大斜度井巖屑床清除工具研制與應用

李 博

(大慶鉆探鉆井工程技術研究院, 黑龍江大慶 163413)

1 概述

大斜度井鉆井過程中, 巖屑易在井斜較大井段堆積形成巖屑床, 導致摩阻增大, 井下卡鉆風險增加, 一口井的清潔狀況直接影響井身質量、鉆井速度, 進而影響鉆井經濟效益[1-2]。本文針對大位移井巖屑床的形成機理及巖屑床在不同井段形成特點進行了研究分析。為解決巖屑床形成在鉆井過程中產生的影響, 研制了巖屑床清除工具, 該工具采用水力和機械的作用方式已達到有效清除巖屑床。

2 巖屑床形成分析

鉆井過程中, 巖屑隨著鉆井液循環被攜帶出井筒, 在大斜度鉆井施工中, 井斜達到一定角度時, 巖屑在環空中的下滑速度隨著井斜角的增加而增大, 當下滑速度大于巖屑的上返速度時, 巖屑會沉積在井眼的底邊形成巖屑床, 從而引起鉆進摩阻增大、卡鉆等井下復雜情況的發生。

大斜度井井斜角的大小是形成巖屑床的重要因素, 根據井斜角的大小分為3種情況來分析巖屑床的形成, 當井斜角處于0°～40°時, 鉆柱基本情況下是居中的, 巖屑附著于鉆井液處于上返狀態, 一般很少形成巖屑床；當井斜角處于40°～60°之間時, 鉆柱由于重力作用靠近井筒底邊, 鉆柱與井壁之間的間隙變小, 鉆井液的剪切速率增大, 導致攜巖能力降低, 形成巖屑床堆積, 同時在停泵接單根過程中, 上部巖屑由于重力的作用滑落至此井段, 更增加了此井段巖屑床堆積的厚度, 形成不穩定的巖屑床；當井斜角處于60°～90°之間時, 鉆井液的軸向速度分量急劇降低, 環空中的巖屑既不能被鉆井液攜帶返出井口, 又被鉆具碾壓成細顆粒進一步被壓實, 形成穩定巖屑床。

3 巖屑床清除工具研制

單純依靠水力參數優化和工藝來解決巖屑床問題在現場應用中存在一定局限性[3-4], 采用主動方式清除巖屑床是一種有效的手段。根據巖屑床形成機理的分析, 研制了新型的水力和機械雙作用巖屑床清除工具。

3.1 工具結構

巖屑床清除工具采用一體化加工, 沒有活動部件, 安全可靠。工具中部設計有3段螺旋結構, 前端和后端分別設計2個不同旋向的螺旋翼, 前端螺旋翼可將膠結在一起的巖屑打碎, 并通過螺旋運送至后端反向螺旋翼處進行二次粉碎, 巖屑粒徑變得更小, 小顆粒巖屑在周向螺旋力的作用下運移至環空高邊處, 隨液流返出。中間采用V型槽螺旋翼設計, 改變底邊區域鉆井液流場特性, 提高返砂效率, 結構圖見圖1。

該巖屑床清除工具適用于?215.9mm井眼, 工具本體外徑?165mm, 螺旋翼外徑?172mm, 工具長度1550mm, 前后端螺旋翼棱數為5, V型槽螺旋翼棱數為6。

3.2 工作原理

大斜度井復合鉆進時, 工具前后螺旋翼隨鉆柱旋轉形成機械攪拌, 將井眼低邊沉積膠結在一起的巖屑床粉碎, 變成小顆粒巖屑被拋向高邊隨主液流返出地面。定向鉆進時, 鉆柱不旋轉, 鉆井液流經V型槽螺旋翼, 流態由層流變為紊流, 破壞巖屑靜止狀態, 將低邊沉積巖屑沖刷運移到環空高邊處, 巖屑隨液流返出。

4 現場試驗情況

試驗X井是一口中淺層水平井, 三開為215.9mm井眼, 設計井深3082m, 設計垂深1832.13m, 水平段長950m, 鉆井液密度1.35g/cm3, 鉆柱為?127mm鉆桿, 本次試驗使用2只巖屑床清除工具, 根據工具間隔距離計算公式：

式中：α——工具的攜帶因子,α=1～2；

β——加速因子,β=1～2；

θ——井斜角；

Dh——環空直徑；

vh——環空返速；

vkx——巖屑在井筒中的滑落速[5]。

得出2只巖屑床清除工具間隔距離為143.3m, 根據巖屑床形成機理的研究, 將第1只工具初始安放在井斜30°位置, 距鉆頭293.6m, 鉆具組合：

?215.9mm鉆頭+?172mm螺桿+?172mm浮閥+?172mm LWD+?165mm無 磁 鉆 鋌×1根+?127.0mm加重鉆桿×3柱+?127.0mm斜坡鉆桿×6柱+?172mm巖屑床清除器+?127.0mm斜坡鉆桿×5柱+?172mm巖屑床清除器+?127.0mm加重鉆桿×6柱+?127.0mm鉆桿。

為檢驗使用工具消除巖屑床效果, 收集未使用工具和使用工具后巖屑返出量進行對比, 在同等工況和相同采集時間條件下, 對未使用工具和使用工具后巖屑返出量進行了3組數據采集。使用巖屑床清除工具前巖屑平均返出量為2.73kg, 使用后巖屑平均返出量為4.03kg, 對比使用工具前巖屑返出量增加47.6%, 采集數據見表1。

表1 使用巖屑床清除工具前后巖屑返出量

試驗X井使用巖屑床清除工具施工井段2554～3082m, 進尺528m, 鉆進平均摩阻26kN, 摩阻降低42.3%, 平均機械鉆速8.89m/h, 鉆速提高33.6%, 具體數據見表2。使用巖屑床清除工具鉆進過程中, 進行3次短起下操作, 完鉆后進行2次通井作業, 起下鉆過程均無遇阻和粘卡顯示, 完鉆后下套管作業順利, 未發生遇阻。

表2 試驗X井使用巖屑床清除工具前后數據對比

5 結論和認識

（1）在大斜度井鉆井過程中, 在40°～90°井斜角, 由于鉆柱與井眼底邊導致鉆井液攜巖能力降低和巖屑的自由滑落, 巖屑容易堆積形成巖屑床, 嚴重影響大斜度井施工進度和井下安全；

（2）研制的巖屑床清除工具采用水力和機械雙作用形式清除巖屑床, 工具上設計有3個不同功能的螺旋結構, 在實現機械攪拌的同時能夠改變鉆井液流態, 提高巖屑返出效率, 工具采用一體化加工, 沒有活動部件, 安全可靠；

（3）在試驗X井使用巖屑床清除工具巖屑返出量增加47.6%, 鉆進平均摩阻降低42.3%, 在短起下、通井和下套管作業中, 均無遇阻和粘卡顯示, 現場試驗表明, 巖屑床清除工具改善了巖屑運移效果, 減小了巖屑床的堆積。