南海大位移水平井中新型岩屑床破坏器的应用

左 坤 张伟国 覃建宇 张 强 金 勇

中海石油(中国)有限公司深圳分公司, 广东 深圳 518067

0 前言

随着国内勘探开发力度的加大,诸多复杂结构井如大斜度井、水平井和大位移井被广泛应用于油气开采[1]。然而在这些复杂结构井钻井过程中,环空上返的岩屑容易在大斜度井段和水平井段沉降堆积,逐渐形成岩屑床,难以被携带清除出井眼,造成钻具托压、摩阻扭矩增大,影响机械钻速,有时会出现憋泵现象,严重时会导致卡钻事故的发生,给井下安全和作业效率带来极大威胁[2-5]。针对这些问题,学者研究提出采取提高钻井液环空返速等改变钻井工艺参数与调整钻井液性能的方法来清除井眼岩屑[6-11],然而实践证明单靠这些方法并不能有效改善井眼的清洁状况,且容易受到现场作业限制。后来学者改变思路,通过研制设计井下工具来破坏岩屑床达到清除井眼岩屑的目的,取得了一些进展[12-19]。本文通过设计研究提出了一种新型岩屑床破坏器,并在南海大位移水平井中多次应用,对破坏和清除岩屑有比较明显的作用和效果。

1 新型岩屑床破坏器结构设计及原理

1.1 结构设计

新型岩屑床破坏器是在普通钻杆或加重钻杆的本体外部设计三组变截面变螺距的螺旋结构并通过一体化加工而成。每组螺旋结构均由上部扶正携带区和下部流动清洁区构成,扶正携带区螺旋槽的螺旋角和外径都要略大于流动清洁区的螺旋角与外径,且螺旋槽叶片外端镶嵌有硬质合金耐磨片,与井壁接触，起扶正扰动作用的同时防止螺旋槽过快磨损,流动清洁区螺旋槽的负边缘角与正边缘角能够为环空上返的钻井液提供动力和导向力,见图1。岩屑床破坏器运用新型热处理工艺来改善材料特性,保持高强度的同时又有高韧性,既能有效破坏清除井底岩屑又不至于过分清刮破坏井壁。

图1 新型岩屑床破坏器螺旋结构示意图Fig.1 Schematic diagram of spiral structure of cuttings bed remover

1.2 工作原理

1)机械挖掘清刮。新型岩屑床破坏器的螺旋槽叶片外径较大,随着钻具的旋转,叶片的负边缘角能够产生机械挖掘作用,破坏清刮井壁低边的岩屑床,并通过旋转将挖掘起来的岩屑搅动至螺旋槽的高速流道内,从而携带返出井口。

2)营造涡流。每组螺旋结构上下两部分螺旋槽的螺旋角、螺距和外径不同,在流道内产生比较强烈的涡流效应,提高钻井液的扰动能力,不断破坏和侵蚀井眼岩屑床,将岩屑携带流动起来。同时,螺旋槽流道过流面不同,靠近螺旋槽轴线过流面窄,流速较高,压力较低,相反螺旋槽外侧流速较低,压力较高,从而产生涡流吸附效应,将扰动的岩屑吸附在内侧高速流动区,进而携带返出井口。

1.3 技术参数

新型岩屑床破坏器设计长度一般为9.40 m左右,能够与常规钻具组合成单根立柱立于井架,便于海上现场作业,见图2。新型岩屑床破坏器主要技术参数见表1。

图2 新型岩屑床破坏器技术参数图Fig.2 Technical parameters diagram of new cuttings bed remover

2 新型岩屑床破坏器安放位置分析

单根岩屑床破坏器的设计长度有限，决定了其破坏清除岩屑的作用区域有限,因此,在一口井的作业中往往需要多根岩屑床破坏器协同配合使用,才能充分发挥其破坏清除岩屑的作用,将岩屑从井底携带上返出井口。在大位移水平井中,由于大斜度井段和水平井段总体较长,更需要多根岩屑床破坏器联合使用。因而需要对岩屑床破坏器在钻具中的安放位置进行分析和计算。

研究学者Moore基于大量钻井现场数据,以垂直井眼中岩屑颗粒在环空液体中滑落为模型提出了岩屑颗粒滑落速度计算方法,然而在水平井眼中运用此模型显然不合适。后来有学者根据Moore计算模型,考虑水平井眼中岩屑颗粒滑落时不断碰撞和交换的影响,通过试验和流场模拟分析进行修正,提出了一种水平井眼中岩屑颗粒运移计算模型[20]。

