清除器在海洋大位移鉆井中的應(yīng)用范文

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摘要：大位移井中井眼清潔對鉆井安全至關(guān)重要。分析了影響大位移井巖屑床形成機理和影響因素，提出一種高效工具——巖屑床清除器，它不僅能夠防止巖屑床的形成，而且對形成的巖屑床可以及時清除和破壞，具有水力和機械雙作用破壞。

關(guān)鍵詞：大位移井；井眼清潔；鉆井安全；巖屑床；清除器；湍流

在大位移井鉆井過程中，由于穩(wěn)斜角大、穩(wěn)斜段長，巖屑很容易在井眼低邊沉積形成穩(wěn)定的巖屑床且不易被清除。巖屑床的存在很容易導(dǎo)致井下復(fù)雜情況和井下事故。基于巖屑床的形成機理，鉆井前輩們圍繞如何避免或及時清除巖屑床做了大量的實驗和實踐，也取得了很多成效。本文主要從巖屑床清除器工作原理、工具優(yōu)選、鉆具組合優(yōu)化計算、使用效果等方面進行介紹。

1巖屑床形成機理

鉆井液攜帶巖屑的能力直接取決于穩(wěn)斜角、穩(wěn)斜段長度等。隨著井斜角的增大，鉆井液攜帶巖屑的能力下降。井斜角0°~30°，由于其井斜較小，巖屑顆粒沉降距離長，沉降時間長，沉降速度軸向分量大、徑向分量小，井眼低邊巖屑不穩(wěn)定，因此鉆井液攜巖并不困難，提高排量和轉(zhuǎn)速，環(huán)空中的巖屑很難在低邊堆積，不會形成巖屑床。井斜角增大至30°~60°，巖屑沉降距離和沉降時間都有所縮短，巖屑徑向滑落速度與軸向滑落速度相當(dāng)，尤其井斜角為40°~50°井段內(nèi)，巖屑容易發(fā)生垂沉現(xiàn)象從而在下井壁形成不穩(wěn)定巖屑床，該井段是井眼清潔的危險區(qū)。研究表明，該井段停泵時巖屑容易滑落造成堵塞環(huán)空或卡鉆等井下事故。井斜角進一步增大超過巖屑休止角（休止角只與鉆具和井壁之間的摩擦系數(shù)有關(guān)，一般在60°~90°），巖屑徑向速度大，軸向沉降時間減少，巖屑極易沉積在井眼低邊形成穩(wěn)定的巖屑床，且不易被清除，隨著時間增加巖屑床厚度會越積越厚。

休止角是指停泵停轉(zhuǎn)情況下沿井眼方向巖屑重力和浮力合力的分量與靜摩擦力相等時的井斜角度，當(dāng)井斜角小于此角度時可以認為巖屑是不穩(wěn)定的，即使形成巖屑床也是不穩(wěn)定巖屑床，當(dāng)井斜角超過此角度時可以認為巖屑是穩(wěn)定的，沒有外力作用巖屑是不會向下移動的，很容易形成穩(wěn)定巖屑床。巖屑床清除器是帶有刮槽的、具有清潔作用的鉆桿，每根有三螺旋，每個螺旋分兩段不同的螺旋導(dǎo)程，分別為攜巖段和清潔段，其中攜巖段主要是攜帶巖屑上返井口的作用，清潔段主要是切屑、破壞井底低邊巖屑床的作用；清潔段α邊可以將井底低邊巖屑床挖起，通過管柱的旋轉(zhuǎn)將他們攪動至流核區(qū)，鉆井液中的巖屑顆粒因渦流效應(yīng)會被吸附到槽道內(nèi)，然后運送至井口。鉆井過程中，將巖屑床清除器安放在鉆具合適的位置，清除器隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。通過軟件模擬，工具在槽道中可以形成渦流：α邊壓力梯度高、β邊壓力梯度低，通過兩端壓力梯度差，槽道內(nèi)形成強烈渦流，吸附巖屑隨槽道返至井口。Puymbroeck等認為該工具清潔段凹槽經(jīng)過特殊設(shè)計能夠嵌入巖屑床中，隨著鉆柱轉(zhuǎn)動產(chǎn)生“挖掘”作用，將巖屑帶出巖屑床，并且?guī)r屑在Couette效應(yīng)和鉆桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下被舉升到高流速區(qū)域，巖屑在重新下落到低邊前就能被運移更遠的距離，從而提高井眼清潔效率。據(jù)統(tǒng)計，該工具已在陸上和海上大位移井中應(yīng)用了500余井次，與類似井相比，ø311.15mm井眼使用該工具后，巖屑指數(shù)提高了14%，循環(huán)時間減少了52%，劃眼時間減少了75%，磨阻降低了60%。

