大斜度井岩屑床分析及新型井眼清洁工具应用

，，，，，

(渤海钻探工程技术研究院，天津 300280)

大斜度井钻井作业中，岩屑易在大斜度井段堆积形成岩屑床，导致摩阻增大、井下卡钻风险增加。一口井的井眼清洁状况还会直接影响到这口井的井身质量、钻进速度，进而影响到其经济效益[1-3]。一般认为，影响井眼清洁的主要因素包括环空流速、钻井液流变性和井斜角[4-5]，单纯依靠水力参数优化和工艺改进来解决井眼清洁问题在现场应用中存在一定局限性，难以达到满意效果[6-7]。本文在对大斜度井岩屑床分析的基础上，研制了一种BZ-HCS型井眼清洁工具，并进行了现场试验，取得较好的应用效果。

1 井底岩屑床分析

岔X井是在岔河集油田实施的一口二开三段制定向井，设计井深3 571.86 m，设计最大井斜56.33°。实际钻进中，钻至2 009 m井深，井斜即达到45°，后续钻进岩屑上返量明显减少，摩阻增大。为准确判断不同井段岩屑床沉积情况，以现场实钻数据为基础，使用Landmark软件进行了模拟分析，如图1所示。

模拟结果表明，该井钻进至井斜43.22°后，岩屑体积分数迅速增大，井下产生岩屑床，且岩屑床的厚度随井斜的增加而增长，最大厚度19.13 mm，占井径的8.9%，最终在距井底约40 m位置，岩屑床厚度逐渐减小。现场实钻情况也表明，钻进至2 009 m后，井口返屑量明显减少，摩阻迅速增加。为保证钻井作业的安全和后续施工的顺利完成，进行了新型井眼清洁工具试验应用。

图1 岔X井岩屑床沉积状况分析结果

由表1可见，岔X井在二开钻进过程中，当井斜角增长到43.22°时，井下开始产生岩屑床，随井斜角的增大，岩屑床厚度迅速增长，而井斜角不变的情况下，岩屑床厚度维持不变，基本表现为增斜段岩屑床厚度增长，稳斜段岩屑床厚度不变的规律。

表1 岔X井不同井段井眼清洁状况

2 井眼清洁工具研制

岩屑床清除工具能有效提高复杂结构井的岩屑清除效率，主动清除岩屑床，弥补传统岩屑清除方法的不足[8-9]。在调研分析已有岩屑床清除工具的基础上，研制出了新型井眼清洁工具。

2.1 结构

BH-HCS型井眼清洁工具连接在相邻2根钻杆之间，由耐磨带、螺旋棱、导流槽和叶轮等结构组成(如图2)。工具本体中部设3片均匀分布的直叶轮，叶轮上下部设3组等长螺旋棱，螺旋棱靠近中部端面有45°倒角。螺旋棱之间为导流槽，起导流钻井液作用。本体上设有耐磨带，耐磨带上镶嵌硬质合金圆柱齿，以增加工具耐磨性。工具一体化加工，无任何活动部件，保证了工具强度。

BH-HCS型井眼清洁工具适用于ø215.9 mm井眼，工具本体外径ø172 mm，内径ø71.5 mm，长度1 450 mm，叶轮数量3个，螺旋棱数量3组。

2.2 工作原理

正常钻进过程中，将BH-HCS型井眼清洁工具配置于钻柱中，工具随钻柱旋转，由叶轮、螺旋棱和导流槽组成的特殊结构能对岩屑床产生机械破坏作用，并能改善大斜度井井眼底边区域钻井液流场特性，将岩屑“抛向”高边环空，被钻井液带走，从而减少或消除岩屑堆积形成的岩屑床，防止新岩屑床的形成。

3 现场应用

3.1 井眼清洁工具安放位置确定

井眼清洁工具因作用范围有限，一般一口井需要使用多只工具，依靠每只工具的“接力”作用，将井下岩屑返出井口。根据参考文献[10～11]，基于对Moore滑落末速公式的修正引用和井眼清除工具的流场分析提出工具放置间距L的计算方法：

