机械法岩屑清除技术在渤中某区块的应用

沈元波，和鹏飞，徐彤

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 （天津 300452）

海上油田开发主要采用集中井槽丛式井技术，因此以井槽平台为单点辐射整个油田区块的井网布置，必然有较多的大斜度井出现。在开发井型方面，渤海油田采用水平井和大斜度井以增大泄油面积［1-2］。而在大斜度井和水平井钻井作业中，当井斜角超过临界值时，井眼底边便会因岩屑堆积而形成岩屑床。岩屑床的清除是目前大斜度井、水平井的作业难点，普遍采用的是通过调整钻井液性能，利用水力清除，但水力效果较为局限，不能实现预期目的［3-4］。

1 岩屑床的清除难点与特点

岩屑床是钻井过程中在特定井段无法避免产生的岩屑堆积问题，最明显的将导致井筒中钻具环空固相含量增加、影响钻井液性能的稳定，岩屑床形成后容易因扰动而出现局部堆积，钻进过程中摩阻明显增大、钻进扭矩偏高，即便调整钻井液润滑性也无明显改善；不能实现正常的直接起下钻，钻具悬重和钻压失真问题突出；停泵后井眼中岩屑下沉形成台阶或砂桥造成砂卡或黏卡，使下套管、固井作业困难；即便多次通井、泵入高低比重、高低黏度段塞仍无有效改善；套管下入到位后，由于环空间隙变小，更易导致循环不畅；固井之后水泥封固质量也不能达到预期效果。

海上钻井对于岩屑床的处理一般是选择定期或适时进行短起下钻，配以划眼和适当的增大泵排量循环，既影响了钻进速度，浪费了时间，又增加了钻井成本，且此类针对岩屑床的处理方法并不能有效的清除岩屑床。表1为渤海A区块已钻井的复杂情况概述，该区域已钻井达上百口，水平井占50%、大斜度井占20%，但水平井同样存在大斜度井段，因此这70%的比率效果一致，在钻井过程中，由于岩屑床的存在导致作业效率低，部分井出现了倒划眼一柱用时10 h以上的现象，出现憋泵耗费较长时间处理畅通，大排量循环一般返出大量混杂岩屑，从返出情况可以排除井塌确定为岩屑堆积问题［5-6］。

在传统方法的基础上，渤海油田研究并开发了岩屑床清除工具，通过在岩屑床清除工具本体上布置特殊的螺旋槽道结构，利用槽道结构的搅动提高岩屑携带的能力以实现清除岩屑床，有效地解决定向井、大斜度井和水平井钻井作业中的岩屑床堆积问题，大大降低钻井作业风险。

表1 渤海A区块的已钻井复杂情况统计

2 岩屑床清除工具的组成和原理

2.1 结构组成

岩屑床清除工具技术参数见表2，结构如图1所示，其主要由工具本体和岩屑床清除部件组成。在正常钻井作业中，岩屑床破坏器可直接连接于钻具组合，工具随钻柱旋转，传递扭矩，同时，螺旋支撑棱松动岩屑床，经螺旋棱搅拌，使岩屑由井眼低边进入具有较高流速的环空高边，重新进入钻井液循环，同时螺旋流道使流体发生弯曲，产生螺旋紊流，提高钻井液携带岩屑的能力［7-8］。

表2 岩屑床清除工具技术参数

图1 岩屑床清除工具的结构组成

2.2 工作原理

岩屑床破坏器钻井工具在钻井过程中通过机械破坏、改变局部流场、制造局部紊流原理，可以有效地破坏清除已形成的岩屑床，并避免形成新的岩屑床。

1）机械挖掘作用和压力吸附双作用。采用螺旋槽道设计，利用过流截面积的改变来改变钻井液的流场特征，通过螺旋结构和流体动力搅动井壁下段的岩屑床岩屑，使岩屑脱离井壁低流速区域。螺旋槽道段相比钻杆本体具有更大的截面积（钻杆本体外径139.7 mm，螺旋槽道外径190.5 mm，接头外径184.2 mm）。图2是螺旋槽道的结构。

图2 螺旋槽道结构

2）机械传动力。通过井筒环空钻井液流场分析（图3），岩屑床清洁工具的螺旋体可以带动钻井液产生轴向和横向的传动，将一部分钻具的机械能转化为钻井液的轴向和横向复合加速力，产生机械传动效果。

