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        水平井巖屑床清除工具優(yōu)化設計與應用

        2021-12-30 01:23:26紀國棟佟德水郭衛(wèi)紅余萬順
        化工機械 2021年6期
        關鍵詞:外徑巖屑井眼

        紀國棟 陳 勛 佟德水 劉 力 郭衛(wèi)紅 余萬順

        (1.中國石油集團工程技術研究院有限公司;2.遼河油田公司鉆采工藝研究院;3.中國石油勘探開發(fā)研究院)

        為提高單井產(chǎn)量和最終采出程度,水平井水平井段的設計長度逐步增加,目前國外非常規(guī)油氣開發(fā)中水平段長度一般都大于2 000 m,3 000 m的水平段也非常常見,最大水平井段長度已突破5 000 m。水平井,特別是長水平段水平井鉆井面臨著諸多技術挑戰(zhàn),其中,井眼清潔問題常會引起起/下鉆遇阻、鉆具托壓甚至卡鉆問題,造成較大的經(jīng)濟損失[1,2]。新疆瑪湖致密油水平井平均水平段長度超過1 500 m,1 500 m以上水平段水平井數(shù)量占比達52%,長水平段鉆井過程中面臨鉆井液攜巖效率低、斜井段易堆積形成巖屑床等難題,導致摩阻扭矩大、托壓嚴重和起/下鉆阻卡復雜狀況多,后期電測、下套管遇阻嚴重,一次到底難度大。

        提高環(huán)空返速、改善鉆井液性能及機械清除等傳統(tǒng)清除巖屑床的主要方式具有較大的局限性,已經(jīng)無法完全滿足長水平段水平井的巖屑清除要求[3]。近年來,為有效解決井眼清潔問題,許多學者研制了不同類型的巖屑床清除工具,如Samuel R發(fā)明的自適應的井眼清潔工具[4],Tolle G C發(fā)明的分流式水力清屑裝置[5]等。Puymbroeck L V等的論文介紹了VAM Drilling公司的一種帶有雙螺旋葉片的復合井眼清潔工具[6~10],其結(jié)構特點是集成了清潔巖屑的葉片和減阻的滑動軸承,應用了CFD數(shù)值模擬優(yōu)化設計了葉片剖面形狀,工具扭矩傳動通過鉆桿提供,室內(nèi)實驗和現(xiàn)場測試表明該工具在40℃以下的造斜段和水平段具有極好的巖屑床破壞能力,提高井眼清潔程度達60%以上,鉆具摩阻減少30%。VAM Drilling公司的系列產(chǎn)品在英國北海、中東地區(qū)和北美地區(qū)成功開展商業(yè)應用,取得了良好的巖屑床抑制、鉆桿降阻效果,為解決長水平段水平井巖屑清除難題發(fā)揮先導性作用[11,12]。

        目前,國內(nèi)尚缺乏高效的巖屑床清除工具,對工 具 的參 數(shù) 優(yōu) 化 多 以 數(shù) 模 為 主[13~18],缺 少 深 入的實驗研究。

        為此,筆者設計了直棱形、螺旋形和V形3種巖屑床清除工具葉片結(jié)構,并通過室內(nèi)攜巖實驗優(yōu)選葉片結(jié)構和參數(shù)。

        1 工作原理與結(jié)構設計優(yōu)選

        1.1 巖屑床清除工具的工作原理

        長水平段水平井鉆井過程中,巖屑床清除工具通過絲扣與鉆桿連接構成鉆具組合,由鉆桿傳遞扭矩旋轉(zhuǎn),葉片旋轉(zhuǎn)誘導環(huán)空鉆井液產(chǎn)生螺旋流結(jié)構并沿鉆井液上返方向傳播,抑制巖屑顆粒沉降形成巖屑床,提高巖屑清除效率。巖屑床清除工具突出的葉片通過機械刮削作用修復不規(guī)則井壁,達到井眼凈化和井眼通暢的目的,有效降低摩阻扭矩,保證起/下鉆、電測及下套管等作業(yè)的安全。