式中：α为工具的携带因子，α=1～2；β为工具的加速因子，β=流场速度增加倍率；θ为井斜角；Dh为环空直径；vh为环空返速；vsx为岩屑颗粒在井筒中的滑落速度，具体的推导和优化方法在文献[10-11]中有详述。

参考以上公式，最终确定使用井眼清洁工具3只，安放位置分别为距离钻头120.83、220.82、306.89 m。

3.2 应用效果分析

3.2.1井口返屑情况

为更加准确评价井眼清洁工具的应用效果，采取了现场收集岩屑的方法。通过对比下入前后相同“迟到井深”段长的岩屑体积，来判断应用效果。本次应用共3次收集岩屑，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。

对比使用前后岩屑收集体积，井眼清洁工具下入后岩屑返出量明显增加，第2次、第3次收集的岩屑量分别为第1次的4.1倍、1.3倍，这说明井眼清洁工具有效破除了前期已形成的岩屑床，同时预防了新岩屑床的生成。

3.2.2摩阻变化分析

依据现场采集数据，每10 m取1个点作趋势图，分析了下入工具前后100 m的摩阻数据，如图3。

由图中可以看出，在未使用井眼清洁工具时，随着井深增加，摩阻最大增加到51 kN，下入井眼清洁工具后，摩阻降低至23 kN，下降54.9%，摩阻下降明显。此后，随着井深的增加，摩阻缓慢增大。

图3 岔X井井眼清洁工具下入前后100 m摩阻变化

4 结论

1) 在大斜度井段钻井，岩屑床产生后，其厚度基本遵循增斜段岩屑床厚度增长，稳斜段岩屑床厚度不变的规律。

2) 新型井眼清洁工具通过改变钻井液流态和物理破坏双重作用，改善岩屑运移效果，防止岩屑在井下堆积，使用前后返屑量变化明显。

3) 井眼清洁工具能明显改善大斜度井岩屑上返状况，改善了井眼清洁状况，降低了井眼摩阻，岔X井摩阻最大下降54.9%。

[1] 闫铁，邵帅，孙晓峰，等.井眼清洁工具作用下岩屑颗粒运动规律研究[J].石油钻采工艺，2013，35(3)：1-4.

[2] 李琪，文亮，孙乖平，等.实用简单的大斜度井井眼清洁模型的建立与应用[J].科学技术与工程，2014，14(9)：155-159.

[3] 党克军，王增年，简章臣，等.水平井岩屑床控制技术浅析[J].钻采工艺，2011，34(5)：25-27.

[4] 孙晓峰，闫铁，王克林，等.复杂结构井井眼清洁技术研究进展[J].断块油气田，2013，20(1)：1-5.

[5] 尹家峰.水平段环空压耗与岩屑运移规律数值模拟[J].石油矿场机械，2014，43(3)：57-59.

[6] 张洪泉，任中启，董明健.大斜度大位移井岩屑床的解决方法[J].石油钻探技术，1999，27(3)：6-8.

[7] 陈勇，吴欣袁，蒋祖军，等.水平井钻井减摩降阻工具研制及流场分析[J].石油矿场机械，2014，43(8)：27-30.

[8] 王智锋.复杂结构井岩屑床清除技术[J].石油钻采工艺，2009，31(1)：102-104.

[9] 余万顺，汪海阁，纪国栋，等.叶片形状对岩屑床清除工具作用效果的影响规律[J].断块油气田，2017，24(1)：120-124.

[10] 刘小刚，范白涛，杨进，等.大斜度井岩屑床清除工具安放位置计算[J].石油矿场机械，2016，45(3)：46-50.

[11] 吴欣袁，张恒，王建龙，等.井眼清洁工具流场及岩屑运移数值模拟分析[J].石油化工应用，2017，36(1)：73-77.