井下大径垮塌物打捞划眼一体化处理技术

2020-12-23陈小元程智勇

石油钻探技术 2020年6期

秦春，陈小元，程智勇

（中石化华东石油工程有限公司江苏钻井公司，江苏扬州 225261）

深部裂隙发育的泥岩地层和破碎地层在钻井过程中极易垮塌，且垮塌物尺寸大。在井眼失稳和复杂情况处理方面，目前国内外主要采用优化钻井液、稠段塞清扫、牙轮钻头和反循环打捞篮划眼等常规方法[1-3]，但处理井下大径垮塌物遇阻划眼时间长，会严重影响钻井成本和经济效益。如FHX1 井，完钻后井下掉块的直径最大达到15 cm、厚度达到8 cm，处理井下掉块划眼时间长达30 d。造成大径垮塌物划眼处理时间长的原因主要有：1）注入高黏钻井液段塞清扫垮塌物时，难以将大径垮塌物携带至地面，且多次采用稠段塞清扫易破坏钻井液性能，造成井眼失稳垮塌井段进一步垮塌，形成恶性循环；2）缺少处理大径垮塌物遇阻的划眼工具，配套技术不完善。采用牙轮钻头或领眼公锥划眼时，由于垮塌物尺寸大且坚硬，难以破碎垮塌物，且其不具备打捞功能；使用反循环打捞篮打捞垮塌物，由于其容量小，一次捞出量有限，导致划眼效果差，处理时间长[4-8]。因此，笔者考虑从划眼工具着手，采用集破碎、划眼和打捞于一体的工具，形成了井下大径垮塌物打捞划眼一体化处理技术。12 口井的现场应用结果表明，该技术能缩短井下大径垮塌物的处理时间，降低钻井成本，提高经济效益。

1 打捞划眼一体化工具

为实现打捞划眼一体化工具的破碎、划眼和打捞一体化功能，借鉴了反循环打捞篮的钻井液循环方式，通过优化循环方式降低了钻井液对井壁的冲蚀。针对划眼时大径垮塌物易使钻头发生偏移、不易被钻头破碎的问题，借鉴取心钻头的环形切削思路，采用环形硬质合金切削齿对大径垮塌物进行破碎。针对大径垮塌物不易被钻井液携带至地面的问题，将划眼作业中依靠钻井液循环清理掉块的方式改为利用工具内筒进行机械打捞，并采用可拆装式的加长打捞筒，不但增大了打捞筒容量，而且便于取出打捞物，提高打捞划眼效率。

1.1 工具结构

打捞划眼一体化工具由筒体、分水机构、流道管、打捞机构和铣齿等组成，如图1 所示。筒体为正六棱柱，6 根流道管位于筒体的6 条棱上，分别与位于堵头上方腔体内壁上的6 个流道管相通，流道管的下端沿筒体向下延伸至筒体的下端；堵头下方腔体内壁上对称设有3 个回流孔，并与筒体的外壁贯通。

图 1 打捞划眼一体化工具的结构示意Fig.1 Structure diagram of the integrated fishing and reaming tool1.筒体；2.花篮套；3.堵头；4.流道管；5.打捞机构；5a.门盖；5b.弹性铰链；5c.翻板；6.硬质合金齿

分水机构由堵头和花篮套组成，堵头位于接头喉口部的台阶上，通过密封圈实现堵头与接头喉口部内壁的密封。花篮套上端与连接钻具的公螺纹下端接触，花篮套压住堵头，并采用平键与堵头连接，防止堵头上行或旋转，以减轻钻井液对流道口和堵头密封圈的冲蚀。花篮套有6 个与对应腔体内壁上6 个流道管相通的长腰形孔，以确保钻井液正常流入流道。

打捞机构由方形门孔、门盖、翻板和铰链组成，其结构如图1（b）所示。翻板通过弹性铰链铰接在门盖的内壁上，直接利用筒体方形门孔的边沿作为门框，翻板从里面安装，大大减小了翻板和门框的变形。翻板采用可钻材料，确保翻板因挤压、扭曲掉落后不影响后续划眼打捞和钻井作业。

