特殊结构井井眼净化工具研究新进展

任文希，李 皋，孟英峰，包 凯，孙爱生，唐汉林

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610500）

特殊结构井井眼净化工具研究新进展

任文希，李 皋，孟英峰，包 凯，孙爱生，唐汉林

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610500）

特殊结构井在作业过程中容易出现岩屑床堆积问题，进而诱发井下复杂情况。传统的岩屑床清除方法存在效率低、成本高的不足，目前国内外逐渐开始采用井眼净化工具解决特殊结构井作业过程中的岩屑携带问题。综合调研了国内外井眼净化工具研究现状和应用情况，分析了现有井眼净化工具的技术优势和不足，指出了井眼净化工具的研究方向：一是高效率，减少井眼净化工具的入井数量，降低环空压耗；二是智能化，实现地面对井下工具的智能控制。

特殊结构井；井眼净化工具；岩屑床；研究进展

随着油气资源勘探开发力度不断加大，特殊结构井技术［1］已经开始广泛应用于海洋油气田开发、“三低”油气田开发和老油田挖潜增效。然而，特殊结构井在作业过程中普遍存在井眼净化不良、岩屑床堆积问题［2-3］，造成摩阻、转矩增大，环空压耗增加，进而引发钻具阻卡、压漏地层等井下复杂情况并影响后续的完井、固井作业。传统的岩屑床清除方法有提高环空返速、提高钻杆钻速、清扫液扫除、频繁短起下钻作业等。然而这些方法均存在一定不足，例如导致钻井作业成本增加，延长非生产时间等。目前，国内外逐渐开始采用井眼净化工具来解决施工中的岩屑床堆积问题。为此，笔者调研了国内外井眼净化工具的研究进展，分析了各类井眼净化工具的技术特点和现场应用情况，最后指出了井眼净化工具的发展趋势，以期推动我国特殊结构井技术快速发展。

1 国外研究现状

目前，国外仅部分石油技术服务公司致力于井眼净化工具的研究，并成功开发了商业化应用的井眼净化工具。例如：VAM公司的HydroClean系列特种钻具；Halliburton公司的井眼净化工具Cuttings Bed Impeller（CBI）；SOS公司的Enhanced performance drill pipe（EP-DP）；OILSCO公司的Hole Clean系列井下工具。其中，HydroClean系列钻杆和Cuttings Bed Impeller（CBI）是较为成熟、应用较为广泛的产品。

1.1 HydroClean系列特种钻具

HydroClean系列特种钻具是为了解决特殊结构井井眼净化问题而研发的，主要包括Hydroclean钻杆和Hydroclean短节，这里主要介绍Hydroclean钻杆。第1代HydroClean钻杆（G1）主要由扇形刀翼和螺旋槽道组成［4］，2010年VAM公司推出了第2代HydroClean（G2）钻杆［5］，HydroClean （G2）钻杆在第1代的基础上增加了保护带以防止高速旋转的刀翼与井壁接触、碰撞（如图1所示）。

图1　第2代　Hydroclean钻杆

HydroClean钻杆的主要工作原理为：

1)扇形刀翼的机械挖掘作用，高速旋转的扇形刀翼挖掘沉积在井眼低边的岩屑颗粒，并将其甩入环空中。

2)水力循环作用，环空中的岩屑颗粒被循环至环空返速最高的井眼高边处。

3)水力输运作用，岩屑颗粒离开井底并随钻井液返出。

2010年，为了进一步认识HydroClean钻杆的工作原理和井眼净化效果，Tulsa大学进行了大型钻井模拟试验［6］，其研究结果表明：HydroClean系列特种钻具可以有效清除岩屑床；第2代Hydro-Clean钻杆的井眼净化效果略逊于第1代，但是第2代HydroClean钻杆在作业过程中可以很好地保护扇形刀翼和井壁；钻杆转速的增加可以在一定程度上提高HydroClean钻杆的工作效率。

目前，HydroClean系列特种钻具在世界范围内开展了超过500次的现场应用［5］，均取得了良好的效果，不仅解决了井眼净化问题，还减少了非生产时间，产生了较大的经济效益。

1.2 Cuttings Bed Impeller工具（CBI）

Cuttings Bed Impeller工具（CBI）于1999年由Halliburton公司研制成功，最初用于英国的北海油田，接着是墨西哥湾等地区［7］。CBI工具是一段简易的旋转部件（如图2所示），其主要由本体、V形槽道、过渡剖面构成，钻井作业过程中CBI作为短节加接于钻杆之间［8］。V形槽道不仅可以击碎呈团状的岩屑，使之分散为小的岩屑颗粒，还可以搅动沉积的岩屑，使得静止的岩屑颗粒再次运移。同时，旋转的V形槽道增大了钻井液的扰动能力，使得钻井液对岩屑颗粒的举升、携带能力增强，再次运移的岩屑颗粒随着上返的钻井液被携带至地面。此外，CBI工具还可以减小斜井井眼作业过程中的摩阻和转矩，降低斜井段的卡钻风险。在由壳牌公司和马来西亚石油公司合作开发的东马近海油田中［9］，部分大位移井作业过程中岩屑床难以控制，钻具阻卡频繁、井眼质量差，引入CBI工具后一并解决了井眼净化和井眼质量差的问题。

