特殊結構井井眼凈化工具研究新進展

任文希，李 皋，孟英峰，包 凱，孫愛生，唐漢林

（西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610500）

特殊結構井井眼凈化工具研究新進展

任文希，李 皋，孟英峰，包 凱，孫愛生，唐漢林

（西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610500）

特殊結構井在作業(yè)過程中容易出現(xiàn)巖屑床堆積問題，進而誘發(fā)井下復雜情況。傳統(tǒng)的巖屑床清除方法存在效率低、成本高的不足，目前國內外逐漸開始采用井眼凈化工具解決特殊結構井作業(yè)過程中的巖屑攜帶問題。綜合調研了國內外井眼凈化工具研究現(xiàn)狀和應用情況，分析了現(xiàn)有井眼凈化工具的技術優(yōu)勢和不足，指出了井眼凈化工具的研究方向：一是高效率，減少井眼凈化工具的入井數(shù)量，降低環(huán)空壓耗；二是智能化，實現(xiàn)地面對井下工具的智能控制。

特殊結構井；井眼凈化工具；巖屑床；研究進展

隨著油氣資源勘探開發(fā)力度不斷加大，特殊結構井技術［1］已經(jīng)開始廣泛應用于海洋油氣田開發(fā)、“三低”油氣田開發(fā)和老油田挖潛增效。然而，特殊結構井在作業(yè)過程中普遍存在井眼凈化不良、巖屑床堆積問題［2-3］，造成摩阻、轉矩增大，環(huán)空壓耗增加，進而引發(fā)鉆具阻卡、壓漏地層等井下復雜情況并影響后續(xù)的完井、固井作業(yè)。傳統(tǒng)的巖屑床清除方法有提高環(huán)空返速、提高鉆桿鉆速、清掃液掃除、頻繁短起下鉆作業(yè)等。然而這些方法均存在一定不足，例如導致鉆井作業(yè)成本增加，延長非生產(chǎn)時間等。目前，國內外逐漸開始采用井眼凈化工具來解決施工中的巖屑床堆積問題。為此，筆者調研了國內外井眼凈化工具的研究進展，分析了各類井眼凈化工具的技術特點和現(xiàn)場應用情況，最后指出了井眼凈化工具的發(fā)展趨勢，以期推動我國特殊結構井技術快速發(fā)展。

1 國外研究現(xiàn)狀

目前，國外僅部分石油技術服務公司致力于井眼凈化工具的研究，并成功開發(fā)了商業(yè)化應用的井眼凈化工具。例如：VAM公司的HydroClean系列特種鉆具；Halliburton公司的井眼凈化工具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系列鉆桿和Cuttings Bed Impeller（CBI）是較為成熟、應用較為廣泛的產(chǎn)品。

1.1 HydroClean系列特種鉆具

HydroClean系列特種鉆具是為了解決特殊結構井井眼凈化問題而研發(fā)的，主要包括Hydroclean鉆桿和Hydroclean短節(jié)，這里主要介紹Hydroclean鉆桿。第1代HydroClean鉆桿（G1）主要由扇形刀翼和螺旋槽道組成［4］，2010年VAM公司推出了第2代HydroClean（G2）鉆桿［5］，HydroClean （G2）鉆桿在第1代的基礎上增加了保護帶以防止高速旋轉的刀翼與井壁接觸、碰撞（如圖1所示）。

圖1　第2代　Hydroclean鉆桿

HydroClean鉆桿的主要工作原理為：

1)扇形刀翼的機械挖掘作用，高速旋轉的扇形刀翼挖掘沉積在井眼低邊的巖屑顆粒，并將其甩入環(huán)空中。

2)水力循環(huán)作用，環(huán)空中的巖屑顆粒被循環(huán)至環(huán)空返速最高的井眼高邊處。

3)水力輸運作用，巖屑顆粒離開井底并隨鉆井液返出。

2010年，為了進一步認識HydroClean鉆桿的工作原理和井眼凈化效果，Tulsa大學進行了大型鉆井模擬試驗［6］，其研究結果表明：HydroClean系列特種鉆具可以有效清除巖屑床；第2代Hydro-Clean鉆桿的井眼凈化效果略遜于第1代，但是第2代HydroClean鉆桿在作業(yè)過程中可以很好地保護扇形刀翼和井壁；鉆桿轉速的增加可以在一定程度上提高HydroClean鉆桿的工作效率。

目前，HydroClean系列特種鉆具在世界范圍內開展了超過500次的現(xiàn)場應用［5］，均取得了良好的效果，不僅解決了井眼凈化問題，還減少了非生產(chǎn)時間，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益。