划眼用铣齿采用环形切削结构设计，将传统划眼中对垮塌物进行钻磨改变为沿井壁圆周方向对垮塌物直接切削，以增强通井划眼能力。铣齿采用直径10～11 mm 的圆柱形YK25 硬质合金，可以将大直径掉块切削成粒径较小的颗粒，有利于钻井液将小颗粒携带至地面，而粒径较大的颗粒更容易进入打捞筒。

1.2 工作原理

下井前，将打捞划眼一体化工具接在钻杆下部，下钻到遇阻井段后开泵，钻井液到达工具筒体上端时，被喉口部的堵头堵住，钻井液从堵头上部的流道口进入流道管，沿钻井液流道管到达下端面出口高压喷出，在压差作用下，钻井液推开筒体下部的活门返入筒体内腔，同时将切削后的垮塌物携带至筒内，起到打捞的作用；到达筒体内腔上部的钻井液从回流孔流出，起到循环利用的作用。通过旋转钻具，筒体下端的硬质合金齿对遇阻井段进行划眼、切削破碎大径垮塌物，有助于碎物进入筒内和被钻井液携带至地面；可边下钻边划眼，以起到划眼通井修整井壁的作用。

1.3 强度校核及性能参数

1.3.1 强度校核

打捞划眼一体化工具在井下进行大径垮塌物划眼、打捞作业时，需要承受一定的钻压和扭矩，因此需要进行强度校核，确保其强度满足井下复杂工况的需求。采用有限元分析软件ABAQUS 校核打捞划眼一体化工具的结构强度。对打捞划眼一体化工具进行简化，只保留工具的筒体和流道管，建立物理模型。模拟时施加的钻压、扭矩比实际施工时施加的钻压、扭矩大。对打捞划眼一体化工具上端固定，下端施加40 kN 轴向压缩力（钻压）和4 000 N·m周向扭矩，模拟温度120 ℃条件下工具的应力分布。φ203.2 mm 打捞划眼一体化工具应力分布模拟结果如图2 所示。

图 2 φ203.2 mm 打捞划眼一体化工具的应力分布Fig.2 Stress distribution of φ203.2 mm the integrated fishing and reaming tool

从图2 可以看出，φ203.2 mm 打捞划眼一体化工具承受的最大应力在其下部外管壁凹槽侧面，达到329.31 MPa。该工具的材料为4145H 钢，屈服强度为689 MPa，说明打捞划眼一体化工具的强度满足井下复杂工况下的安全要求。

1.3.2 技术参数及特点

φ203.2 mm 打捞划眼一体化工具的最大外径为203.2 mm，总长2.00 m，打捞筒长1.70 m，最大打捞直径140.0 mm，接头采用NC50 扣，适用于φ215.9 mm井眼。

该工具具有以下技术特点：1）可实现井下大径垮塌物划眼、破碎和打捞一体化作业；2）打捞内筒长1.70 m，可一次打捞出井下大量的大径垮塌物；3）现场拆装方便，打捞物容易从工具内取出，可重复入井使用。

2 施工工艺

2.1 划眼、打捞工艺

考虑处理井下复杂情况下划眼作业的特殊性，入井钻具组合为φ203.2 mm 打捞划眼一体化工具+φ165.1 mm 浮阀+φ165.1 mm 钻铤×3 根+φ165.1 mm随钻震击器+φ127.0 mm 加重钻杆×15 根+φ127.0 mm钻杆。下钻过程中需分段循环，下钻至遇阻点或预计遇阻井段，上提钻具使划眼专用工具距遇阻点5.00～6.00 m。根据井下情况合理控制排量，建立循环。划眼过程中控制划眼参数：1）钻压10～20 kN，划眼时冲、划与轻拔相结合；2）适用于φ215.9 mm 井眼的排量为28～30 L/s，控制泵压不超过钻进时的泵压；3）根据转盘或顶驱扭矩的变化及时调整转速，一般划眼转速45～50 r/min，防止憋停转盘或顶驱后释放扭矩造成钻具故障。划眼出现钻压不变、无进尺、泵压升高或扭矩无波动等现象时，说明打捞筒已被垮塌物充满，需起钻取出垮塌物。