图3 环空流体的流线分布图

3）岩屑的循环推动作用。岩屑颗粒在排屑槽内部向井口运送的过程中会沿顺时针 （视线方向为从井口指向钻头）滑动，形成了循环往复。在循环过程中旋转作用使岩屑颗粒的切向和轴向速度增加，提高岩屑传输效率，如图4所示。

图4 循环推动作用示意图

3 应用与实践

该工具在渤海A区块使用量较大，且处于推广、扩展应用阶段。以其中具有代表性的某37井为例进行应用说明。

3.1 定向井轨迹

某37井为一口大斜度井，定向井数据见表3，最大井斜69°，其中50°以上井斜井段达1 400 m。

表3 某37井定向井轨迹数据

3.2 地层特征

该井的主要目的层位于东营组，自上而下依次揭开平原组、明化镇组、馆陶组和东营组。其中明化镇组主要是浅灰色细砂岩和绿灰色泥岩，馆陶组主要是细砂岩和含砾细砂岩、中下部为中砂岩及砂砾岩，东营组上部为浅灰色泥岩及粉砂、细砂岩、下部为巨厚褐灰色及灰色泥岩［9］。

3.3 岩屑床清除工具的使用井段

1 835 m起钻，更换钻具组合时在钻柱中加入岩屑床清除工具，累计进尺323 m，钻进井段井斜均大于 55°。

3.4 加放位置及钻具组合

1）使用前的钻具组合：Φ311.1 mmPDC钻头+Φ244.5 mm 螺杆马达（1.15°单弯角）+Φ203.2 mm 浮阀接头+Φ292.1 mm稳定器+Φ203.2 mm无磁钻铤+Φ203.2 mmMWD+Φ203.2 mm 无 磁 钻 铤+Φ203.2 mm随钻震击器+变扣接头+Φ139.7 mm加重钻杆×14 根［10］。

2）加入清除工具时的钻具组合：Φ311.1 mmPDC钻头+Φ244.5 mm 螺杆马达（1.15°单弯角）+Φ203.2 mm浮阀接头+Φ298.5 mm稳定器+Φ203.2 mm无磁钻 铤 +Φ203.2 mmMWD+Φ203.2 mm 无 磁 钻 铤 +Φ203.2 mm随钻震击器+变扣接头+Φ139.7 mm加重钻杆×14根+1#岩屑床清除工具+Φ139.7 mm钻杆×12根+2#岩屑床清除工具+Φ139.7 mm钻杆×12根+3#岩屑床破坏器。

4 效果分析

4.1 钻进参数对比分析

在表4中，通过该井上部井段（未使用岩屑床清除工具）与下部井段（使用岩屑床清除工具）进行了对比分析。在下部井段（1 835 m）下入岩屑床破坏器之后，因井深及排量升高，泵压升高，但钻井扭矩降低并趋于平稳，说明岩屑床破坏器通过破坏岩屑床，减小钻柱与井壁之间的摩阻，降低扭矩。在使用岩屑床破坏器之后振动筛处岩屑返出明显增加，说明岩屑床清除工具有效清除沉积在井眼底边的岩屑床。

4.2 倒划眼效果对比

图5为本井在倒划眼短起钻过程中的录井曲线，对应起钻深度是1 800 m前后，即使用岩屑床清除工具的井段。倒划眼速度基本维持在正常速度，即10 min左右一柱，但如表1统计，前期已钻井倒划眼极为困难，每柱快约0.5 h，每柱慢4～5 h，频繁憋压、蹩扭矩。

表4 钻井参数统计表

图5 倒划眼短起钻录井图

5 结论

1）针对大斜度井、水平井作业量逐步增加的情况，单纯依靠水力携岩效果不足以解决岩屑床问题。通过机械式岩屑床清除工具的应用，在一定程度上辅助解决了岩屑床的清除问题。

2）通过使用岩屑床清除工具，以某37井为例的井眼清洁情况较好，钻井参数、倒划眼速度等均与未使用前有了较大改善。

3）目前该工具仍处于逐步推广应用阶段，需要在多口井做使用效果的对比分析，以此为基础进一步优化工具加放位置、加放量的设计，以最大化发挥效果。

摄影/范明