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(渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300280)

大斜度井鉆井作業(yè)中，巖屑易在大斜度井段堆積形成巖屑床，導(dǎo)致摩阻增大、井下卡鉆風(fēng)險(xiǎn)增加。一口井的井眼清潔狀況還會(huì)直接影響到這口井的井身質(zhì)量、鉆進(jìn)速度，進(jìn)而影響到其經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。一般認(rèn)為，影響井眼清潔的主要因素包括環(huán)空流速、鉆井液流變性和井斜角[4-5]，單純依靠水力參數(shù)優(yōu)化和工藝改進(jìn)來(lái)解決井眼清潔問(wèn)題在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在一定局限性，難以達(dá)到滿意效果[6-7]。本文在對(duì)大斜度井巖屑床分析的基礎(chǔ)上，研制了一種BZ-HCS型井眼清潔工具，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得較好的應(yīng)用效果。

1 井底巖屑床分析

岔X井是在岔河集油田實(shí)施的一口二開三段制定向井，設(shè)計(jì)井深3 571.86 m，設(shè)計(jì)最大井斜56.33°。實(shí)際鉆進(jìn)中，鉆至2 009 m井深，井斜即達(dá)到45°，后續(xù)鉆進(jìn)巖屑上返量明顯減少，摩阻增大。為準(zhǔn)確判斷不同井段巖屑床沉積情況，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用Landmark軟件進(jìn)行了模擬分析，如圖1所示。

模擬結(jié)果表明，該井鉆進(jìn)至井斜43.22°后，巖屑體積分?jǐn)?shù)迅速增大，井下產(chǎn)生巖屑床，且?guī)r屑床的厚度隨井斜的增加而增長(zhǎng)，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?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆情況也表明，鉆進(jìn)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(yè)的安全和后續(xù)施工的順利完成，進(jìn)行了新型井眼清潔工具試驗(yàn)應(yīng)用。

圖1 岔X井巖屑床沉積狀況分析結(jié)果

由表1可見(jiàn)，岔X井在二開鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)井斜角增長(zhǎng)到43.22°時(shí)，井下開始產(chǎn)生巖屑床，隨井斜角的增大，巖屑床厚度迅速增長(zhǎng)，而井斜角不變的情況下，巖屑床厚度維持不變，基本表現(xiàn)為增斜段巖屑床厚度增長(zhǎng)，穩(wěn)斜段巖屑床厚度不變的規(guī)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(fù)雜結(jié)構(gòu)井的巖屑清除效率，主動(dòng)清除巖屑床，彌補(bǔ)傳統(tǒng)巖屑清除方法的不足[8-9]。在調(diào)研分析已有巖屑床清除工具的基礎(chǔ)上，研制出了新型井眼清潔工具。

2.1 結(jié)構(gòu)

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(dǎo)流槽和葉輪等結(jié)構(gòu)組成(如圖2)。工具本體中部設(shè)3片均勻分布的直葉輪，葉輪上下部設(shè)3組等長(zhǎng)螺旋棱，螺旋棱靠近中部端面有45°倒角。螺旋棱之間為導(dǎo)流槽，起導(dǎo)流鉆井液作用。本體上設(shè)有耐磨帶，耐磨帶上鑲嵌硬質(zhì)合金圓柱齒，以增加工具耐磨性。工具一體化加工，無(wú)任何活動(dòng)部件，保證了工具強(qiáng)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(nèi)徑?71.5 mm，長(zhǎng)度1 450 mm，葉輪數(shù)量3個(gè)，螺旋棱數(shù)量3組。

2.2 工作原理

正常鉆進(jìn)過(guò)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(zhuǎn)，由葉輪、螺旋棱和導(dǎo)流槽組成的特殊結(jié)構(gòu)能對(duì)巖屑床產(chǎn)生機(jī)械破壞作用，并能改善大斜度井井眼底邊區(qū)域鉆井液流場(chǎng)特性，將巖屑“拋向”高邊環(huán)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(jù)參考文獻(xiàn)[10～11]，基于對(duì)Moore滑落末速公式的修正引用和井眼清除工具的流場(chǎng)分析提出工具放置間距L的計(jì)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(chǎng)速度增加倍率；θ為井斜角；Dh為環(huán)空直徑；vh為環(huán)空返速；vsx為巖屑顆粒在井筒中的滑落速度，具體的推導(dǎo)和優(yōu)化方法在文獻(xiàn)[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(yīng)用效果分析

3.2.1井口返屑情況

為更加準(zhǔn)確評(píng)價(jià)井眼清潔工具的應(yīng)用效果，采取了現(xiàn)場(chǎng)收集巖屑的方法。通過(guò)對(duì)比下入前后相同“遲到井深”段長(zhǎng)的巖屑體積，來(lái)判斷應(yīng)用效果。本次應(yīng)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(duì)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(shuō)明井眼清潔工具有效破除了前期已形成的巖屑床，同時(shí)預(yù)防了新巖屑床的生成。

3.2.2摩阻變化分析

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，每10 m取1個(gè)點(diǎn)作趨勢(shì)圖，分析了下入工具前后100 m的摩阻數(shù)據(jù)，如圖3。

由圖中可以看出，在未使用井眼清潔工具時(shí)，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(jié)論

1) 在大斜度井段鉆井，巖屑床產(chǎn)生后，其厚度基本遵循增斜段巖屑床厚度增長(zhǎng)，穩(wěn)斜段巖屑床厚度不變的規(guī)律。

2) 新型井眼清潔工具通過(guò)改變鉆井液流態(tài)和物理破壞雙重作用，改善巖屑運(yùn)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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