李 博

(大慶鉆探鉆井工程技術(shù)研究院, 黑龍江大慶 163413)

1 概述

大斜度井鉆井過(guò)程中, 巖屑易在井斜較大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, 一口井的清潔狀況直接影響井身質(zhì)量、鉆井速度, 進(jìn)而影響鉆井經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。本文針對(duì)大位移井巖屑床的形成機(jī)理及巖屑床在不同井段形成特點(diǎn)進(jìn)行了研究分析。為解決巖屑床形成在鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的影響, 研制了巖屑床清除工具, 該工具采用水力和機(jī)械的作用方式已達(dá)到有效清除巖屑床。

2 巖屑床形成分析

鉆井過(guò)程中, 巖屑隨著鉆井液循環(huán)被攜帶出井筒, 在大斜度鉆井施工中, 井斜達(dá)到一定角度時(shí), 巖屑在環(huán)空中的下滑速度隨著井斜角的增加而增大, 當(dāng)下滑速度大于巖屑的上返速度時(shí), 巖屑會(huì)沉積在井眼的底邊形成巖屑床, 從而引起鉆進(jìn)摩阻增大、卡鉆等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

大斜度井井斜角的大小是形成巖屑床的重要因素, 根據(jù)井斜角的大小分為3種情況來(lái)分析巖屑床的形成, 當(dāng)井斜角處于0°～40°時(shí), 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(tài), 一般很少形成巖屑床；當(dāng)井斜角處于40°～60°之間時(shí), 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(dǎo)致攜巖能力降低, 形成巖屑床堆積, 同時(shí)在停泵接單根過(guò)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(wěn)定的巖屑床；當(dāng)井斜角處于60°～90°之間時(shí), 鉆井液的軸向速度分量急劇降低, 環(huán)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(xì)顆粒進(jìn)一步被壓實(shí), 形成穩(wěn)定巖屑床。

3 巖屑床清除工具研制

單純依靠水力參數(shù)優(yōu)化和工藝來(lái)解決巖屑床問(wèn)題在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在一定局限性[3-4], 采用主動(dòng)方式清除巖屑床是一種有效的手段。根據(jù)巖屑床形成機(jī)理的分析, 研制了新型的水力和機(jī)械雙作用巖屑床清除工具。

3.1 工具結(jié)構(gòu)

巖屑床清除工具采用一體化加工, 沒(méi)有活動(dòng)部件, 安全可靠。工具中部設(shè)計(jì)有3段螺旋結(jié)構(gòu), 前端和后端分別設(shè)計(jì)2個(gè)不同旋向的螺旋翼, 前端螺旋翼可將膠結(jié)在一起的巖屑打碎, 并通過(guò)螺旋運(yùn)送至后端反向螺旋翼處進(jìn)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(yùn)移至環(huán)空高邊處, 隨液流返出。中間采用V型槽螺旋翼設(shè)計(jì), 改變底邊區(qū)域鉆井液流場(chǎng)特性, 提高返砂效率, 結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度1550mm, 前后端螺旋翼棱數(shù)為5, V型槽螺旋翼棱數(shù)為6。

3.2 工作原理

大斜度井復(fù)合鉆進(jìn)時(shí), 工具前后螺旋翼隨鉆柱旋轉(zhuǎn)形成機(jī)械攪拌, 將井眼低邊沉積膠結(jié)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(jìn)時(shí), 鉆柱不旋轉(zhuǎn), 鉆井液流經(jīng)V型槽螺旋翼, 流態(tài)由層流變?yōu)槲闪? 破壞巖屑靜止?fàn)顟B(tài), 將低邊沉積巖屑沖刷運(yùn)移到環(huán)空高邊處, 巖屑隨液流返出。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

試驗(yàn)X井是一口中淺層水平井, 三開為215.9mm井眼, 設(shè)計(jì)井深3082m, 設(shè)計(jì)垂深1832.13m, 水平段長(zhǎng)950m, 鉆井液密度1.35g/cm3, 鉆柱為?127mm鉆桿, 本次試驗(yàn)使用2只巖屑床清除工具, 根據(jù)工具間隔距離計(jì)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(huán)空直徑；

vh——環(huán)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(jù)巖屑床形成機(jī)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(wú) 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(yàn)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(jìn)行對(duì)比, 在同等工況和相同采集時(shí)間條件下, 對(duì)未使用工具和使用工具后巖屑返出量進(jìn)行了3組數(shù)據(jù)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(duì)比使用工具前巖屑返出量增加47.6%, 采集數(shù)據(jù)見表1。

表1 使用巖屑床清除工具前后巖屑返出量

試驗(yàn)X井使用巖屑床清除工具施工井段2554～3082m, 進(jìn)尺528m, 鉆進(jìn)平均摩阻26kN, 摩阻降低42.3%, 平均機(jī)械鉆速8.89m/h, 鉆速提高33.6%, 具體數(shù)據(jù)見表2。使用巖屑床清除工具鉆進(jìn)過(guò)程中, 進(jìn)行3次短起下操作, 完鉆后進(jìn)行2次通井作業(yè), 起下鉆過(guò)程均無(wú)遇阻和粘卡顯示, 完鉆后下套管作業(yè)順利, 未發(fā)生遇阻。

表2 試驗(yàn)X井使用巖屑床清除工具前后數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

（1）在大斜度井鉆井過(guò)程中, 在40°～90°井斜角, 由于鉆柱與井眼底邊導(dǎo)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(yán)重影響大斜度井施工進(jìn)度和井下安全；

（2）研制的巖屑床清除工具采用水力和機(jī)械雙作用形式清除巖屑床, 工具上設(shè)計(jì)有3個(gè)不同功能的螺旋結(jié)構(gòu), 在實(shí)現(xiàn)機(jī)械攪拌的同時(shí)能夠改變鉆井液流態(tài), 提高巖屑返出效率, 工具采用一體化加工, 沒(méi)有活動(dòng)部件, 安全可靠；

（3）在試驗(yàn)X井使用巖屑床清除工具巖屑返出量增加47.6%, 鉆進(jìn)平均摩阻降低42.3%, 在短起下、通井和下套管作業(yè)中, 均無(wú)遇阻和粘卡顯示, 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明, 巖屑床清除工具改善了巖屑運(yùn)移效果, 減小了巖屑床的堆積。