井段巖屑床沉積情況，以現場實鉆數據為基礎，使用Landmark軟件進行了模擬分析，如圖1所示。

模擬結果表明，該井鉆進至井斜43.22°后，巖屑體積分數迅速增大，井下產生巖屑床，且巖屑床的厚度隨井斜的增加而增長，最大厚度19.13 mm，占井徑的8.9%，最終在距井底約40 m位置，巖屑床厚度逐漸減小。現場實鉆情況也表明，鉆進至2 009 m后，井口返屑量明顯減少，摩阻迅速增加。為保證鉆井作業的安全和后續施工的順利完成，進行了新型井眼清潔工具試驗應用。

圖1 岔X井巖屑床沉積狀況分析結果

由表1可見，岔X井在二開鉆進過程中，當井斜角增長到43.22°時，井下開始產生巖屑床，隨井斜角的增大，巖屑床厚度迅速增長，而井斜角不變的情況下，巖屑床厚度維持不變，基本表現為增斜段巖屑床厚度增長，穩斜段巖屑床厚度不變的規律。

表1 岔X井不同井段井眼清潔狀況

2 井眼清潔工具研制

巖屑床清除工具能有效提高復雜結構井的巖屑清除效率，主動清除巖屑床，彌補傳統巖屑清除方法的不足[8-9]。在調研分析已有巖屑床清除工具的基礎上，研制出了新型井眼清潔工具。

2.1 結構

BH-HCS型井眼清潔工具連接在相鄰2根鉆桿之間，由耐磨帶、螺旋棱、導流槽和葉輪等結構組成(如圖2)。工具本體中部設3片均勻分布的直葉輪，葉輪上下部設3組等長螺旋棱，螺旋棱靠近中部端面有45°倒角。螺旋棱之間為導流槽，起導流鉆井液作用。本體上設有耐磨帶，耐磨帶上鑲嵌硬質合金圓柱齒，以增加工具耐磨性。工具一體化加工，無任何活動部件，保證了工具強度。

BH-HCS型井眼清潔工具適用于?215.9 mm井眼，工具本體外徑?172 mm，內徑?71.5 mm，長度1 450 mm，葉輪數量3個，螺旋棱數量3組。

2.2 工作原理

正常鉆進過程中，將BH-HCS型井眼清潔工具配置于鉆柱中，工具隨鉆柱旋轉，由葉輪、螺旋棱和導流槽組成的特殊結構能對巖屑床產生機械破壞作用，并能改善大斜度井井眼底邊區域鉆井液流場特性，將巖屑“拋向”高邊環空，被鉆井液帶走，從而減少或消除巖屑堆積形成的巖屑床，防止新巖屑床的形成。

3 現場應用

3.1 井眼清潔工具安放位置確定

井眼清潔工具因作用范圍有限，一般一口井需要使用多只工具，依靠每只工具的“接力”作用，將井下巖屑返出井口。根據參考文獻[10～11]，基于對Moore滑落末速公式的修正引用和井眼清除工具的流場分析提出工具放置間距L的計算方法：

式中：α為工具的攜帶因子，α=1～2；β為工具的加速因子，β=流場速度增加倍率；θ為井斜角；Dh為環空直徑；vh為環空返速；vsx為巖屑顆粒在井筒中的滑落速度，具體的推導和優化方法在文獻[10-11]中有詳述。

參考以上公式，最終確定使用井眼清潔工具3只，安放位置分別為距離鉆頭120.83、220.82、306.89 m。

3.2 應用效果分析

3.2.1井口返屑情況

為更加準確評價井眼清潔工具的應用效果，采取了現場收集巖屑的方法。通過對比下入前后相同“遲到井深”段長的巖屑體積，來判斷應用效果。本次應用共3次收集巖屑，未下入工具之前收集第1次，下入工具之后再收集第2次、第3次。

對比使用前后巖屑收集體積，井眼清潔工具下入后巖屑返出量明顯增加，第2次、第3次收集的巖屑量分別為第1次的4.1倍、1.3倍，這說明井眼清潔工具有效破除了前期已形成的巖屑床，同時預防了新巖屑床的生成。

3.2.2摩阻變化分析

依據現場采集數據，每10 m取1個點作趨勢圖，分析了下入工具前后100 m的摩阻數據，如圖3。

由圖中可以看出，在未使用井眼清潔工具時，隨著井深增加，摩阻最大增加到51 kN，下入井眼清潔工具后，摩阻降低至23 kN，下降54.9%，摩阻下降明顯。此后，隨著井深的增加，摩阻緩慢增大。

圖3 岔X井井眼清潔工具下入前后100 m摩阻變化

4 結論

1) 在大斜度井段鉆井，巖屑床產生后，其厚度基本遵循增斜段巖屑床厚度增長，穩斜段巖屑床厚度不變的規律。

2) 新型井眼清潔工具通過改變鉆井液流態和物理破壞雙重作用，改善巖屑運移效果，防止巖屑在井下堆積，使用前后返屑量變化明顯。

3) 井眼清潔工具能明顯改善大斜度井巖屑上返狀況，改善了井眼清潔狀況，降低了井眼摩阻，岔X井摩阻最大下降54.9%。

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