CN113404456B - 一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及井下钻磨技术领域，公开了一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，包括以下步骤：S0磨鞋结构改进设计：S01磨鞋整体击碎线型结构设计；S04磨鞋水力排屑结构设计；S1气嘴选择；S2钻压控制；S3短起控制。本发明对磨鞋的结构进行改进，不仅防止钻头某处集中受力，进一步降低钻头磨损，而且使若干水眼更易将液体进行集中，从而更易将碎屑排出，不易堵井和卡钻，钻通率得到较好地提高，通过对短起操作进行改进，使得碎屑清除更加彻底、干净，从而使得钻进更加容易，以解决现有技术中存在钻头前端的受力面积较大，受到的阻力也更大，磨鞋更容易磨损的问题，也存在大块碎屑不易返排，易卡钻的问题，以及碎屑清理不干净，造成钻进困难的问题。

Description

一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法

技术领域

本发明涉及井下钻磨技术领域，具体是一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法。

背景技术

随着页岩气田进入开发调整期(平面上部署加密井，纵向上部署上部或中部层位页岩气井)，随着老井周边的页岩气不断采出，孔隙压力下降，甚至出现负压。推广可溶桥塞在加密和上部气层井中的使用。根据井眼轨迹，逐步优化调整可溶桥塞的下入深度。常规平底磨鞋或PDC磨鞋其外形呈圆柱形，钻进时，钻头前端的直径就需要制作成符合钻开桥塞实际的尺寸大小，因此，钻头前端的受力面积较大，需要的动力也会增大，受到的阻力也更大，磨鞋更容易磨损；另一方面水眼是均布在磨鞋前端，冲击排屑时，水不易集中，存在大块碎屑不易返排，大块碎屑过多，使得磨鞋也容易卡钻，也导致钻通率降低；再一方面，以往在钻可溶桥塞的过程中，一般钻5支可溶桥塞就需要进行短起操作，并在短起前灌注胶液进行碎屑清理，然后继续进行钻进，容易造成清理不干净，从而造成钻进困难。

发明内容

本发明意在提供一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，以解决现有技术中存在钻头前端的受力面积较大，受到的阻力也更大，磨鞋更容易磨损的问题，也存在大块碎屑不易返排，易卡钻的问题，以及碎屑清理不干净，造成钻进困难的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，包括以下步骤：

S0磨鞋结构改进设计：

S01磨鞋整体击碎线型结构设计：磨鞋包括钻头，钻头前端直径小于钻头后端直径，钻头前端向钻头后端进行弧形过渡；

S04磨鞋水力排屑结构设计：钻头前端开有若干水眼，若干水眼位置半径各不相同，钻头上开有排屑槽，排屑槽从钻头前端延伸至钻头后端，排屑槽宽度从钻头前端至钻头后端逐渐变宽，排屑槽顶部宽度大于排屑槽底部宽度；

S1气嘴选择：合理调整气嘴尺寸，使出口排量大于进口泵注排量，同时观察返排出砂情况，且控制出口火焰高度不大于3m；若返排出砂循环洗井含砂量仍未降低，则保持循环，适当调大气嘴尺寸，直至出口含砂量低于5％；

S2钻压控制：控制钻磨过程中的钻压，缓慢对桥塞施加钻压，钻压应保持在5～15kN，及时进行优化调整；

S3短起控制：下工具串进行钻井，钻除5-8支或根据钻磨参数及返屑情况，适当减少短起次数，每钻完5个及以上个桥塞，泵注胶液3～5m³；碎屑清理后以≤15m/min的速度短起至30°井斜处，泵注10m³胶液循环洗井一周以上，至进出口液体质量相同。

本发明的技术原理和有益效果为：

1、钻头前端先接触桥塞，钻头前端直径小于钻头后端直径，钻头后端是钻开桥塞实际的尺寸，所以钻头前端将小于钻开桥塞实际的尺寸，钻进时，钻头从钻头前端逐渐移动到钻头后端，并对桥塞逐渐扩孔地钻进，从而减少了钻头前端与桥塞的接触面积，减小了受力面积，减少了钻头前端磨损，而且逐渐扩孔使得钻头外周受力更加均匀，防止钻头某处集中受力，进一步降低钻头磨损，从而延长了磨鞋的使用寿命。