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，最初用于英國的北海油田，接著是墨西哥灣等地區(qū)［7］。CBI工具是一段簡易的旋轉部件（如圖2所示），其主要由本體、V形槽道、過渡剖面構成，鉆井作業(yè)過程中CBI作為短節(jié)加接于鉆桿之間［8］。V形槽道不僅可以擊碎呈團狀的巖屑，使之分散為小的巖屑顆粒，還可以攪動沉積的巖屑，使得靜止的巖屑顆粒再次運移。同時，旋轉的V形槽道增大了鉆井液的擾動能力，使得鉆井液對巖屑顆粒的舉升、攜帶能力增強，再次運移的巖屑顆粒隨著上返的鉆井液被攜帶至地面。此外，CBI工具還可以減小斜井井眼作業(yè)過程中的摩阻和轉矩，降低斜井段的卡鉆風險。在由殼牌公司和馬來西亞石油公司合作開發(fā)的東馬近海油田中［9］，部分大位移井作業(yè)過程中巖屑床難以控制，鉆具阻卡頻繁、井眼質量差，引入CBI工具后一并解決了井眼凈化和井眼質量差的問題。

圖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）公司研發(fā)的一種井眼凈化鉆桿（如圖3所示），在大位移井、水平井作業(yè)過程中，EP-DP置于井底鉆具組合之上用于代替標準鉆桿和加重鉆桿。EP-DP在鉆桿外表面加工有凸出的刀翼面和螺旋槽道，凸出的刀翼面進行了鎧裝處理以增強其耐磨性，并有利于降低作業(yè)過程中的摩阻和轉矩；螺旋槽道用于擾動、舉升沉積的巖屑顆粒［10］。此外，凸出的刀翼外徑略大于鉆桿接箍的外徑，以減少鉆具與井眼的接觸面積，降低卡鉆風險。

尼日尼亞的Illah油田［11］深部地層發(fā)育有易水化泥頁巖層，大斜度井在穿越該層段中井下復雜情況頻發(fā)，加之井身結構的復雜性，井眼凈化困難，嚴重地制約了鉆井速度和質量。Addax Petroleum公司曾在上述區(qū)塊嘗試應用套管鉆井技術，但是作業(yè)成本的增加降低了勘探開發(fā)的綜合效應。為解決上述難題，該公司引入了EP-DP鉆桿，并開展了2口井的現(xiàn)場試驗，試驗結果表明：EP-DP具有良好的巖屑床清除效果，2口井作業(yè)過程中摩阻系數(shù)維持在0～0．2，小于未采用EP-DP的井（0．2～0．4）；此外，這2口井在完井過程中也沒有出現(xiàn)套管下入困難的情況，進一步驗證了EP-DP的巖屑床清除效果。

圖3　EP-DP井眼凈化鉆桿

1.4 Hole Cleaning Tool井下工具（HCT）

Hole Cleaning Tool（HCT）是OILSCO公司的一項新的專利技術［12］，其被設計為短節(jié)安置于底部鉆具組合（BHA）之上。HCT外部設置有噴孔，內部安裝有Multiple Activation Piston（MAP）（如圖4所示），其精妙之處在于可以通過地面泥漿泵實時控制井下噴孔的開啟和閉合，無需投球或是其他輔助設備。當井眼凈化出現(xiàn)問題時，噴孔開啟，鉆井液從噴孔流出，沖擊沉積的巖屑顆粒并提高其在環(huán)空中的運移能力。由于HCT置于底部鉆具組合之上，其工作時的鉆井液排量不受螺桿、MWD等設備額定工作參數(shù)的限制，因此實鉆作業(yè)過程中可以適當增加鉆井液排量，強化水力參數(shù)，提高井眼凈化效率。

圖4　Hole Cleaning Tool井下工具

綜合國外井眼凈化工具的調研分析可知：CBI 和EP-DP的外徑大于鉆桿接箍外徑，旋轉鉆井作業(yè)過程中，工具與井壁或套管的摩擦、擠壓和碰撞容易誘發(fā)新的井下復雜情況，并降低工具的使用壽命；HCT工作時產(chǎn)生的射流對井壁穩(wěn)定性影響的研究還有待開展，這些問題都限制了它們的進一步推廣應用；而VAM公司的HydroClean特種鉆具已經(jīng)形成了一套系列，并在世界各地開展了廣泛的現(xiàn)場應用，指導特殊結構井施工，取得了良好的經(jīng)濟效益。

2 國內研究現(xiàn)狀

國內關于井眼凈化工具的研究起步較晚，經(jīng)過幾年的科技攻關和現(xiàn)場應用，國內已經(jīng)有多家單位研發(fā)了井眼凈化工具。其中具有代表性的是：勝利石油管理局鉆井工藝研究院的巖屑床清除器［13］；上海海隆石油管材研究所的高效巖屑床清除鉆桿［14］；西南石油大學的一種水平段氣體鉆井用井眼凈化工具［15］和一種氣體鉆井攜巖工具［16］。

2．1 巖屑床清除器

中石化集團勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院于2007年研制成功了巖屑床清除器，并進行了相關運行工況的流體動力學仿真研究，隨后開展了一系列的推廣應用。巖屑床清除器主要由工具本體、上弧形凹槽、V形扶正棱和下弧形凹槽組成（如圖5所示），其工作原理如下［17］：

