井下固控装置的研究及应用

万夫磊 李春山 徐依吉 吴 琪 李 翔

（1.中国石油大学石油工程学院，山东东营 257061；2.胜利油田石油开发中心有限公司，山东东营 257000）

井下固控装置的研究及应用

万夫磊1李春山1徐依吉1吴 琪1李 翔2

（1.中国石油大学石油工程学院，山东东营 257061；2.胜利油田石油开发中心有限公司，山东东营 257000）

在钻井过程中，为保障钻井安全需在钻井液中加入大量固相颗粒，钻井液中固相颗粒对机械钻速的影响较大，研制了一种安装在钻头上方的井下固控装置，该装置通过水力旋流分离原理将钻井液中大部分固相颗粒与钻井液分离并甩入环空区域，使通过钻头的钻井液固相含量大大减少。本装置设计的排固喷嘴有反向喷射作用，可以实现高效清洗井底，提高机械钻速。通过室内分离效果试验确定了装置的锥体角度和最优排量。在胜利油田、胜利海洋钻井进行了现场应用，验证了该装置安装方便，工作可靠，有明显的提速效果，可降低钻井液中的固相含量并有利于提高机械钻速。

井下固控；水力旋流；机械钻速；钻井液；现场应用

石油天然气钻井时，钻井液中固相颗粒的含量会随着井深的增加而增大，而当遇到异常高地层压力时，为保障钻井安全需在钻井液中加入大量重晶石等固相颗粒，固相颗粒在钻井液中的存在是不可避免的。钻井液中固相含量每增加1%，机械钻速会降低8%左右［1］；固相含量的增加会加剧钻头喷嘴的磨损，导致钻头重复破碎，也会影响钻井液的携岩性能，造成压持效应加剧［2］。为此笔者研制了一种安装在钻头上方的井下固控装置，该装置通过水力旋流分离钻井液中的固液两相［3］，大幅度地减少了通过钻头的钻井液固相含量，同时可实现高效清洗井底，提高机械钻速。该装置在胜利油田、胜利海洋钻井进行了多次现场应用，提高机械钻速效果明显。

1 设计和室内试验

1.1 工作原理和结构设计

井下固控装置主要分为上部接头、外筒、锥体、旋流器、溢流管、下部接头等。其工作方式为：装置安装在钻头上方，由钻铤进入该装置的钻井液经过分离处理，绝大部分固相含量通过流道直接排入环空区域上返，处理后的低固相优质钻井液进入钻头喷射钻井。井下固控装置的工作原理为：钻井液通过上部外筒的流道进入装置后分成两部分：一部分钻井液通过导流槽和旋流器进入锥体内做旋转运动，因离心力的作用大部分固相颗粒逐渐被甩入锥体上方，从排固流道进入环空区域，大部分低固相优质钻井液从锥体下方的溢流口进入钻头喷射钻井［4-5］；只有小部分钻井液通过分流槽进入底流口由钻头喷出，以防止憋压。

1.2 特性分析

井下固控装置改变了钻井液在钻柱里的循环方式，利用水力旋流原理，将大部分钻井液中的固相颗粒分离出来并排入环空区域，既保持了环空井筒内的钻井液密度，又能使通过钻头喷嘴的钻井液更加清洁，减轻了钻头和喷嘴的磨损，延长了钻头寿命，同时还可减轻地面固控设备工作压力［6-7］。

该装置设计的排固槽和排固喷嘴具有反向喷射的作用，实验发现，增加反向喷射后，在排量及泵压相同的情况下，机械钻速可提高15%以上［1］。该设计的反向喷射形成了对环空区域岩屑上返的向上冲击力，更加利于岩屑上返，这种设计也可降低环空液柱对井底的压力，减小对井底的压持效应，高效清洗井底，有利于提高机械钻速，缩短钻井周期。

1.3 室内分离效果实验

为了达到最佳的固相分离效果，确定井下固控装置的关键结构参数，进行了室内分离效果实验研究。实验用钻井液选用胜利油田常用钻井液，密度为1.16 g/cm3，固相含量小于5%，固相颗粒的粒径约为 6.16 μm。

通过实验发现，锥体角度、流量与分离效果密切相关。通过对实验数据的分析处理，当锥体角度由5～20°逐渐增加时，分离效果呈先升后降的趋势，当锥角为15°左右时，分离效果最好；当锥角再增大时，锥体内部的流体完成旋转的时间加长，所受阻力增大，导致分离效率下降。流经装置的排量对分离效率的影响规律是随着流量的增加，分离效率增加，但当入口流量增大到一定值时，分离效率开始下降。这是因为当入口流量增大到一定值后高速流体使流场紊流加剧，被分离的颗粒又被返混入内旋流，因此分离效率会下降，同时，装置的压降也会随着流量的增加而增大［8］。实验表明，当流量在30～40 L/s时，流量既能保证较高的分离效率，压降又不至于太大。

2 现场应用

井下固控装置样机研制完成后，首先在胜利油田永938井进行现场试验，地层为S4上段，岩性以细砾岩为主，伴有深灰色泥岩，试验井段为3 573～3 695 m。钻具组合为：Ø215.9 mmHJT517G钻头+井下固控装置+Ø165 mmDC+FM195防磨接头+Ø127 mmDP，钻井参数为：钻压 140～160 kN，排量30～33 L/s，泵压 12～13 MPa，转速 55～60 r/min；钻井液密度 1.17 g/cm3，黏度 46～66 s。纯钻进 66.3 h，进尺122 m，与同井上部地层相比，机械钻速平均提高45%，试验数据见表1。