2、将若干水眼设计位置改进为位置半径各不相同，若干水眼更易将液体进行集中，更易冲击并包裹大块碎屑，结合排屑槽立体梯形结构设计，排屑槽底部易将小块碎屑排出，排屑槽顶部易将大块碎屑排出，大块碎屑排出时，底部不断有液体和小块碎屑辅助，从而更易将碎屑排出，不易堵井和卡钻，钻通率得到较好地提高。

3、短起前泵注胶液可对碎屑进行初步清除，短起后，在泵注更大量的胶液已进行二次清理碎屑，而且更大量的胶液需要循环洗井一周，从而使得碎屑清除更加彻底、干净，从而使得钻进更加容易。

进一步，S01中弧形过渡为钻头侧部，钻头侧部形成外锥，外锥的外锥角为6-8度。

有益效果：使得钻头形成超长外锥结构，超长外锥设计可以有效提高布齿密度，保证外锥耐磨性，同时超长外锥可以提高钻磨稳定性。

进一步，S01中钻头前端从钻头侧部到钻头中心向钻头后端倾斜形成内锥，内锥的内锥角为86-88度。

有益效果：采用86-88度的超浅内锥角，在保证排屑的基础上减短内锥长度，降低布齿密度，进一步减少接触面积，有效提高钻进机速，在钻塞时，浅内锥使得钻头侧部先接触桥塞，然后桥塞从钻头侧部逐渐接触到钻头中心，钻磨更加缓和，还可以更好进行井底造型，使井底形状与钻头接触面吻合，从而减小钻头的振动，降低钻进时的冲击力，降低与套管接触几率。

进一步，S01中钻头前端与钻头侧部连接线为钻头的鼻部，鼻部处对钻头前端与钻头侧部连接线进行圆弧倒角。

有益效果：采用一段式圆弧鼻部轮廓，可以保证鼻部较高布齿密度和较好的受力情况，钻遇金属卡瓦时不易磨损。

进一步，S01和S04之间包括S02磨鞋切削结构设计：钻头上设置有切削结构，切削结构包括固定连接在钻头上的主刀体和副刀体，主刀体包括两个半主刀翼，副刀体包括三个副刀翼，两个半主刀翼和三个副刀翼布置在钻头从内锥、鼻部到外锥的部分，位于钻头内锥的两个半主刀翼的端部相互固定连接，三个副刀翼周向均布在两个半主刀翼周围，两个半主刀翼和三个副刀翼上均均布有若干个切削齿。

有益效果：主刀体在钻进的过程中，受力是整个钻头最大的部位，应力更加集中，通过两个半主刀翼进行固定连接，主刀体受力更好，承受能力更强，从而使得主刀体不容易损坏，钻遇金属片时，由于固定连接位置的设置，可挡住部分金属片向钻头的继续深入，降低卡钻的几率；主刀体和副刀体的设置，也使得切削齿分布更加均匀，钻头前端在钻磨过程中，受到不平衡力小于1％，进一步提高钻磨的稳定性。

进一步，切削齿间距排布为内锥采用大齿间距3-5mm，鼻部中等齿间距3-4mm，外锥小齿间距2.5-2.8mm；为保证鼻部和外锥过渡均匀，切削齿优选8mmPDC复合片，采用中等后倾角20°。

有益效果：以上齿间距，能很好地保证鼻部和外锥耐磨性；切削齿选择8mmPDC复合片，保证鼻部和外锥部位过渡均匀。

进一步，S02和S04之间还包括S03磨鞋防损套管结构设计：两个半主刀翼和三个副刀翼向钻头后端延伸依次形成无规径段和保径段，无规经段包括五个无规径翼，五个无规径翼的高度依次增高，保径段包括五个保径翼，保径翼上镶嵌有若干主动保径齿。