2.2 打捞物取出工艺

打捞划眼一体化工具接头端的分水机构和工具下端的打捞机构均可拆卸，不用破坏工具即可方便地取出打捞物。具体操作流程如下：

1）打捞划眼结束后起钻至井口，卸下打捞划眼一体化工具。

2）取出工具接头内腔上部的花篮套，用专用工具取出堵头；拆掉打捞机构的门盖，将门框和翻板取出。

3）将打捞物专用取出工具从打捞划眼一体化工具的母螺纹端放入其内腔，采用榔头敲击打捞物专用取出工具的另一端，将打捞物压出打捞划眼一体化工具的打捞筒。

3 现场应用

打捞划眼一体化处理技术在苏北盆地、海南福山油田等的12 口井进行了现场应用，划眼处理井下大径垮塌物引起的井下复杂情况成功率100%，缩短了井下复杂情况处理时间，取得了良好的效果。下面以TX100 井和H11-5X 井为例介绍具体应用情况。

3.1 TX100 井

TX100 井为苏北盆地的一口预探井，完钻井深3 230.00 m。该井进入E1f4地层后一直沿着断裂带钻进，由于该地层具有水敏性，垮塌严重，且垮塌物尺寸较大。该井在钻至井深2 383.00 m 时，因实钻地层与地质设计结果相差较大，中途电测前通井，通至井深2 100.00 m 附近阻卡严重，倒划眼起出通井钻具组合，下入带牙轮钻头的划眼钻具组合进行划眼，在2 077.00～2 383.00 m 井段划眼困难，共耗时5.26 d，后下入打捞划眼一体化工具进行划眼。

下钻至井深2 033.00 m 遇阻开始划眼，划眼井段2 033.00～2 109.00、2 234.00～2 244.00 和 2 292.00～2 311.00 m，划眼到底循环，短起15 柱后下钻至井深2 053.00 m 再次遇阻，划眼困难，起钻后发现打捞划眼一体化工具打捞筒充满大径垮塌物，划眼耗时0.71 d，打捞出的井下垮塌物最大尺寸20 cm×15 cm×13 cm。再次下入打捞划眼一体化工具进行划眼，下钻至井深2 030.00 m 遇阻，划眼至井深2 033.00 m 后无法继续划眼，起钻发现工具打捞筒充满垮塌物，垮塌物最大尺寸为120 mm×75 mm×55 mm，划眼耗时0.58 d。

TX100 井采用常规工具进行划眼，耗时5.26 d井下仍不能恢复正常，遂采用打捞划眼一体化工具对井下大径垮塌物进行打捞划眼，后下入领眼公锥顺利划眼到底，恢复正常，加快了划眼处理垮塌遇阻的速度。

3.2 H11-5X 井

H11-5X 井是海南福山油田的一口评价井（定向井），完钻井深4 514.01 m。由于设计沿断层破裂带钻进，造成崩塌式垮塌，垮塌物极大，划眼处理难度极大，造成2 次填井侧钻。三开φ215.9 mm 井眼钻至井深3 789.98 m 时发生井下复杂，由于处理难度大，在井深3 602.00 m 处进行第一次侧钻，侧钻至井深3 785.96 m再次发生井下复杂，使用牙轮钻头、反循环打捞篮和领眼公锥进行划眼，但划眼非常困难，耗时27 d才划眼至井深3 776.40 m。观察分析反循环打捞篮打捞出的井下垮塌物，发现井下垮塌物硬且大，于是下入打捞划眼一体化工具破碎、打捞井下垮塌物。

第一次划眼打捞时，打捞划眼一体化工具下至井深3 774.50 m 阻，划眼至及井深3 778.60 m，憋转盘，泵压不变，起钻发现工具打捞筒充满垮塌物，垮塌物最大尺寸为20 cm×11 cm×14 cm。随后，又4 次下入打捞划眼一体化工具划眼打捞，打捞筒内均充满垮塌物。1.70 m 长的打捞筒两端是25～30 cm 的岩块，中间是6～10 cm 的碎块，累计打捞出0.14 m3的垮塌物。该井采用打捞划眼一体化专用工具对井下大径垮塌物进行破碎打捞，仅用时6 d 就划眼至井深3 781.16 m。通过分析打捞出的垮塌物，认为该井钻遇了层理性断层，设计的侧钻位置和第一次侧钻位置均为断层破裂带，于是决定再次填井从井深1 350.00 m 侧钻，顺利钻至设计层位。