        1.2 巖屑床清除工具葉片結(jié)構設計

        巖屑床清除工具安裝在相鄰的兩根鉆桿之間,由上接頭、本體、葉片及下接頭等組成,葉片結(jié)構設計是巖屑床清除工具結(jié)構設計的關鍵,葉片形狀、長度、外徑及數(shù)量等參數(shù)對巖屑床清除工具的巖屑清潔效率影響較大。本研究設計了直棱形、螺旋形、V形3種葉片結(jié)構(圖1),外徑146 mm,長度150 mm,數(shù)量為6個,軸向均布。直棱形葉片平行于鉆桿軸線,葉片橫截面為矩形,螺旋形和V形葉片螺距1 100 mm,V形葉片開口方向與鉆桿旋轉(zhuǎn)方向相反,以葉片軸線中點為對稱點分布。

        圖1 3種葉片結(jié)構

        2 葉片結(jié)構對巖屑清潔效率的影響

        2.1 實驗方法與實驗參數(shù)組合

        應用3D打印技術制備3種結(jié)構巖屑床清除工具葉片并開展巖屑清潔效率對比實驗。通過實驗評價葉片結(jié)構、葉片長度和葉片外徑對巖屑清潔效率的影響規(guī)律。

        實驗裝備包括液體泵注及測量系統(tǒng);巖屑注入、收集及測量系統(tǒng);井筒及旋轉(zhuǎn)鉆桿控制系統(tǒng);儲罐與管閥系統(tǒng)等。采用粒徑2.0~2.5 mm的染色硅酸鹽顆粒模擬巖屑,顆粒均質(zhì)等粒徑,密度為2 500 kg/m3。模擬常溫條件下圓管環(huán)空內(nèi)的鉆井液攜帶巖屑流動過程,變量參數(shù)包括巖屑顆粒注入濃度、鉆桿旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及井斜角等。通過觀測巖屑床運移與破壞現(xiàn)象,計量穩(wěn)態(tài)流動后環(huán)空巖屑返出情況,真實模擬巖屑床清除工具作用下巖屑運動和分布特點,評價巖屑清潔效率。巖屑床清除工具作用后的計量參數(shù)為井筒巖屑剩余量(巖屑排出量),即循環(huán)井筒環(huán)空達到穩(wěn)態(tài)時,關閉循環(huán),計量井筒中巖屑剩余量,由此算得巖屑排出量與巖屑注入量的比值即為巖屑清潔效率。

        實驗參數(shù)組合:巖屑注入速度1.0、1.5 L/min,巖屑直徑2 mm、鉆桿轉(zhuǎn)速180 r/min、井斜角90°。在相同參數(shù)組合條件下,對比鉆桿、3種不同葉片結(jié)構的巖屑清潔效率。

        2.2 實驗結(jié)果分析

        實驗結(jié)果列于表1。由表1可知,與純鉆桿相比,增添葉片后,巖屑清潔效率顯著增加。巖屑清潔效率排序為:V形葉片>螺旋形葉片>直棱形葉片>純鉆桿,因此優(yōu)選V形葉片作為巖屑床清除工具的清巖結(jié)構。

        表1 不同結(jié)構巖屑床清除工具的清巖效果

        3 V形葉片結(jié)構參數(shù)敏感性實驗

        3.1 V形葉片結(jié)構參數(shù)設計與實驗現(xiàn)象

        與直棱形和螺旋形葉片相比,V形葉片的巖屑清潔效率最高,因此進一步研究V形葉片結(jié)構參數(shù)(葉片長度、葉片外徑和葉片數(shù)量)對巖屑清潔效率影響的敏感性,優(yōu)化V形葉片參數(shù)。

        基于鉆柱剛性和強度考慮,應用3D打印制備了不同葉片長度、不同外徑和葉片數(shù)量的V形實驗用葉片工具(圖2),并開展攜屑實驗,實驗時不同結(jié)構參數(shù)的V形葉片均能誘導出環(huán)空螺旋流動,通過觀察實驗現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn),螺旋流將堆積的巖屑床破壞并將巖屑顆粒二次懸浮,懸浮顆粒在V形葉片的加速作用下隨鉆井液加速返出實驗井筒。