有益效果：保径段的设置，负责磨鞋的保径功能，保证磨鞋有较强的保径能力，可防止损伤套管；采用主动保径齿，主动保径齿可承受更大的应力，保径能力更强；为了保证磨鞋的保径功能，本技术方案采用无规径段，无规径段以上相邻的同一圆周内排出的多个切削齿是非均匀设置的，无规径段以上相邻的同一圆周内的多个切削齿的数量将依次减少，从而使得冲击桥塞壁的次数逐级减少，使得套管损坏几率降低。

进一步，S3中将泵注胶液3～5m³替换为下入碎屑捕集器上下游压差超过2MPa进行碎屑清理。

有益效果：碎屑捕集器可高效地将碎屑捕集并去除，相比胶液，胶液需要流动时间较长，碎屑捕集器效率更高。

进一步，S3之后还包括S4进行碎屑返排清理：若钻塞存在负压，返排碎屑效果差，或桥塞数超过15个，可增加1次中途清理，中途清理即将钻塞工具串上提至直井段，用清水、大排量、正循环洗井，清理井筒内碎屑或砂。

有益效果：增加中途清理，可对气井内积累残留的碎屑进一步清理，防止碎屑堆积，减轻钻进压力，使得钻进更易进尺。

进一步，S4之后还包括S5返排监测：工具串下至井斜30°井深位置，以400L/min排量定点循环一个井筒容积后，计量出口排量，调整气嘴保证出口排量大于300L/min；

安排专人持续监测，每隔30min取水样静置5min沉砂量占比达到5％以上时，则暂停钻磨，上提工具串离开塞面，交替泵注循环滑溜水和KCl溶液清洗井筒，直至出口正常并且含砂量低于5％后，继续下放钻磨。

有益效果：及时对井内沉砂进行清除，防止沙量过大，减轻磨鞋阻力，延长磨鞋使用时间。

附图说明

图1为本发明一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法中需要使用磨鞋的立体视图；

图2为本发明一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法中需要使用磨鞋的钻头前端俯视图；

图3为本发明一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法中需要使用磨鞋的击碎线型图；

图4为本发明一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法中需要使用磨鞋的内锥切削齿的分布图；

图5为本发明一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法中需要使用磨鞋的切屑齿及主动保径齿分布图；

图6为本发明一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法中需要使用磨鞋的井底湍流强度分布图；

图7为本发明一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法中需要使用磨鞋的井底漫流速度图；

图8为本发明一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法中需要使用磨鞋的液流上返流线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：钻头1、半主刀翼2、切削齿3、副刀翼4、无规径翼5、保径翼6、主动保径齿7、凸台8、鼻部10、内锥角11、外锥角12、排屑槽13、1#水眼14、2#水眼15、3#水眼9、4#水眼16、5#水眼17。

实施例一

一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，包括以下步骤：

S0磨鞋结构改进设计：

S01磨鞋整体击碎线型结构设计：如图3所示，磨鞋包括钻头1，钻头1前端直径小于钻头1后端直径，钻头1前端向钻头1后端进行弧形过渡，弧形过渡为钻头1侧部，钻头1侧部形成外锥，外锥的外锥角12为6-8度，外锥角12优选为7度，钻头1前端从钻头1侧部到钻头1中心向钻头1后端倾斜形成内锥，内锥的内锥角11为86-88度，内锥角11优选为87度，钻头1前端与钻头1侧部连接线的圆弧倒角为钻头1的鼻部10；

S02磨鞋切削结构设计：如图1-4所示，钻头1上设置有切削结构，切削结构包括固定连接在钻头1上的主刀体和副刀体，主刀体包括两个半主刀翼2，副刀体包括三个副刀翼4，两个半主刀翼2和三个副刀翼4布置在钻头1从内锥、鼻部10到外锥的部分，位于钻头1内锥的两个半主刀翼2的端部相互固定连接，三个副刀翼4周向均布在两个半主刀翼2周围，两个半主刀翼2和三个副刀翼4上均均布有若干个切削齿3；切削齿3间距排布为内锥采用大齿间距3-5mm，鼻部10中等齿间距3-4mm，外锥小齿间距2.5-2.8mm；为保证鼻部10和外锥过渡均匀，切削齿3优选8mmPDC复合片，采用中等后倾角20°；