通过该模型可以计算出水平井眼中岩屑颗粒在不受干扰状态下最大运移距离,分析可知只要在岩屑颗粒滑落下沉于井壁低边之前通过人为干扰放置岩屑床破坏器,可以让岩屑颗粒继续运移上返,即安放岩屑床破坏器的位置间距就是岩屑颗粒最大运移距离,见图3。

因此,岩屑床破坏器在钻具中安放位置间距计算如下:

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3 现场应用

3.1 应用背景

南海东部某油田油藏埋深浅,侧钻开发储层时受到平台位置限制,大多采用大位移水平井的方式开采。该油田同一构造区块上侧钻A、B两口邻井,均为大位移水平井,水垂比在3～4之间,水平段长在800～1 000 m之间,311.15 mm井眼都为大斜度长稳斜段,钻井液均为氯化钾聚合物体系,底部钻具组合都使用同一家公司的旋转导向工具,该井段井史资料见表2。现场使用岩屑床破坏器照片见图4。

根据前面理论模型计算A井岩屑床破坏器安放位置间距,并结合该井实际情况,最终确定了A井岩屑床破坏器在钻具中的安放位置和数量,即钻具组合中1号岩屑床破坏器距离钻头62.8 m,1号与2号间隔13根钻杆(约123.5 m),之后每14根钻杆(约133 m)安放1根岩屑床破坏器,共计6根。

3.2 应用效果

3.2.1 岩屑返出情况

A、B两口井311.15 mm井段钻遇地层岩性基本都为泥岩,返出岩屑多为细碎分散稀糊状。在斜深2 000～2 400 m钻进井段长度下,观察和收集这两口井在振动筛处环空岩屑的返出量。对比发现A井岩屑返出量明显比B井返出量多,经测量A井返出量为B井返出量3.2倍,见图5。可见,岩屑床破坏器对破坏清除和携带井底岩屑有比较明显的效果。

3.2.2 钻具托压情况

由于环空岩屑堆积的影响,A、B两口大位移水平井在311.15 mm井段钻井过程中都出现了不同程度的钻具托压现象。通过现场统计发现,A井在斜深2 814.77 m处首次出现钻具托压,而B井首次出现钻具托压时的斜深为2 054.35 m,使用岩屑床破坏器后首次出现钻具托压现象的井深变深。在斜深2 850～3 540 m间,A井共出现71次钻具托压,B井共出现80次钻具托压,使用岩屑床破坏器后钻具托压出现的次数也有所减少。

如图6所示,A井在斜深2 850～3 550 m钻进时过托压点的钻压基本分布在45～120 kN之间,过托压点钻压与正常钻进钻压的差值基本在10～55 kN之间;而B井在相应井深钻进时过托压点的钻压大多分布在90～180 kN之间,过托压点钻压与正常钻进钻压的差值基本在40～100 kN之间。可见,使用岩屑床破坏器之后过托压点钻压差值是没有使用时的30%～40%,钻具托压程度明显得到改善。

3.2.3 井底ECD值情况

A、B两口井在斜深2 000～2 500 m钻井时井底当量循环密度(Equivalent Circulatin Density，ECD)值见图7。A井ECD值在1.22～1.28之间,而B井井底ECD值在1.26～1.35之间。可以看出,使用岩屑床破坏器后A井井底ECD值明显降低,说明岩屑床破坏器能够有效清除井眼岩屑,改善井眼清洁状况。

4 结论

1)针对南海大位移水平井钻井过程中上返岩屑容易在大斜度井段形成岩屑床,造成钻具托压、摩阻扭矩增大等问题,设计研发了一种新型岩屑床破坏器。该工具通过机械挖掘清刮和营造涡流双重作用能有效破坏清除井眼底边岩屑,改善井眼清洁状况。

2)钻井作业中岩屑床破坏器需要多根配合使用,才能充分发挥其破坏清除岩屑的作用。分析了岩屑床破坏器在钻具组合中的安放位置,为钻井施工提供了理论依据。

3)岩屑床破坏器在南海东部某油田大位移水平井中应用并且效果明显,可大幅提高岩屑返出量;钻具托压出现次数减少，首次出现托压的井深变深，托压程度改善;明显降低了过托压点钻压差值和井底ECD值。