南海大位移水平井中新型巖屑床破壞器的應用

左 坤 張偉國 覃建宇 張 強 金 勇

中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067

0 前言

隨著國內勘探開發力度的加大,諸多復雜結構井如大斜度井、水平井和大位移井被廣泛應用于油氣開采[1]。然而在這些復雜結構井鉆井過程中,環空上返的巖屑容易在大斜度井段和水平井段沉降堆積,逐漸形成巖屑床,難以被攜帶清除出井眼,造成鉆具托壓、摩阻扭矩增大,影響機械鉆速,有時會出現憋泵現象,嚴重時會導致卡鉆事故的發生,給井下安全和作業效率帶來極大威脅[2-5]。針對這些問題,學者研究提出采取提高鉆井液環空返速等改變鉆井工藝參數與調整鉆井液性能的方法來清除井眼巖屑[6-11],然而實踐證明單靠這些方法并不能有效改善井眼的清潔狀況,且容易受到現場作業限制。后來學者改變思路,通過研制設計井下工具來破壞巖屑床達到清除井眼巖屑的目的,取得了一些進展[12-19]。本文通過設計研究提出了一種新型巖屑床破壞器,并在南海大位移水平井中多次應用,對破壞和清除巖屑有比較明顯的作用和效果。

1 新型巖屑床破壞器結構設計及原理

1.1 結構設計

新型巖屑床破壞器是在普通鉆桿或加重鉆桿的本體外部設計三組變截面變螺距的螺旋結構并通過一體化加工而成。每組螺旋結構均由上部扶正攜帶區和下部流動清潔區構成,扶正攜帶區螺旋槽的螺旋角和外徑都要略大于流動清潔區的螺旋角與外徑,且螺旋槽葉片外端鑲嵌有硬質合金耐磨片,與井壁接觸，起扶正擾動作用的同時防止螺旋槽過快磨損,流動清潔區螺旋槽的負邊緣角與正邊緣角能夠為環空上返的鉆井液提供動力和導向力,見圖1。巖屑床破壞器運用新型熱處理工藝來改善材料特性,保持高強度的同時又有高韌性,既能有效破壞清除井底巖屑又不至于過分清刮破壞井壁。

圖1 新型巖屑床破壞器螺旋結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of spiral structure of cuttings bed remover

1.2 工作原理

1)機械挖掘清刮。新型巖屑床破壞器的螺旋槽葉片外徑較大,隨著鉆具的旋轉,葉片的負邊緣角能夠產生機械挖掘作用,破壞清刮井壁低邊的巖屑床,并通過旋轉將挖掘起來的巖屑攪動至螺旋槽的高速流道內,從而攜帶返出井口。

2)營造渦流。每組螺旋結構上下兩部分螺旋槽的螺旋角、螺距和外徑不同,在流道內產生比較強烈的渦流效應,提高鉆井液的擾動能力,不斷破壞和侵蝕井眼巖屑床,將巖屑攜帶流動起來。同時,螺旋槽流道過流面不同,靠近螺旋槽軸線過流面窄,流速較高,壓力較低,相反螺旋槽外側流速較低,壓力較高,從而產生渦流吸附效應,將擾動的巖屑吸附在內側高速流動區,進而攜帶返出井口。

1.3 技術參數

新型巖屑床破壞器設計長度一般為9.40 m左右,能夠與常規鉆具組合成單根立柱立于井架,便于海上現場作業,見圖2。新型巖屑床破壞器主要技術參數見表1。

圖2 新型巖屑床破壞器技術參數圖Fig.2 Technical parameters diagram of new cuttings bed remover

2 新型巖屑床破壞器安放位置分析

單根巖屑床破壞器的設計長度有限，決定了其破壞清除巖屑的作用區域有限,因此,在一口井的作業中往往需要多根巖屑床破壞器協同配合使用,才能充分發揮其破壞清除巖屑的作用,將巖屑從井底攜帶上返出井口。在大位移水平井中,由于大斜度井段和水平井段總體較長,更需要多根巖屑床破壞器聯合使用。因而需要對巖屑床破壞器在鉆具中的安放位置進行分析和計算。

研究學者Moore基于大量鉆井現場數據,以垂直井眼中巖屑顆粒在環空液體中滑落為模型提出了巖屑顆?；渌俣扔嬎惴椒?然而在水平井眼中運用此模型顯然不合適。后來有學者根據Moore計算模型,考慮水平井眼中巖屑顆?；鋾r不斷碰撞和交換的影響,通過試驗和流場模擬分析進行修正,提出了一種水平井眼中巖屑顆粒運移計算模型[20]。