S03磨鞋防损套管结构设计：如图1所示，两个半主刀翼2和三个副刀翼4向钻头1后端延伸依次形成无规径段和保径段，无规经段包括五个无规径翼5，五个无规径翼5的高度依次增高，保径段包括五个保径翼6，保径翼6上开有若干安装孔，若干安装孔内均镶嵌有主动保径齿7，安装孔左侧的保径翼6上固定连接有凸台8，主动保径齿7也镶嵌在凸台8上；

凸台8用于安装主动保径齿7，主动保径齿7镶嵌在凸台8上，凸台8延长了安装孔的长度，并使主动保径齿7固定的深度延长，使主动保径齿7固定牢固，凸台8又可补偿主动保径齿7的宽度，从而使得主动保径齿7的宽度更大，有利于延长齿的有效钻磨使用寿命，在较大的钻磨反扭矩作用下，凸台8可对主动保径齿7提供较好的支撑，主动保径齿7不容易磨损或甩出；

S04磨鞋水力排屑结构设计：如图6-8所示，钻头1内锥位于半主刀翼2与副刀翼4之间、副刀翼4与副刀翼4之间均开有水眼，水眼位置半径各不相同，半主刀翼2与副刀翼4之间、副刀翼4与副刀翼4之间还开有排屑槽13，排屑槽13经过无规径翼5和保径翼6延伸至钻头1后端，排屑槽13宽度从钻头1前端至钻头1后端逐渐变宽，排屑槽13顶部宽度大于排屑槽13底部宽度；

从图7井底漫流速度图可以看出，在井底中心射流较均匀，便于岩屑的上返；从图8液流上返流线可以看出，液流在排屑槽内上返通畅，便于较大的岩屑上返。

水眼内喷嘴设计如下表：

S1气嘴选择：对于非低压、漏失井，合理调整气嘴(气井出口)尺寸，使出口排量略大于进口泵注排量，同时观察返排出砂情况，且控制出口火焰高度不大于3m；若返排出砂循环洗井含砂量仍未降低，则保持循环，适当调整气嘴尺寸，直至出口含砂量低于5％；

S2钻压控制：控制钻磨过程中的钻压，缓慢对桥塞施加钻压，钻压应保持在5～15kN，及时进行优化调整；

S3短起控制：下工具串进行钻井，对于低压、漏失井每钻除3支可溶桥塞进行1次短起，短起至井斜30°井深以上位置；非低压、漏失井钻除5-8支或根据钻磨参数及返屑情况，适当减少短起次数，每钻完5个及以上个桥塞，泵注胶液3～5m³；或者下入碎屑捕集器上下游压差超过2MPa进行碎屑清理，碎屑清理后以≤15m/min的速度短起至30°井斜处，泵注10m³胶液循环洗井一周以上，至进出口液体质量相同；

S4进行碎屑返排清理：若钻塞存在负压，返排碎屑效果差，或桥塞数超过15个，可增加1次中途清理，中途清理即将钻塞工具串上提至直井段，用清水、大排量、正循环洗井，清理井筒内碎屑或砂；

S5返排监测：工具串下至井斜30°井深位置，以400L/min排量定点循环一个井筒容积后，计量出口排量，调整气嘴保证出口排量大于300L/min；

安排专人持续监测，每隔30min取水样静置5min沉砂量占比达到5％以上(或出口出液出气量明显发生变化)时，则暂停钻磨，上提工具串离开塞面，交替泵注循环滑溜水(或泡沫液)和KCl溶液(15％≥KCL浓度≥10％)清洗井筒，直至出口正常并且含砂量低于5％后，继续下放钻磨。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：