2安放設(shè)計

2.1基本資料

以海洋某大位移井ø311.15mm井眼為例，該井設(shè)計井深3881m（垂深2109.92m），ø311.15mm井眼1622m到3775m，最大井斜88.73°，3379m到3858m為井斜角大于75°井段，使用landmark軟件按照參數(shù)計算，鉆井過程中固相含量約3.55%，巖屑床厚度約12.85mm，需考慮巖屑床清除措施。

2.2不同巖屑床清除器不同安放位置水力摩阻計算

加入間隔不同的巖屑床清除器（6根），使用Landmark模擬計算扭矩及水力參數(shù)。從數(shù)據(jù)上看，由于環(huán)空面積較大，巖屑床厚度小、長度短安裝巖屑床清除器后井底ECD變化不明顯，安裝巖屑床清除器后泵壓、扭矩變化不明顯，其中隔5柱的泵壓最低、扭矩最低，顯示其井眼清潔效果最好。推薦安放方式：底部鉆具組合之上每隔5柱安放一根巖屑床清除器，總計安放6根。原鉆具組合：ø311.15mmPDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+LWD+MWD+ø203.2mm無磁鉆鋌+配合接頭+9根ø149.225mm加重鉆桿+配合接頭+劃眼器+ø203.2mm震擊器+配合接頭+2根ø149.225mm加重鉆桿+巖屑床清除器+ø149.225mm鉆桿。推薦鉆具組合：ø311.15mmPDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+LWD+MWD+ø203.2mm無磁鉆鋌+配合接頭+9根ø149.225mm加重鉆桿+配合接頭+劃眼器+ø203.2mm震擊器+配合接頭+2根ø149.225mm加重鉆桿+ø149.225mm鉆桿+巖屑床清除器（每隔14根安放1根巖屑床清除器，共安放6根）+ø149.225mm鉆桿。

3使用效果

通過同一個油田不同批次類似井使用巖屑床清除器前后情況對比，得出，同一個油田井眼軌跡相似、使用鉆井液類型相同、鉆遇地層相同的幾口井使用巖屑床清除器前后，效果改善明顯，起鉆方式也從被迫倒劃眼改善為直接起鉆，短起從每次短起至上層套管內(nèi)改善為短起一段驗證井眼清潔和井壁穩(wěn)定，極大地提高了時效。

4結(jié)論及建議

1）使用巖屑床清除器可以在機械鉆速、摩擦系數(shù)、巖屑返出量、起鉆速度得到極大提高，起鉆方式和短起得到極大改善。2）巖屑床清除器安放需要進行專業(yè)計算優(yōu)選出最佳方式。3）根據(jù)巖屑床形成機理，也可將巖屑床清除器應(yīng)用延伸至井斜相對較小的井中。4）后續(xù)關(guān)于巖屑床發(fā)展方向一方面是如何及時檢測到是否存在巖屑床，另一方面如何避免和及時清除巖屑床。

參考文獻

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作者:田宗強 李虎成 陳江華 王小勇 趙寶祥 單位:中海石油(中國)有限公司湛江分公司