图2　Cuttings Bed Impeller工具

1.3 Enhanced performance drill pipe（EP-EP）

Enhanced performance drill pipe（EP-DP）是由Stable Oilfield Services（SOS）公司研发的一种井眼净化钻杆（如图3所示），在大位移井、水平井作业过程中，EP-DP置于井底钻具组合之上用于代替标准钻杆和加重钻杆。EP-DP在钻杆外表面加工有凸出的刀翼面和螺旋槽道，凸出的刀翼面进行了铠装处理以增强其耐磨性，并有利于降低作业过程中的摩阻和转矩；螺旋槽道用于扰动、举升沉积的岩屑颗粒［10］。此外，凸出的刀翼外径略大于钻杆接箍的外径，以减少钻具与井眼的接触面积，降低卡钻风险。

尼日尼亚的Illah油田［11］深部地层发育有易水化泥页岩层，大斜度井在穿越该层段中井下复杂情况频发，加之井身结构的复杂性，井眼净化困难，严重地制约了钻井速度和质量。Addax Petroleum公司曾在上述区块尝试应用套管钻井技术，但是作业成本的增加降低了勘探开发的综合效应。为解决上述难题，该公司引入了EP-DP钻杆，并开展了2口井的现场试验，试验结果表明：EP-DP具有良好的岩屑床清除效果，2口井作业过程中摩阻系数维持在0～0．2，小于未采用EP-DP的井（0．2～0．4）；此外，这2口井在完井过程中也没有出现套管下入困难的情况，进一步验证了EP-DP的岩屑床清除效果。

图3　EP-DP井眼净化钻杆

1.4 Hole Cleaning Tool井下工具（HCT）

Hole Cleaning Tool（HCT）是OILSCO公司的一项新的专利技术［12］，其被设计为短节安置于底部钻具组合（BHA）之上。HCT外部设置有喷孔，内部安装有Multiple Activation Piston（MAP）（如图4所示），其精妙之处在于可以通过地面泥浆泵实时控制井下喷孔的开启和闭合，无需投球或是其他辅助设备。当井眼净化出现问题时，喷孔开启，钻井液从喷孔流出，冲击沉积的岩屑颗粒并提高其在环空中的运移能力。由于HCT置于底部钻具组合之上，其工作时的钻井液排量不受螺杆、MWD等设备额定工作参数的限制，因此实钻作业过程中可以适当增加钻井液排量，强化水力参数，提高井眼净化效率。

图4　Hole Cleaning Tool井下工具

综合国外井眼净化工具的调研分析可知：CBI 和EP-DP的外径大于钻杆接箍外径，旋转钻井作业过程中，工具与井壁或套管的摩擦、挤压和碰撞容易诱发新的井下复杂情况，并降低工具的使用寿命；HCT工作时产生的射流对井壁稳定性影响的研究还有待开展，这些问题都限制了它们的进一步推广应用；而VAM公司的HydroClean特种钻具已经形成了一套系列，并在世界各地开展了广泛的现场应用，指导特殊结构井施工，取得了良好的经济效益。

2 国内研究现状

国内关于井眼净化工具的研究起步较晚，经过几年的科技攻关和现场应用，国内已经有多家单位研发了井眼净化工具。其中具有代表性的是：胜利石油管理局钻井工艺研究院的岩屑床清除器［13］；上海海隆石油管材研究所的高效岩屑床清除钻杆［14］；西南石油大学的一种水平段气体钻井用井眼净化工具［15］和一种气体钻井携岩工具［16］。

2．1 岩屑床清除器

中石化集团胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院于2007年研制成功了岩屑床清除器，并进行了相关运行工况的流体动力学仿真研究，随后开展了一系列的推广应用。岩屑床清除器主要由工具本体、上弧形凹槽、V形扶正棱和下弧形凹槽组成（如图5所示），其工作原理如下［17］：