S0磨鞋结构改进设计：

S01磨鞋整体击碎线型结构设计：磨鞋包括钻头，钻头前端直径小于钻头后端直径，钻头前端向钻头后端进行弧形过渡；

S02磨鞋切削结构设计：钻头上设置有切削结构，切削结构包括固定连接在钻头上的主刀体和副刀体，主刀体包括两个半主刀翼，副刀体包括三个副刀翼，两个半主刀翼和三个副刀翼布置在钻头从内锥、鼻部到外锥的部分，位于钻头内锥的两个半主刀翼的端部相互固定连接，三个副刀翼周向均布在两个半主刀翼周围，两个半主刀翼和三个副刀翼上均均布有若干个切削齿；

S04磨鞋水力排屑结构设计：钻头前端开有若干水眼，若干水眼位置半径各不相同，钻头上开有排屑槽，排屑槽从钻头前端延伸至钻头后端，排屑槽宽度从钻头前端至钻头后端逐渐变宽，排屑槽顶部宽度大于排屑槽底部宽度；

S1气嘴选择：合理调整气嘴尺寸，使出口排量大于进口泵注排量，同时观察返排出砂情况，且控制出口火焰高度不大于3m；若返排出砂循环洗井含砂量仍未降低，则保持循环，适当调大气嘴尺寸，直至出口含砂量低于5％；

S2钻压控制：控制钻磨过程中的钻压，缓慢对桥塞施加钻压，钻压应保持在5～15kN，及时进行优化调整；

S3短起控制：下工具串进行钻井，钻除5-8支或根据钻磨参数及返屑情况，适当减少短起次数，每钻完5个及以上个桥塞，泵注胶液3～5m3；碎屑清理后以≤15m/min的速度短起至30°井斜处，泵注10m3胶液循环洗井一周以上，至进出口液体质量相同。

2.根据权利要求1所述的适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，其特征在于，所述S01中弧形过渡为钻头侧部，钻头侧部形成外锥，外锥的外锥角为6-8度。

3.根据权利要求2所述的适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，其特征在于，所述S01中钻头前端从钻头侧部到钻头中心向钻头后端倾斜形成内锥，内锥的内锥角为86-88度。

4.根据权利要求3所述的适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，其特征在于，所述S01中钻头前端与钻头侧部连接线为钻头的鼻部，鼻部处对钻头前端与钻头侧部连接线进行圆弧倒角。

5.根据权利要求4所述的适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，其特征在于，所述切削齿间距排布为内锥采用大齿间距3-5mm，鼻部中等齿间距3-4mm，外锥小齿间距2.5-2.8mm；为保证鼻部和外锥过渡均匀，切削齿优选8mmPDC复合片，采用中等后倾角20°。

6.根据权利要求5所述的适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，其特征在于，所述S02和S04之间还包括S03磨鞋防损套管结构设计：两个半主刀翼和三个副刀翼向钻头后端延伸依次形成无规径段和保径段，无规经段包括五个无规径翼，五个无规径翼的高度依次增高，保径段包括五个保径翼，保径翼上镶嵌有若干主动保径齿。

7.根据权利要求6所述的适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，其特征在于，所述S3中将泵注胶液3～5m3替换为下入碎屑捕集器上下游压差超过2MPa进行碎屑清理。

8.根据权利要求7所述的适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，其特征在于，所述S3之后还包括S4进行碎屑返排清理：若钻塞存在负压，返排碎屑效果差，或桥塞数超过15个，可增加1次中途清理，中途清理即将钻塞工具串上提至直井段，用清水、大排量、正循环洗井，清理井筒内碎屑或砂。

9.根据权利要求8所述的适用于页岩气井钻可溶桥塞的工艺方法，其特征在于，所述S4之后还包括S5返排监测：工具串下至井斜30°井深位置，以400L/min排量定点循环一个井筒容积后，计量出口排量，调整气嘴保证出口排量大于300L/min；

安排专人持续监测，每隔30min取水样静置5min沉砂量占比达到5％以上时，则暂停钻磨，上提工具串离开塞面，交替泵注循环滑溜水和KCl溶液清洗井筒，直至出口正常并且含砂量低于5％后，继续下放钻磨。

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