通過該模型可以計算出水平井眼中巖屑顆粒在不受干擾狀態下最大運移距離,分析可知只要在巖屑顆?；湎鲁劣诰诘瓦呏巴ㄟ^人為干擾放置巖屑床破壞器,可以讓巖屑顆粒繼續運移上返,即安放巖屑床破壞器的位置間距就是巖屑顆粒最大運移距離,見圖3。

因此,巖屑床破壞器在鉆具中安放位置間距計算如下:

(1)

3 現場應用

3.1 應用背景

南海東部某油田油藏埋深淺,側鉆開發儲層時受到平臺位置限制,大多采用大位移水平井的方式開采。該油田同一構造區塊上側鉆A、B兩口鄰井,均為大位移水平井,水垂比在3～4之間,水平段長在800～1 000 m之間,311.15 mm井眼都為大斜度長穩斜段,鉆井液均為氯化鉀聚合物體系,底部鉆具組合都使用同一家公司的旋轉導向工具,該井段井史資料見表2?，F場使用巖屑床破壞器照片見圖4。

根據前面理論模型計算A井巖屑床破壞器安放位置間距,并結合該井實際情況,最終確定了A井巖屑床破壞器在鉆具中的安放位置和數量,即鉆具組合中1號巖屑床破壞器距離鉆頭62.8 m,1號與2號間隔13根鉆桿(約123.5 m),之后每14根鉆桿(約133 m)安放1根巖屑床破壞器,共計6根。

3.2 應用效果

3.2.1 巖屑返出情況

A、B兩口井311.15 mm井段鉆遇地層巖性基本都為泥巖,返出巖屑多為細碎分散稀糊狀。在斜深2 000～2 400 m鉆進井段長度下,觀察和收集這兩口井在振動篩處環空巖屑的返出量。對比發現A井巖屑返出量明顯比B井返出量多,經測量A井返出量為B井返出量3.2倍,見圖5?？梢?巖屑床破壞器對破壞清除和攜帶井底巖屑有比較明顯的效果。

3.2.2 鉆具托壓情況

由于環空巖屑堆積的影響,A、B兩口大位移水平井在311.15 mm井段鉆井過程中都出現了不同程度的鉆具托壓現象。通過現場統計發現,A井在斜深2 814.77 m處首次出現鉆具托壓,而B井首次出現鉆具托壓時的斜深為2 054.35 m,使用巖屑床破壞器后首次出現鉆具托壓現象的井深變深。在斜深2 850～3 540 m間,A井共出現71次鉆具托壓,B井共出現80次鉆具托壓,使用巖屑床破壞器后鉆具托壓出現的次數也有所減少。

如圖6所示,A井在斜深2 850～3 550 m鉆進時過托壓點的鉆壓基本分布在45～120 kN之間,過托壓點鉆壓與正常鉆進鉆壓的差值基本在10～55 kN之間;而B井在相應井深鉆進時過托壓點的鉆壓大多分布在90～180 kN之間,過托壓點鉆壓與正常鉆進鉆壓的差值基本在40～100 kN之間?？梢?使用巖屑床破壞器之后過托壓點鉆壓差值是沒有使用時的30%～40%,鉆具托壓程度明顯得到改善。

3.2.3 井底ECD值情況

A、B兩口井在斜深2 000～2 500 m鉆井時井底當量循環密度(Equivalent Circulatin Density，ECD)值見圖7。A井ECD值在1.22～1.28之間,而B井井底ECD值在1.26～1.35之間?？梢钥闯?使用巖屑床破壞器后A井井底ECD值明顯降低,說明巖屑床破壞器能夠有效清除井眼巖屑,改善井眼清潔狀況。

4 結論

1)針對南海大位移水平井鉆井過程中上返巖屑容易在大斜度井段形成巖屑床,造成鉆具托壓、摩阻扭矩增大等問題,設計研發了一種新型巖屑床破壞器。該工具通過機械挖掘清刮和營造渦流雙重作用能有效破壞清除井眼底邊巖屑,改善井眼清潔狀況。

2)鉆井作業中巖屑床破壞器需要多根配合使用,才能充分發揮其破壞清除巖屑的作用。分析了巖屑床破壞器在鉆具組合中的安放位置,為鉆井施工提供了理論依據。

3)巖屑床破壞器在南海東部某油田大位移水平井中應用并且效果明顯,可大幅提高巖屑返出量;鉆具托壓出現次數減少，首次出現托壓的井深變深，托壓程度改善;明顯降低了過托壓點鉆壓差值和井底ECD值。