1）V形扶正棱具有更大的外径（大于钻杆接箍外径），因此该处的环空流速大，上返出的钻井液可以强烈地冲刷沉积的岩屑颗粒。

2）高速旋转的V形扶正棱可以增强工具周围的紊流场，提高了钻井液悬浮拖曳岩屑颗粒的能力。

3）V形扶正棱可以挖掘沉积在井眼低边的岩屑颗粒。

岩屑床清除器在国内的胜利、冀东等油田进行了现场试验和应用，取得了令人满意的结果。在胜利油田海上油田丛式井组中的CB26 A-7井［18］采用了6个岩屑床清除器，下入井段为931～2 200 m，最大井斜角60．4°，实钻过程中钻柱的摩阻、转矩大幅减小，完井作业顺利，取得了良好的岩屑床清除效果。冀东油田NP12-168井［19］井深5 040 m，水平位移3 802．32 m，最大井斜角72．4°，在应用岩屑床清除器后，钻柱转矩降低了20%～25%，机械钻速提高了5%～10%，有效地控制了钻具阻卡的风险，提高了井眼质量。

图5　胜利油田岩屑床清除器

2．2 高效岩屑床清除钻杆

上海大学和上海海隆石油管材研究所共同研制出了高效岩屑床清除钻杆［20］（如图6所示），并对其工作流场进行了数值仿真计算，证实了该类钻杆的岩屑床清除能力。高效岩屑床清除钻杆的特点是在钻杆或加重钻杆管体外圆上增加几组有一定深度、导程较长、横截面形状特殊的多线螺旋槽结构。数值模拟计算表明［20-22］：高速旋转的多线螺旋槽会产生大量的涡结构，增强了钻井液对岩屑的携带能力。在实际钻井作业过程中，多线螺旋槽结构可以起到扰动和冲击岩屑床的作用，通过增强特殊结构井井眼低边区域钻井液流场强度，将岩屑带入流速较大的高边环空，最后被上返的钻井液带走。试验表明：该钻杆设计合理，可靠性高，特定钻井液流速下岩屑床厚度可以降低30%～50%，摩阻和转矩可以降低40%以上。

图6　海隆高效岩屑床清除钻杆

3 结论

1)井眼净化工具在特殊结构井中得到了很好的应用，解决了岩屑床堆积、滑移的问题。在旋转钻井作业中，它可以减小钻具运动时的摩阻、转矩，提高机械钻速，改善井眼质量。虽然国内已有单位自主研发了井眼净化工具，但其性能较国外产品仍有一定差距，例如恶劣钻井环境条件适应性差（如高温高压深井、高含腐蚀介质井和深水钻井），还需通过消化吸收再创新来提高技术装备水平。

2)气体钻水平井技术、微小井眼钻井技术是国内外迅速发展的新技术，然而现有的井眼净化工具必须配合钻柱的旋转才能发挥效用，适用于非旋转钻进工况（例如滑动钻进、微小井眼钻进）的井眼净化工具鲜有报道；气体钻水平井的专用井眼净化工具的研制较为缓慢，需要进一步加大对配套装备的研发力度。

3)井眼净化工具的研制方向为：①高效率，无论是井眼净化钻杆还是井眼净化短节均会对环空压力剖面产生影响，过多地布置井眼净化工具势必会增加环空压耗，降低钻井液安全密度窗口，诱发井下复杂情况，因此提高井眼净化工具的工作效率十分关键；②智能化，实现地面对井下井眼净化工具的全面感知和智能控制，以提高钻井效率、控制钻井风险。

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Current Eevelopment of Hole Cleaning Tool in Special Structure Well

RENWenxi，LI Gao，MENG Yingfeng，BAO Kai，SUN Aisheng，TANG Hanling
（State Key Laboratory of Cil-Gas Reseruoir Geology&Exploitation，Southwest Petroleum Uniuersity，Chengdu 610500，China）

In drilling special structure well，one common problem is the building-up of cuttings beds，which often leads to down hole problems．The traditional methods of cuttings removal have a number of problems，such as inefficiency，high cost．At present，hole cleaning tool has been gradually adopted for removing cuttings beds．Therefore，the research progress and application of hole cleaning tools at home and aboard are reviewed，and technical advantages and disadvantages of different tools are analyzed．Finally，a summary of future research is ended with in this paper，which focuses on high efficiency and intellectualization hole cleaning tools．

special structure well；hole cleaning tool；cuttings bed；research progress

TE921．2

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．001

1001-3482（2015）04-0001-05

2014-10-23

国家重点基础研究发展计划（973计划）“深井复杂地层安全高效钻井基础研究”（2010CB226704）；国家科技重大专项课题“低渗气藏复杂地层高效钻井关键技术”（2011ZX05022-005）；四川省科技创新苗子工程“一种多用途复杂结构井井眼清洁工具”（2014-128）

任文希（1990-），男，四川成都人，硕士研究生，主要从事复杂结构井钻井工艺与储层保护研究，E-mail：wenxiren1990＠163．com。