        圖2 3D打印的實驗用V形葉片

        3.2 V形葉片長度對巖屑清潔效率的影響

        為研究V形葉片長度對巖屑清潔效率影響的敏感性,分別開展了兩組實驗。第1組實驗條件:巖屑注入速度1.0 L/min、巖屑直徑2 mm、鉆桿轉(zhuǎn)速180 r/min、井斜角90°;第2組實驗條件:巖屑注入速度1.5 L/min、巖屑直徑2 mm、鉆桿轉(zhuǎn)速180 r/min、井斜角90°。應用3D打印分別加工長 度 為40、70、100、150、200、250 mm的V形 葉片,其中葉片外徑140 mm,螺距1 100 mm,葉片數(shù)量4個,逐一開展攜屑實驗研究,實驗循環(huán)至井筒內(nèi)巖屑沉積量達到穩(wěn)定狀態(tài),并記錄兩組實驗結(jié)果(表2)。

        表2 不同葉片長度對應的井筒巖屑剩余量

        根據(jù)井筒巖屑剩余量和巖屑清潔效率的定義,繪制出巖屑清潔效率隨葉片長度的變化曲線(圖3),由圖3可以看出,葉片長度對V形葉片清巖效果的影響較大,清巖效率隨著葉片長度的增加而增加,當葉片長度超過100 mm后,清巖效率基本趨于穩(wěn)定,說明葉片長度有適宜的長度區(qū)間,在此實驗條件下葉片長度的最優(yōu)區(qū)間為100~150 mm。

        圖3 清巖效率隨葉片長度變化曲線

        3.3 V形葉片外徑對巖屑清潔效率的影響

        為研究葉片外徑對巖屑清潔效率影響的敏感性,分別開展兩組實驗(實驗條件同3.2節(jié))。應用3D打印分別加工外徑為120、129、134、139、144、150 mm的V形葉片,其中葉片長度150 mm,螺距1 100 mm,葉片數(shù)量4個,逐一開展攜屑實驗研究,兩組實驗結(jié)果列于表3。

        表3 不同葉片外徑對應的井筒巖屑剩余量

        根據(jù)井筒巖屑剩余量和巖屑清潔效率定義,繪制出巖屑清潔效率隨葉片外徑的變化曲線(圖4),由圖4可以看出,葉片外徑對V形葉片清巖效果影響較大,清巖效率隨葉片外徑的增加而增加,在條件允許的情況下,盡量增大葉片外徑,考慮到新疆瑪湖致密油水平井水平段?165.1 mm井眼,使用鉆桿接頭外徑127 mm,為防止葉片外徑過大帶來卡鉆、破壞井壁等風險,綜合考慮井眼內(nèi)徑和鉆桿接頭外徑,選擇葉片外徑139 mm,與鉆桿接頭相比,葉片單邊突出6 mm。

        圖4 清巖效率隨葉片外徑變化曲線

        3.4 V形葉片數(shù)量對巖屑清潔效率的影響

        為考察葉片數(shù)量對巖屑清潔效率影響的敏感性,分別加工葉片數(shù)量為3、4、5、6個的V形巖屑清潔工具開展室內(nèi)實驗,其中各葉片長度150 mm,螺距1 100 mm,葉片外徑146 mm。實驗條件同3.2節(jié)。兩組實驗結(jié)果見表4。

        表4 不同葉片數(shù)量對應的井筒巖屑剩余量

        根據(jù)井筒巖屑剩余量和巖屑清潔效率定義,繪制出巖屑清潔效率隨葉片數(shù)量的變化曲線(圖5),可以看出葉片數(shù)量對V形葉片清巖效果影響不大,三葉片工具工作時葉片間流體存在滑脫現(xiàn)象,有部分流體周向流速沒有達到峰值,而葉片數(shù)量為4、5、6時,巖屑清潔效率基本保持恒定,因此工具葉片數(shù)量選擇4個或5個為宜??紤]到葉片數(shù)量過多易導致環(huán)空流體壓降增大,且井下工具結(jié)構宜盡量簡化以降低加工制造難度,優(yōu)選葉片數(shù)量為4個。

