左 坤 張偉國(guó) 覃建宇 張 強(qiáng) 金 勇

中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)勘探開(kāi)發(fā)力度的加大,諸多復(fù)雜結(jié)構(gòu)井如大斜度井、水平井和大位移井被廣泛應(yīng)用于油氣開(kāi)采[1]。然而在這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井過(guò)程中,環(huán)空上返的巖屑容易在大斜度井段和水平井段沉降堆積,逐漸形成巖屑床,難以被攜帶清除出井眼,造成鉆具托壓、摩阻扭矩增大,影響機(jī)械鉆速,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致卡鉆事故的發(fā)生,給井下安全和作業(yè)效率帶來(lái)極大威脅[2-5]。針對(duì)這些問(wèn)題,學(xué)者研究提出采取提高鉆井液環(huán)空返速等改變鉆井工藝參數(shù)與調(diào)整鉆井液性能的方法來(lái)清除井眼巖屑[6-11],然而實(shí)踐證明單靠這些方法并不能有效改善井眼的清潔狀況,且容易受到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)限制。后來(lái)學(xué)者改變思路,通過(guò)研制設(shè)計(jì)井下工具來(lái)破壞巖屑床達(dá)到清除井眼巖屑的目的,取得了一些進(jìn)展[12-19]。本文通過(guò)設(shè)計(jì)研究提出了一種新型巖屑床破壞器,并在南海大位移水平井中多次應(yīng)用,對(duì)破壞和清除巖屑有比較明顯的作用和效果。

1 新型巖屑床破壞器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型巖屑床破壞器是在普通鉆桿或加重鉆桿的本體外部設(shè)計(jì)三組變截面變螺距的螺旋結(jié)構(gòu)并通過(guò)一體化加工而成。每組螺旋結(jié)構(gòu)均由上部扶正攜帶區(qū)和下部流動(dòng)清潔區(qū)構(gòu)成,扶正攜帶區(qū)螺旋槽的螺旋角和外徑都要略大于流動(dòng)清潔區(qū)的螺旋角與外徑,且螺旋槽葉片外端鑲嵌有硬質(zhì)合金耐磨片,與井壁接觸，起扶正擾動(dòng)作用的同時(shí)防止螺旋槽過(guò)快磨損,流動(dòng)清潔區(qū)螺旋槽的負(fù)邊緣角與正邊緣角能夠?yàn)榄h(huán)空上返的鉆井液提供動(dòng)力和導(dǎo)向力,見(jiàn)圖1。巖屑床破壞器運(yùn)用新型熱處理工藝來(lái)改善材料特性,保持高強(qiáng)度的同時(shí)又有高韌性,既能有效破壞清除井底巖屑又不至于過(guò)分清刮破壞井壁。

圖1 新型巖屑床破壞器螺旋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of spiral structure of cuttings bed remover

1.2 工作原理

1)機(jī)械挖掘清刮。新型巖屑床破壞器的螺旋槽葉片外徑較大,隨著鉆具的旋轉(zhuǎn),葉片的負(fù)邊緣角能夠產(chǎn)生機(jī)械挖掘作用,破壞清刮井壁低邊的巖屑床,并通過(guò)旋轉(zhuǎn)將挖掘起來(lái)的巖屑攪動(dòng)至螺旋槽的高速流道內(nèi),從而攜帶返出井口。

2)營(yíng)造渦流。每組螺旋結(jié)構(gòu)上下兩部分螺旋槽的螺旋角、螺距和外徑不同,在流道內(nèi)產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的渦流效應(yīng),提高鉆井液的擾動(dòng)能力,不斷破壞和侵蝕井眼巖屑床,將巖屑攜帶流動(dòng)起來(lái)。同時(shí),螺旋槽流道過(guò)流面不同,靠近螺旋槽軸線過(guò)流面窄,流速較高,壓力較低,相反螺旋槽外側(cè)流速較低,壓力較高,從而產(chǎn)生渦流吸附效應(yīng),將擾動(dòng)的巖屑吸附在內(nèi)側(cè)高速流動(dòng)區(qū),進(jìn)而攜帶返出井口。

1.3 技術(shù)參數(shù)

新型巖屑床破壞器設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般為9.40 m左右,能夠與常規(guī)鉆具組合成單根立柱立于井架,便于海上現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),見(jiàn)圖2。新型巖屑床破壞器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 新型巖屑床破壞器技術(shù)參數(shù)圖Fig.2 Technical parameters diagram of new cuttings bed remover

2 新型巖屑床破壞器安放位置分析

單根巖屑床破壞器的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度有限，決定了其破壞清除巖屑的作用區(qū)域有限,因此,在一口井的作業(yè)中往往需要多根巖屑床破壞器協(xié)同配合使用,才能充分發(fā)揮其破壞清除巖屑的作用,將巖屑從井底攜帶上返出井口。在大位移水平井中,由于大斜度井段和水平井段總體較長(zhǎng),更需要多根巖屑床破壞器聯(lián)合使用。因而需要對(duì)巖屑床破壞器在鉆具中的安放位置進(jìn)行分析和計(jì)算。

研究學(xué)者M(jìn)oore基于大量鉆井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),以垂直井眼中巖屑顆粒在環(huán)空液體中滑落為模型提出了巖屑顆?；渌俣扔?jì)算方法,然而在水平井眼中運(yùn)用此模型顯然不合適。后來(lái)有學(xué)者根據(jù)Moore計(jì)算模型,考慮水平井眼中巖屑顆?；鋾r(shí)不斷碰撞和交換的影響,通過(guò)試驗(yàn)和流場(chǎng)模擬分析進(jìn)行修正,提出了一種水平井眼中巖屑顆粒運(yùn)移計(jì)算模型[20]。

