清除器在海洋大位移钻井中的应用范文

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摘要：大位移井中井眼清洁对钻井安全至关重要。分析了影响大位移井岩屑床形成机理和影响因素，提出一种高效工具——岩屑床清除器，它不仅能够防止岩屑床的形成，而且对形成的岩屑床可以及时清除和破坏，具有水力和机械双作用破坏。

关键词：大位移井；井眼清洁；钻井安全；岩屑床；清除器；湍流

在大位移井钻井过程中，由于稳斜角大、稳斜段长，岩屑很容易在井眼低边沉积形成稳定的岩屑床且不易被清除。岩屑床的存在很容易导致井下复杂情况和井下事故。基于岩屑床的形成机理，钻井前辈们围绕如何避免或及时清除岩屑床做了大量的实验和实践，也取得了很多成效。本文主要从岩屑床清除器工作原理、工具优选、钻具组合优化计算、使用效果等方面进行介绍。

1岩屑床形成机理

钻井液携带岩屑的能力直接取决于稳斜角、稳斜段长度等。随着井斜角的增大，钻井液携带岩屑的能力下降。井斜角0°~30°，由于其井斜较小，岩屑颗粒沉降距离长，沉降时间长，沉降速度轴向分量大、径向分量小，井眼低边岩屑不稳定，因此钻井液携岩并不困难，提高排量和转速，环空中的岩屑很难在低边堆积，不会形成岩屑床。井斜角增大至30°~60°，岩屑沉降距离和沉降时间都有所缩短，岩屑径向滑落速度与轴向滑落速度相当，尤其井斜角为40°~50°井段内，岩屑容易发生垂沉现象从而在下井壁形成不稳定岩屑床，该井段是井眼清洁的危险区。研究表明，该井段停泵时岩屑容易滑落造成堵塞环空或卡钻等井下事故。井斜角进一步增大超过岩屑休止角（休止角只与钻具和井壁之间的摩擦系数有关，一般在60°~90°），岩屑径向速度大，轴向沉降时间减少，岩屑极易沉积在井眼低边形成稳定的岩屑床，且不易被清除，随着时间增加岩屑床厚度会越积越厚。

休止角是指停泵停转情况下沿井眼方向岩屑重力和浮力合力的分量与静摩擦力相等时的井斜角度，当井斜角小于此角度时可以认为岩屑是不稳定的，即使形成岩屑床也是不稳定岩屑床，当井斜角超过此角度时可以认为岩屑是稳定的，没有外力作用岩屑是不会向下移动的，很容易形成稳定岩屑床。岩屑床清除器是带有刮槽的、具有清洁作用的钻杆，每根有三螺旋，每个螺旋分两段不同的螺旋导程，分别为携岩段和清洁段，其中携岩段主要是携带岩屑上返井口的作用，清洁段主要是切屑、破坏井底低边岩屑床的作用；清洁段α边可以将井底低边岩屑床挖起，通过管柱的旋转将他们搅动至流核区，钻井液中的岩屑颗粒因涡流效应会被吸附到槽道内，然后运送至井口。钻井过程中，将岩屑床清除器安放在钻具合适的位置，清除器随钻柱一起旋转。通过软件模拟，工具在槽道中可以形成涡流：α边压力梯度高、β边压力梯度低，通过两端压力梯度差，槽道内形成强烈涡流，吸附岩屑随槽道返至井口。Puymbroeck等认为该工具清洁段凹槽经过特殊设计能够嵌入岩屑床中，随着钻柱转动产生“挖掘”作用，将岩屑带出岩屑床，并且岩屑在Couette效应和钻杆旋转产生的离心力的作用下被举升到高流速区域，岩屑在重新下落到低边前就能被运移更远的距离，从而提高井眼清洁效率。据统计，该工具已在陆上和海上大位移井中应用了500余井次，与类似井相比，ø311.15mm井眼使用该工具后，岩屑指数提高了14%，循环时间减少了52%，划眼时间减少了75%，磨阻降低了60%。

2安放设计

2.1基本资料

以海洋某大位移井ø311.15mm井眼为例，该井设计井深3881m（垂深2109.92m），ø311.15mm井眼1622m到3775m，最大井斜88.73°，3379m到3858m为井斜角大于75°井段，使用landmark软件按照参数计算，钻井过程中固相含量约3.55%，岩屑床厚度约12.85mm，需考虑岩屑床清除措施。

2.2不同岩屑床清除器不同安放位置水力摩阻计算

加入间隔不同的岩屑床清除器（6根），使用Landmark模拟计算扭矩及水力参数。从数据上看，由于环空面积较大，岩屑床厚度小、长度短安装岩屑床清除器后井底ECD变化不明显，安装岩屑床清除器后泵压、扭矩变化不明显，其中隔5柱的泵压最低、扭矩最低，显示其井眼清洁效果最好。推荐安放方式：底部钻具组合之上每隔5柱安放一根岩屑床清除器，总计安放6根。原钻具组合：ø311.15mmPDC钻头+旋转导向+LWD+MWD+ø203.2mm无磁钻铤+配合接头+9根ø149.225mm加重钻杆+配合接头+划眼器+ø203.2mm震击器+配合接头+2根ø149.225mm加重钻杆+岩屑床清除器+ø149.225mm钻杆。推荐钻具组合：ø311.15mmPDC钻头+旋转导向+LWD+MWD+ø203.2mm无磁钻铤+配合接头+9根ø149.225mm加重钻杆+配合接头+划眼器+ø203.2mm震击器+配合接头+2根ø149.225mm加重钻杆+ø149.225mm钻杆+岩屑床清除器（每隔14根安放1根岩屑床清除器，共安放6根）+ø149.225mm钻杆。

3使用效果

通过同一个油田不同批次类似井使用岩屑床清除器前后情况对比，得出，同一个油田井眼轨迹相似、使用钻井液类型相同、钻遇地层相同的几口井使用岩屑床清除器前后，效果改善明显，起钻方式也从被迫倒划眼改善为直接起钻，短起从每次短起至上层套管内改善为短起一段验证井眼清洁和井壁稳定，极大地提高了时效。

4结论及建议

1）使用岩屑床清除器可以在机械钻速、摩擦系数、岩屑返出量、起钻速度得到极大提高，起钻方式和短起得到极大改善。2）岩屑床清除器安放需要进行专业计算优选出最佳方式。3）根据岩屑床形成机理，也可将岩屑床清除器应用延伸至井斜相对较小的井中。4）后续关于岩屑床发展方向一方面是如何及时检测到是否存在岩屑床，另一方面如何避免和及时清除岩屑床。

参考文献

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作者:田宗强 李虎成 陈江华 王小勇 赵宝祥 单位:中海石油(中国)有限公司湛江分公司