大斜度井岩屑床清除工具研制与应用

2022-09-29李博

西部探矿工程 2022年9期

李博

(大庆钻探钻井工程技术研究院, 黑龙江大庆 163413)

1 概述

大斜度井钻井过程中, 岩屑易在井斜较大井段堆积形成岩屑床, 导致摩阻增大, 井下卡钻风险增加, 一口井的清洁状况直接影响井身质量、钻井速度, 进而影响钻井经济效益[1-2]。本文针对大位移井岩屑床的形成机理及岩屑床在不同井段形成特点进行了研究分析。为解决岩屑床形成在钻井过程中产生的影响, 研制了岩屑床清除工具, 该工具采用水力和机械的作用方式已达到有效清除岩屑床。

2 岩屑床形成分析

钻井过程中, 岩屑随着钻井液循环被携带出井筒, 在大斜度钻井施工中, 井斜达到一定角度时, 岩屑在环空中的下滑速度随着井斜角的增加而增大, 当下滑速度大于岩屑的上返速度时, 岩屑会沉积在井眼的底边形成岩屑床, 从而引起钻进摩阻增大、卡钻等井下复杂情况的发生。

大斜度井井斜角的大小是形成岩屑床的重要因素, 根据井斜角的大小分为3种情况来分析岩屑床的形成, 当井斜角处于0°～40°时, 钻柱基本情况下是居中的, 岩屑附着于钻井液处于上返状态, 一般很少形成岩屑床；当井斜角处于40°～60°之间时, 钻柱由于重力作用靠近井筒底边, 钻柱与井壁之间的间隙变小, 钻井液的剪切速率增大, 导致携岩能力降低, 形成岩屑床堆积, 同时在停泵接单根过程中, 上部岩屑由于重力的作用滑落至此井段, 更增加了此井段岩屑床堆积的厚度, 形成不稳定的岩屑床；当井斜角处于60°～90°之间时, 钻井液的轴向速度分量急剧降低, 环空中的岩屑既不能被钻井液携带返出井口, 又被钻具碾压成细颗粒进一步被压实, 形成稳定岩屑床。

3 岩屑床清除工具研制

单纯依靠水力参数优化和工艺来解决岩屑床问题在现场应用中存在一定局限性[3-4], 采用主动方式清除岩屑床是一种有效的手段。根据岩屑床形成机理的分析, 研制了新型的水力和机械双作用岩屑床清除工具。

3.1 工具结构

岩屑床清除工具采用一体化加工, 没有活动部件, 安全可靠。工具中部设计有3段螺旋结构, 前端和后端分别设计2个不同旋向的螺旋翼, 前端螺旋翼可将胶结在一起的岩屑打碎, 并通过螺旋运送至后端反向螺旋翼处进行二次粉碎, 岩屑粒径变得更小, 小颗粒岩屑在周向螺旋力的作用下运移至环空高边处, 随液流返出。中间采用V型槽螺旋翼设计, 改变底边区域钻井液流场特性, 提高返砂效率, 结构图见图1。

该岩屑床清除工具适用于∅215.9mm井眼, 工具本体外径∅165mm, 螺旋翼外径∅172mm, 工具长度1550mm, 前后端螺旋翼棱数为5, V型槽螺旋翼棱数为6。

3.2 工作原理

大斜度井复合钻进时, 工具前后螺旋翼随钻柱旋转形成机械搅拌, 将井眼低边沉积胶结在一起的岩屑床粉碎, 变成小颗粒岩屑被抛向高边随主液流返出地面。定向钻进时, 钻柱不旋转, 钻井液流经V型槽螺旋翼, 流态由层流变为紊流, 破坏岩屑静止状态, 将低边沉积岩屑冲刷运移到环空高边处, 岩屑随液流返出。

4 现场试验情况

试验X井是一口中浅层水平井, 三开为215.9mm井眼, 设计井深3082m, 设计垂深1832.13m, 水平段长950m, 钻井液密度1.35g/cm3, 钻柱为∅127mm钻杆, 本次试验使用2只岩屑床清除工具, 根据工具间隔距离计算公式：

式中：α——工具的携带因子,α=1～2；

β——加速因子,β=1～2；

θ——井斜角；

Dh——环空直径；

vh——环空返速；

vkx——岩屑在井筒中的滑落速[5]。

得出2只岩屑床清除工具间隔距离为143.3m, 根据岩屑床形成机理的研究, 将第1只工具初始安放在井斜30°位置, 距钻头293.6m, 钻具组合：

∅215.9mm钻头+∅172mm螺杆+∅172mm浮阀+∅172mm LWD+∅165mm无磁钻铤×1根+∅127.0mm加重钻杆×3柱+∅127.0mm斜坡钻杆×6柱+∅172mm岩屑床清除器+∅127.0mm斜坡钻杆×5柱+∅172mm岩屑床清除器+∅127.0mm加重钻杆×6柱+∅127.0mm钻杆。

为检验使用工具消除岩屑床效果, 收集未使用工具和使用工具后岩屑返出量进行对比, 在同等工况和相同采集时间条件下, 对未使用工具和使用工具后岩屑返出量进行了3组数据采集。使用岩屑床清除工具前岩屑平均返出量为2.73kg, 使用后岩屑平均返出量为4.03kg, 对比使用工具前岩屑返出量增加47.6%, 采集数据见表1。

表1 使用岩屑床清除工具前后岩屑返出量

试验X井使用岩屑床清除工具施工井段2554～3082m, 进尺528m, 钻进平均摩阻26kN, 摩阻降低42.3%, 平均机械钻速8.89m/h, 钻速提高33.6%, 具体数据见表2。使用岩屑床清除工具钻进过程中, 进行3次短起下操作, 完钻后进行2次通井作业, 起下钻过程均无遇阻和粘卡显示, 完钻后下套管作业顺利, 未发生遇阻。