表1 永938井机械钻速对比

井下固控装置在永938井试验成功后，又在胜利海洋钻井KD89井进行了2次试验，第1次为1 309～2 039 m，地层为馆陶组，岩性主要为棕红色、灰绿色泥岩、灰绿色粉砂质泥岩与灰绿色、灰白色、灰黄色泥质粉砂岩、粉砂岩呈不等厚互层。钻具结构：Ø241.3 mmHJT517G牙轮钻头+井下固控装置+Ø177.8 mmNMDC+Ø238 mm 扶正器+Ø177.8mm+Ø127mmDP。钻井参数：钻压 60～100 kN，转速 60 r/min，排量 40～45 L/s，泵压 14～19 MPa；钻井液密度1.08～1.11 g/cm3。此次试验该装置井下工作51 h，纯钻进时间39.12 h，钻井进尺730 m。与邻井同地层常规机械钻速进行了对比分析，结果显示使用该装置后平均机械钻速提高了34.53%，见表2。

第2次为2 059～2 263 m，地层为馆陶组下段至东营组，地层为馆下段和东营组，馆下段岩性以灰白色块状含砾砂岩、粗砂岩夹薄层灰绿、浅灰色泥岩为主。东营组上部以灰白色含砾砂岩、砂岩为主夹薄层灰色泥岩；下部以灰色泥岩为主夹薄层粉砂岩。钻具结构：Ø241.3 mmDF1905PDC钻头+井下固控装置+Ø196.8 mm 动力钻具+浮阀+挡板接头+Ø177.8 mmNMDC+Ø238 mm 扶 正 器+Ø177.8 mmDC+Ø127 mmDP。钻井参数：钻压 50～90 kN，转速 60 r/min，排量 40～45 L/s，泵压 15～18 MPa；钻井液密度1.11～1.12 g/cm3。本装置井下工作33.17 h，纯钻进时间22.8 h，钻井进尺204 m，与邻井同地层常规机械钻速进行了对比分析，结果显示使用该装置后平均机械钻速提高了22.16%。见表3。现场试验证明，该装置工作安全可靠，安装使用方便，不影响现有的钻井方式，同时又有明显的提速效果。

表2 KD89井1 309～2 039 m使用井下固控装置与邻井机械钻速对比

表3 KD89井2 059 m～2 263 m使用井下固控装置与邻井机械钻速对比

3 结论

（1）利用水力旋流分离原理设计了井下固控装置，通过室内实验确定了装置的最优参数。

（2）井下固控装置在井底对钻井液的固相分离，可降低固相颗粒对喷嘴和钻头的磨损，延长钻头和喷嘴寿命。

（3）通过多次现场试验，验证了降低钻井液中的固相含量有利于提高机械钻速。使用该装置安装方便，工作可靠，对现场施工作业无特殊要求，有明显的提速效果，缩短了建井周期，提高了经济效益。

［1］ 王建年.井下固控新理论和现场实践［J］.国外钻井技术，1990，5（1）：33-38.

［2］ 陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术［M］.山东东营：中国石油大学出版社，2006：111-115.

［3］ 郭生武. 试论水力旋流器的结构和材料设计［J］.石油钻采工艺，1985，7（5）：37-44.

［4］ 任福安，殷佩海. 船舶压载水旋流分离装置［A］//现代船机维修技术［C］. 2005：280- 284.

［5］ 蒋明虎，蒋巍，张国云，等. 细颗粒分离水力旋流器的结构设计及实验［J］.大庆石油学院学报，2005，29（1）：58- 60.

［6］ 赵庆国，张明贤. 水力旋流分离技术［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［7］ 王胜利，靳纪军，毛丽. 利用井下水力旋流器提高井下清洗效果［J］.清洗世界，2012，28（2）：39- 45.

［8］ 李宾飞，李兆敏，李晓宏，等.旋流式井下液砂分离器的研制及应用［J］.石油钻采工艺，2008，30（1）：121-124.

（修改稿收到日期 2013-05-27）

Drilling speed raising technology research and application by downhole solid control device

WAN Fulei1, LI Chunshan1, XU Yiji1, WU Qi1, LI Xiang2
（1. College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Dongying257061,China;2. Oil Development Center Co.,LTD of Shengli Oilfield,Dongying257000,China）

In oil and gas reservoir drilling, a large number of solid particles are added into the drilling fluid to ensure the security of drilling. Statistics show that the mechanical drilling rate will decrease as the solid content in drilling fluid increases, and the solid content in drilling fluid will increase with the grow of well depth. To reduce the influence of solid content in drilling fluid on the rate of penetration, the paper proposes a downhole solid control device which is mounted above the bit. Using the hydraulic cyclone separation method, it can separate most of the solid particles and drilling fluid, and slam them into the annulus area. In this way, the solid content of the drilling fluid flowing through the bit can be greatly reduced. The solid discharge nozzle of the device has a reverse jetting effect,which can effectively clean the downhole wellbore and increase the mechanical drilling rate. The cone angle and optimal delivery capacity of the equipment are determined through separating effect laboratory experiments. The device has been tested in Shengli onland field and Shengli offshore field, verifying that reducing the solid content of the drilling fluid can help improving mechanical drilling rate. The equipment features easy installation, reliable operation, and obvious acceleration effect.

downhole solid control; hydraulic cyclone separation; rate of penetration; drilling fluid; application

万夫磊，李春山，徐依吉，等. 井下固控装置的研究及应用［J］. 石油钻采工艺，2013，35（4）：55-57.

TE249

：A

1000–7393（2013） 04–0055–03

攻关项目：胜利油田钻井工程处先导性试验重点项目“新型水力装置提速技术研究”（编号：SL2B-PY-GZ［2010］0052）。

万夫磊，1985年生。2008年毕业于洛阳师范学院信息与计算科学专业，在读硕士研究生，研究方向为油气井流体力学。电话：18654664106。E-mail：wanfulei@163.com。

〔编辑 薛改珍〕