袁则名， 和鹏飞， 丁 胜， 张彦瑞， 徐 鲲， 龚 宁， 徐 彤

(1中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司 3中海石油(中国)有限公司天津分公司)

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。此外，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[1-6]。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[7-9]。

一、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粘卡，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。

目前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不能有效清除岩屑床。渤海某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%左右，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，出现蹩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[10]。

鉴于此，渤海油田研究并开发了岩屑床清除工具，在以上传统方法的基础上，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，有效的解决定向井、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。

二、岩屑床清除工具的组成和原理

1. 结构组成

岩屑床清除工具技术参数如表1，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[11]。

表1 岩屑床破坏器技术参数

图1岩屑床清除工具的结构组成

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。

(2)机械传动力。通过如图3的井筒环空钻井液流场分析，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2 螺旋槽道结构

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

三、在渤海油田的应用

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

1. 定向井轨迹情况

某37井为一口大斜度井，定向井数据如表2，最大井斜69°，其中50°以上井斜井段达1 400 m。

表2 某37井定向井轨迹数据

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、底部为厚层砾岩层，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[12]。

3. 岩屑床清除工具的使用井段

钻穿馆陶组底砾岩后(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°。

4. 加放位置及钻具组合

(1)使用前钻具组合：Ø311.1 mm PDC钻头+Ø244.5 mm螺杆马达 (1.15°单弯角)+Ø203.2 mm浮阀接头+Ø292.1 mm稳定器+Ø203.2 mm无磁钻铤+Ø203.2 mm MWD+Ø203.2 mm无磁钻铤+Ø203.2 mm随钻震击器+变扣接头+ Ø139.7 mm加重钻杆×14根[15]。

(2)加入清除工具时的钻具组合：Ø311.1 mm PDC钻头+Ø244.5 mm螺杆马达 (1.15°单弯角)+ Ø203.2 mm浮阀接头+Ø298.5 mm稳定器+Ø203.2 mm无磁钻铤+Ø203.2 mm MWD+Ø203.2 mm无磁钻铤+Ø203.2 mm随钻震击器+变扣接头+Ø139.7 mm加重钻杆×14根+1#岩屑床清除工具+Ø139.7 mm钻杆×12根+2#岩屑床清除工具+Ø139.7 mm钻杆×12根+3#岩屑床破坏器。

四、效果分析

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。现场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。

表4 钻井参数统计表

2. 倒划眼效果对比

如图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，快则0.5 h一柱，慢则4～5 h一柱，频繁憋压、蹩扭矩。

五、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。

图5 倒划眼短起钻录井图

(3)目前该工具仍处于推广应用阶段，需要在多口井做使用效果的对比分析，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。