機械式巖屑清除工具在鉆井作業中的應用

王曉松，馮躍凱，姬廣奇，衣金龍，鮑錦祥，江友博

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

機械式巖屑清除工具在鉆井作業中的應用

王曉松，馮躍凱，姬廣奇，衣金龍，鮑錦祥，江友博

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

在定向井、大斜度井和水平井鉆井中，當井斜角超過臨界值時，巖屑在環空中的下滑速度會隨著井斜角增大而增大，巖屑滑向井眼底邊的傾向也增大，而向液流內的滑動力會逐漸減弱，此時若鉆井參數使用不當，巖屑會沉積在環空的底邊形成巖屑床。巖屑床的存在會使下入的測試工具、測井儀器受阻，作業成功率下降甚至難以進行，會使下套管、固井作業困難，水泥封固質量差；同時會導致鉆具扭矩增大，嚴重時甚至扭斷井內鉆井工具。

機械式巖屑清除工具；鉆井作業;應用

目前鉆井對于巖屑床的處理一般是選擇定期或適時的進行短起下鉆配以劃眼和適當的增大泵排量循環。但是盡管采取了這一系列有效的技術措施，也沒能完全避免鉆具旋轉扭矩的增加、上下運動摩阻增大、鉆壓不能全部傳遞給鉆頭從而影響鉆進速度、泵壓升高等復雜情況和卡鉆事故的發生。

機械式巖屑床清除工具可以完全替代以上傳統方法，有效解決定向井、大斜度井和水平井鉆井作業中的巖屑床堆積問題。它的使用可以降低鉆井作業風險，成為鉆井作業中不可缺少的工具。

1 結構設計

機械式巖屑床清除工具結合扶正器與鉆桿的特點，加工成特殊的水力鉆桿，結構見圖1。

圖1 機械式巖屑床清除工具簡圖

2 機械式巖屑床消除工具的作用

機械式巖屑床清除工具旋轉時輔助攜帶巖屑作用可以歸納為以下幾點：

2.1 壓力吸附作用

由于過流面積減小，葉片附近軸線流速增加而壓力減?。ㄎ那鹄镄?，會將工具附近的巖屑吸至葉片附近；葉片排屑槽寬度變化會導致壓力差，排屑槽外側寬壓力高，內側窄壓力低，這樣的排屑槽結構有利于將井底的巖屑吸附至排屑槽內側而脫離井底巖屑床，從而有機會使巖屑滯留在排屑槽里，隨著工具旋轉而被舉升至高邊高速主流區。

2.2 機械挖掘作用

螺旋扶正翼前緣依靠純機械作用將巖屑從井眼低邊挖掘起來并留在排屑槽里，隨著工具旋轉而“挖”走。

2.3 鉆井液的切向加速作用

螺旋扶正翼在隨鉆桿旋轉過程中將對鉆井液起到切向加速和軸向加速作用，給井眼低邊的巖屑補充懸浮動能。其中切向加速作用使扶正翼附近鉆井液近似剛性旋轉，但由于鉆井液的粘性，這種對鉆井液的切向加速作用隨著鉆井液遠離螺旋扶正翼而逐漸衰減。

2.4 鉆井液的軸向加速作用

對鉆井液的軸向加速作用則體現為在葉片附近，一定質量鉆井液軸向速度增加，根據連續性方程，附近必然有相同質量流體減速，這樣就會在局部造成更高剪切速率，從而對巖屑床產生侵蝕作用。

2.5 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。

機械式巖屑床清除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。優點是：與傳統巖屑床清除技術相比，大大減少了起下鉆次數，縮短鉆井作業周期，更好地保護井壁，保證鉆井作業安全，進而提高機械鉆速，降低鉆井成本，延長鉆具使用壽命。

3 現場使用過程

JZ25-1S-C37井采用JZ25-1S-C平臺模塊鉆機鉆進，頂驅為景宏70頂驅，泥漿泵為F-1600泥漿泵3臺，振動篩3臺，除砂器、除泥器各1臺。

10月9日，鉆穿館陶組底礫巖后起鉆，組合二開鉆具組合，巖屑床破壞器入井，工具共入井33h，入井深度1 835m，累計進尺323m，鉆進井段井斜均大于55°，巖屑返出明顯增多，鉆進扭矩平穩，工具出井后未出現泥包，螺旋槽耐磨帶未出現明顯磨損，說明工具狀態良好，性能穩定。

工具使用后鉆具組合：

12-1/4”PDC-Bit+9-5/8”PDM（1.15°）+8”F/V+11-3/4”STB+8”NMDC+8”MWD+8”NMDC+8”液壓震擊器+X/O+ 5-1/2”HWDP×14+1#巖屑床破壞器+5-1/2”DP×12+2#巖屑床破壞器+5-1/2”DP×12+3#巖屑床破壞器。

4 結論

機械式巖屑床破壞工具在C12井（最大井斜角64.33°）使用效果較為明顯，該井井斜角＞40°，由于該井位移大，造成巖屑攜帶困難，形成巖屑床，影響鉆井液的正常循環，造成憋鉆、憋泵問題。同時易造成起下鉆困難及卡鉆，同時也會影響到鉆井及電測等作業的正常進行，嚴重影響鉆井安全和鉆進效果。

在作業期間，機械式巖屑床破壞工具在井底對巖屑的沖刷，攪動起來的巖屑隨鉆井液的循環返至井口，振動篩處返出大量的粒徑較小的巖屑，說明機械式巖屑床破壞工具對井底巖屑有很好的清除效果。

鉆井過程中鉆井參數無異常、返砂增加、起下鉆順暢、下套管及固井作業順利。說明機械式巖屑床破壞工具有很好清除巖屑的效果，從而大大提高鉆井作業效率，降低作業風險，起到良好的輔助鉆井效果。

[1] 紀國棟，汪海閣，陳志學.水平井巖屑清除工具設計及結構優化研究[J].石油機械，2016，（3）.

[2] 趙景芳，張春陽，李斌渤海油田快速鉆井技術及其應用研究[J].石油天然氣學報，2006，（1）.

Application of Mechanical Debris Removal Tool in Drilling Operation

Wang Xiao-song，Feng Yue-kai，Ji Guang-qi，Yi Jin-long，Bao Jin-xiang，Jiang You-bo

in directional drilling wells，high angle wells and horizontal wells，when the deviation exceeds the critical value，the cuttings will increase with the increase of the deviation angle in annulus slip velocity，cutting edge to tendency of borehole increases，and to the sliding force in fluid will be gradually weakened，if the drilling the parameters of improper use of cuttings be deposited to form cuttings bed at the bottom edge of the annulus.The cuttings bed will make the test tools，the logging instrument is blocked，operation success rate dropped even difficult，will make the casing，cementing，cementing quality is poor；at the same time will cause the drilling torque is increased，even broken in well drilling tool.

mechanical debris removal tool；drilling operation；application

TE921

B

1003–6490（2016）09–0024–02

2016–09–02

王曉松（1981—），男，天津人，工程師，主要從事石油鉆井類相關工作。