        圖5 井筒巖屑剩余量隨葉片數(shù)量變化曲線

        4 巖屑床清除工具現(xiàn)場測試

        4.1 巖屑床清除工具樣機加工

        根據(jù)V形葉片巖屑清潔效率實驗得出的結(jié)論,設計加工了適用于?165.1 mm井眼的V形巖屑床清除工具(圖6),該工具由上接頭、本體、V形葉片和下接頭組成,工具技術參數(shù)為:長度1 000 mm,葉片外徑139 mm,葉片長度150 mm,V形葉片數(shù)量4個,工具內(nèi)徑60 mm,兩端接頭型號NC38。工具在新疆瑪湖致密油水平井開展2井次現(xiàn)場測試。

        圖6 V形葉片巖屑床清除工具結(jié)構示意圖

        4.2 MaHW6202井現(xiàn)場測試

        MaHW6202井是一口長水平段致密油水平井,設計井深5 822.84 m,水平段長1 800 m,三開井身結(jié)構,三開采用?165.1 mm鉆頭鉆至5 579 m,井斜90.8°,巖屑床堆積嚴重,振動篩基本無巖屑返出,鉆柱摩阻超過20 t,托壓嚴重。為及時清除巖屑床和降低摩阻扭矩,起鉆接V形巖屑床清除工具通井作業(yè),采用間隔下鉆和分段主動劃眼的模式進行上下往復劃眼,破壞并清除巖屑床,修整不規(guī)則井眼,劃眼過程中振動篩返出巖屑明顯,下鉆劃眼井段4 137~5 579 m,倒劃眼井段5 579~4 175 m,劃眼井段長1 442 m,工具入井時間82 h,主螺旋結(jié)構完好,外徑磨損1.2 mm。通井后鉆柱摩阻(上提摩阻)由之前的23~24 t以上下降到4~5 t(圖7),起/下鉆通暢,保障了后期電測、下套管作業(yè)的安全順利。

        圖7 V形巖屑床清除工具應用效果

        4.3 MaHW1332井現(xiàn)場測試

        MaHW1332井是一口長水平段致密油水平井,設計井深5 169.60 m,水平段長1 705 m,三開井身結(jié)構,三開采用?165.1 mm鉆頭鉆至5 167 m,井斜85.6°,鉆柱摩阻扭矩大,托壓嚴重。為及時清除巖屑床、降低摩阻扭矩,起鉆接中石油工程院研制的V形巖屑床清除工具配合牙輪鉆頭通井,工具入井時間42.8 h,劃眼和鉆進時間11.6 h,V形葉片完好,外徑磨損1 mm。劃眼過程中振動篩巖屑返出明顯,并伴有大顆粒巖塊返出。通井后井底鉆柱摩阻(上提摩阻)由之前的20 t左右下降到11~12 t,降低40%左右,起/下鉆通暢且無阻卡,后期下套管安全順利,一次到底。

        5 結(jié)論

        5.1 由實驗結(jié)果可知,與直棱形、螺旋形葉片相比,V形葉片結(jié)構的巖屑床清除工具清潔效率最高,螺旋形葉片次之,直棱形葉片最差。相同實驗條件下,3種結(jié)構的葉片清潔效率均優(yōu)于鉆桿。

        5.2 通過室內(nèi)敏感性實驗得出了V形葉片3種關鍵參數(shù)對巖屑清潔效率的影響規(guī)律,優(yōu)化了葉片關鍵參數(shù)組合:葉片長度150 mm,葉片外徑139 mm,葉片數(shù)量4個,基于最優(yōu)參數(shù)組合設計了適用于?165.1 mm井眼的V形巖屑床清除工具。

        5.3 研制了V形巖屑床清除工具樣機,在新疆瑪湖致密油水平井現(xiàn)場測試2井次,通過劃眼、鉆進相結(jié)合的方式破壞和清除巖屑床,對巖屑床易堆積井段進行高轉(zhuǎn)速往復劃眼和洗井作業(yè),應用過程中振動篩巖屑返出明顯,應用后鉆柱摩阻大幅下降,起/下鉆通暢、無阻卡,保障了后期電測或下套管作業(yè)安全順利。配套應用V形巖屑床清除工具是水平井抑制巖屑床形成的有效方法。

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