机械式岩屑清除工具在钻井作业中的应用

王晓松，冯跃凯，姬广奇，衣金龙，鲍锦祥，江友博

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

机械式岩屑清除工具在钻井作业中的应用

王晓松，冯跃凯，姬广奇，衣金龙，鲍锦祥，江友博

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

在定向井、大斜度井和水平井钻井中，当井斜角超过临界值时，岩屑在环空中的下滑速度会随着井斜角增大而增大，岩屑滑向井眼底边的倾向也增大，而向液流内的滑动力会逐渐减弱，此时若钻井参数使用不当，岩屑会沉积在环空的底边形成岩屑床。岩屑床的存在会使下入的测试工具、测井仪器受阻，作业成功率下降甚至难以进行，会使下套管、固井作业困难，水泥封固质量差；同时会导致钻具扭矩增大，严重时甚至扭断井内钻井工具。

机械式岩屑清除工具；钻井作业;应用

目前钻井对于岩屑床的处理一般是选择定期或适时的进行短起下钻配以划眼和适当的增大泵排量循环。但是尽管采取了这一系列有效的技术措施，也没能完全避免钻具旋转扭矩的增加、上下运动摩阻增大、钻压不能全部传递给钻头从而影响钻进速度、泵压升高等复杂情况和卡钻事故的发生。

机械式岩屑床清除工具可以完全替代以上传统方法，有效解决定向井、大斜度井和水平井钻井作业中的岩屑床堆积问题。它的使用可以降低钻井作业风险，成为钻井作业中不可缺少的工具。

1 结构设计

机械式岩屑床清除工具结合扶正器与钻杆的特点，加工成特殊的水力钻杆，结构见图1。

图1 机械式岩屑床清除工具简图

2 机械式岩屑床消除工具的作用

机械式岩屑床清除工具旋转时辅助携带岩屑作用可以归纳为以下几点：

2.1 压力吸附作用

由于过流面积减小，叶片附近轴线流速增加而压力减小（文丘里效应），会将工具附近的岩屑吸至叶片附近；叶片排屑槽宽度变化会导致压力差，排屑槽外侧宽压力高，内侧窄压力低，这样的排屑槽结构有利于将井底的岩屑吸附至排屑槽内侧而脱离井底岩屑床，从而有机会使岩屑滞留在排屑槽里，随着工具旋转而被举升至高边高速主流区。

2.2 机械挖掘作用

螺旋扶正翼前缘依靠纯机械作用将岩屑从井眼低边挖掘起来并留在排屑槽里，随着工具旋转而“挖”走。

2.3 钻井液的切向加速作用

螺旋扶正翼在随钻杆旋转过程中将对钻井液起到切向加速和轴向加速作用，给井眼低边的岩屑补充悬浮动能。其中切向加速作用使扶正翼附近钻井液近似刚性旋转，但由于钻井液的粘性，这种对钻井液的切向加速作用随着钻井液远离螺旋扶正翼而逐渐衰减。

2.4 钻井液的轴向加速作用

对钻井液的轴向加速作用则体现为在叶片附近，一定质量钻井液轴向速度增加，根据连续性方程，附近必然有相同质量流体减速，这样就会在局部造成更高剪切速率，从而对岩屑床产生侵蚀作用。

2.5 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。

机械式岩屑床清除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。优点是：与传统岩屑床清除技术相比，大大减少了起下钻次数，缩短钻井作业周期，更好地保护井壁，保证钻井作业安全，进而提高机械钻速，降低钻井成本，延长钻具使用寿命。

3 现场使用过程

JZ25-1S-C37井采用JZ25-1S-C平台模块钻机钻进，顶驱为景宏70顶驱，泥浆泵为F-1600泥浆泵3台，振动筛3台，除砂器、除泥器各1台。

10月9日，钻穿馆陶组底砾岩后起钻，组合二开钻具组合，岩屑床破坏器入井，工具共入井33h，入井深度1 835m，累计进尺323m，钻进井段井斜均大于55°，岩屑返出明显增多，钻进扭矩平稳，工具出井后未出现泥包，螺旋槽耐磨带未出现明显磨损，说明工具状态良好，性能稳定。

工具使用后钻具组合：

12-1/4”PDC-Bit+9-5/8”PDM（1.15°）+8”F/V+11-3/4”STB+8”NMDC+8”MWD+8”NMDC+8”液压震击器+X/O+ 5-1/2”HWDP×14+1#岩屑床破坏器+5-1/2”DP×12+2#岩屑床破坏器+5-1/2”DP×12+3#岩屑床破坏器。

4 结论

机械式岩屑床破坏工具在C12井（最大井斜角64.33°）使用效果较为明显，该井井斜角＞40°，由于该井位移大，造成岩屑携带困难，形成岩屑床，影响钻井液的正常循环，造成憋钻、憋泵问题。同时易造成起下钻困难及卡钻，同时也会影响到钻井及电测等作业的正常进行，严重影响钻井安全和钻进效果。

在作业期间，机械式岩屑床破坏工具在井底对岩屑的冲刷，搅动起来的岩屑随钻井液的循环返至井口，振动筛处返出大量的粒径较小的岩屑，说明机械式岩屑床破坏工具对井底岩屑有很好的清除效果。

钻井过程中钻井参数无异常、返砂增加、起下钻顺畅、下套管及固井作业顺利。说明机械式岩屑床破坏工具有很好清除岩屑的效果，从而大大提高钻井作业效率，降低作业风险，起到良好的辅助钻井效果。

[1] 纪国栋，汪海阁，陈志学.水平井岩屑清除工具设计及结构优化研究[J].石油机械，2016，（3）.

[2] 赵景芳，张春阳，李斌渤海油田快速钻井技术及其应用研究[J].石油天然气学报，2006，（1）.

Application of Mechanical Debris Removal Tool in Drilling Operation

Wang Xiao-song，Feng Yue-kai，Ji Guang-qi，Yi Jin-long，Bao Jin-xiang，Jiang You-bo

in directional drilling wells，high angle wells and horizontal wells，when the deviation exceeds the critical value，the cuttings will increase with the increase of the deviation angle in annulus slip velocity，cutting edge to tendency of borehole increases，and to the sliding force in fluid will be gradually weakened，if the drilling the parameters of improper use of cuttings be deposited to form cuttings bed at the bottom edge of the annulus.The cuttings bed will make the test tools，the logging instrument is blocked，operation success rate dropped even difficult，will make the casing，cementing，cementing quality is poor；at the same time will cause the drilling torque is increased，even broken in well drilling tool.

mechanical debris removal tool；drilling operation；application

TE921

B

1003–6490（2016）09–0024–02

2016–09–02

王晓松（1981—），男，天津人，工程师，主要从事石油钻井类相关工作。