通過(guò)該模型可以計(jì)算出水平井眼中巖屑顆粒在不受干擾狀態(tài)下最大運(yùn)移距離,分析可知只要在巖屑顆?；湎鲁劣诰诘瓦呏巴ㄟ^(guò)人為干擾放置巖屑床破壞器,可以讓巖屑顆粒繼續(xù)運(yùn)移上返,即安放巖屑床破壞器的位置間距就是巖屑顆粒最大運(yùn)移距離,見(jiàn)圖3。

因此,巖屑床破壞器在鉆具中安放位置間距計(jì)算如下:

(1)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

南海東部某油田油藏埋深淺,側(cè)鉆開(kāi)發(fā)儲(chǔ)層時(shí)受到平臺(tái)位置限制,大多采用大位移水平井的方式開(kāi)采。該油田同一構(gòu)造區(qū)塊上側(cè)鉆A、B兩口鄰井,均為大位移水平井,水垂比在3～4之間,水平段長(zhǎng)在800～1 000 m之間,311.15 mm井眼都為大斜度長(zhǎng)穩(wěn)斜段,鉆井液均為氯化鉀聚合物體系,底部鉆具組合都使用同一家公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,該井段井史資料見(jiàn)表2。現(xiàn)場(chǎng)使用巖屑床破壞器照片見(jiàn)圖4。

根據(jù)前面理論模型計(jì)算A井巖屑床破壞器安放位置間距,并結(jié)合該井實(shí)際情況,最終確定了A井巖屑床破壞器在鉆具中的安放位置和數(shù)量,即鉆具組合中1號(hào)巖屑床破壞器距離鉆頭62.8 m,1號(hào)與2號(hào)間隔13根鉆桿(約123.5 m),之后每14根鉆桿(約133 m)安放1根巖屑床破壞器,共計(jì)6根。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 巖屑返出情況

A、B兩口井311.15 mm井段鉆遇地層巖性基本都為泥巖,返出巖屑多為細(xì)碎分散稀糊狀。在斜深2 000～2 400 m鉆進(jìn)井段長(zhǎng)度下,觀察和收集這兩口井在振動(dòng)篩處環(huán)空巖屑的返出量。對(duì)比發(fā)現(xiàn)A井巖屑返出量明顯比B井返出量多,經(jīng)測(cè)量A井返出量為B井返出量3.2倍,見(jiàn)圖5?？梢?jiàn),巖屑床破壞器對(duì)破壞清除和攜帶井底巖屑有比較明顯的效果。

3.2.2 鉆具托壓情況

由于環(huán)空巖屑堆積的影響,A、B兩口大位移水平井在311.15 mm井段鉆井過(guò)程中都出現(xiàn)了不同程度的鉆具托壓現(xiàn)象。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),A井在斜深2 814.77 m處首次出現(xiàn)鉆具托壓,而B(niǎo)井首次出現(xiàn)鉆具托壓時(shí)的斜深為2 054.35 m,使用巖屑床破壞器后首次出現(xiàn)鉆具托壓現(xiàn)象的井深變深。在斜深2 850～3 540 m間,A井共出現(xiàn)71次鉆具托壓,B井共出現(xiàn)80次鉆具托壓,使用巖屑床破壞器后鉆具托壓出現(xiàn)的次數(shù)也有所減少。

如圖6所示,A井在斜深2 850～3 550 m鉆進(jìn)時(shí)過(guò)托壓點(diǎn)的鉆壓基本分布在45～120 kN之間,過(guò)托壓點(diǎn)鉆壓與正常鉆進(jìn)鉆壓的差值基本在10～55 kN之間;而B(niǎo)井在相應(yīng)井深鉆進(jìn)時(shí)過(guò)托壓點(diǎn)的鉆壓大多分布在90～180 kN之間,過(guò)托壓點(diǎn)鉆壓與正常鉆進(jìn)鉆壓的差值基本在40～100 kN之間。可見(jiàn),使用巖屑床破壞器之后過(guò)托壓點(diǎn)鉆壓差值是沒(méi)有使用時(shí)的30%～40%,鉆具托壓程度明顯得到改善。

3.2.3 井底ECD值情況

A、B兩口井在斜深2 000～2 500 m鉆井時(shí)井底當(dāng)量循環(huán)密度(Equivalent Circulatin Density，ECD)值見(jiàn)圖7。A井ECD值在1.22～1.28之間,而B(niǎo)井井底ECD值在1.26～1.35之間?？梢钥闯?使用巖屑床破壞器后A井井底ECD值明顯降低,說(shuō)明巖屑床破壞器能夠有效清除井眼巖屑,改善井眼清潔狀況。

4 結(jié)論

1)針對(duì)南海大位移水平井鉆井過(guò)程中上返巖屑容易在大斜度井段形成巖屑床,造成鉆具托壓、摩阻扭矩增大等問(wèn)題,設(shè)計(jì)研發(fā)了一種新型巖屑床破壞器。該工具通過(guò)機(jī)械挖掘清刮和營(yíng)造渦流雙重作用能有效破壞清除井眼底邊巖屑,改善井眼清潔狀況。

2)鉆井作業(yè)中巖屑床破壞器需要多根配合使用,才能充分發(fā)揮其破壞清除巖屑的作用。分析了巖屑床破壞器在鉆具組合中的安放位置,為鉆井施工提供了理論依據(jù)。

3)巖屑床破壞器在南海東部某油田大位移水平井中應(yīng)用并且效果明顯,可大幅提高巖屑返出量;鉆具托壓出現(xiàn)次數(shù)減少，首次出現(xiàn)托壓的井深變深，托壓程度改善;明顯降低了過(guò)托壓點(diǎn)鉆壓差值和井底ECD值。