1）V形扶正棱具有更大的外徑（大于鉆桿接箍外徑），因此該處的環(huán)空流速大，上返出的鉆井液可以強烈地沖刷沉積的巖屑顆粒。

2）高速旋轉的V形扶正棱可以增強工具周圍的紊流場，提高了鉆井液懸浮拖曳巖屑顆粒的能力。

3）V形扶正棱可以挖掘沉積在井眼低邊的巖屑顆粒。

巖屑床清除器在國內的勝利、冀東等油田進行了現(xiàn)場試驗和應用，取得了令人滿意的結果。在勝利油田海上油田叢式井組中的CB26 A-7井［18］采用了6個巖屑床清除器，下入井段為931～2 200 m，最大井斜角60．4°，實鉆過程中鉆柱的摩阻、轉矩大幅減小，完井作業(yè)順利，取得了良好的巖屑床清除效果。冀東油田NP12-168井［19］井深5 040 m，水平位移3 802．32 m，最大井斜角72．4°，在應用巖屑床清除器后，鉆柱轉矩降低了20%～25%，機械鉆速提高了5%～10%，有效地控制了鉆具阻卡的風險，提高了井眼質量。

圖5　勝利油田巖屑床清除器

2．2 高效巖屑床清除鉆桿

上海大學和上海海隆石油管材研究所共同研制出了高效巖屑床清除鉆桿［20］（如圖6所示），并對其工作流場進行了數(shù)值仿真計算，證實了該類鉆桿的巖屑床清除能力。高效巖屑床清除鉆桿的特點是在鉆桿或加重鉆桿管體外圓上增加幾組有一定深度、導程較長、橫截面形狀特殊的多線螺旋槽結構。數(shù)值模擬計算表明［20-22］：高速旋轉的多線螺旋槽會產(chǎn)生大量的渦結構，增強了鉆井液對巖屑的攜帶能力。在實際鉆井作業(yè)過程中，多線螺旋槽結構可以起到擾動和沖擊巖屑床的作用，通過增強特殊結構井井眼低邊區(qū)域鉆井液流場強度，將巖屑帶入流速較大的高邊環(huán)空，最后被上返的鉆井液帶走。試驗表明：該鉆桿設計合理，可靠性高，特定鉆井液流速下巖屑床厚度可以降低30%～50%，摩阻和轉矩可以降低40%以上。

圖6　海隆高效巖屑床清除鉆桿

3 結論

1)井眼凈化工具在特殊結構井中得到了很好的應用，解決了巖屑床堆積、滑移的問題。在旋轉鉆井作業(yè)中，它可以減小鉆具運動時的摩阻、轉矩，提高機械鉆速，改善井眼質量。雖然國內已有單位自主研發(fā)了井眼凈化工具，但其性能較國外產(chǎn)品仍有一定差距，例如惡劣鉆井環(huán)境條件適應性差（如高溫高壓深井、高含腐蝕介質井和深水鉆井），還需通過消化吸收再創(chuàng)新來提高技術裝備水平。

2)氣體鉆水平井技術、微小井眼鉆井技術是國內外迅速發(fā)展的新技術，然而現(xiàn)有的井眼凈化工具必須配合鉆柱的旋轉才能發(fā)揮效用，適用于非旋轉鉆進工況（例如滑動鉆進、微小井眼鉆進）的井眼凈化工具鮮有報道；氣體鉆水平井的專用井眼凈化工具的研制較為緩慢，需要進一步加大對配套裝備的研發(fā)力度。

3)井眼凈化工具的研制方向為：①高效率，無論是井眼凈化鉆桿還是井眼凈化短節(jié)均會對環(huán)空壓力剖面產(chǎn)生影響，過多地布置井眼凈化工具勢必會增加環(huán)空壓耗，降低鉆井液安全密度窗口，誘發(fā)井下復雜情況，因此提高井眼凈化工具的工作效率十分關鍵；②智能化，實現(xiàn)地面對井下井眼凈化工具的全面感知和智能控制，以提高鉆井效率、控制鉆井風險。

［1］周英杰．勝利油田特殊結構井開發(fā)技術新進展［J］．石油勘探與開發(fā)，2008，35（3）：318-329．

［2］Yan T，Wang K，Sun X，et al．State-of-the-Art Hole-Cleaning Techniques in Complex Structure Wells［J］．Recent Patents on Engineering，2014，8（1）：50-57．

［3］孫曉峰，閆鐵，王克林，等．復雜結構井井眼清潔技術研究進展［J］．斷塊油氣田，2013（1）：1-5．

［4］Boulet J G，Shepherd J A，Batham J，et al．Improved hole cleaning and reduced rotary torque by new external profile ondrillingequipment［R］．SPE／IADC，59143 MS，2000．

［5］Van Puymbroeck L．New Generation Drill Pipe to Increase Drilling Performance in ERDWells［R］．SPE／IADC 166775，2013．

［6］Ahamed R，Sagheer M，Takach N．Experimen-tal studies on the effect of mechanical cleaning devices on annular cuttings concentration and application for optimizing ERD systems［R］．SPE 134269，2010．

［7］吳仲華，溫林榮，聶云飛．利用巖屑床破壞工具和可膨脹套管扶正器改善井眼質量［J］．石油礦場機械，2006，35（S1）：59-62．

［8］Halliburton．Cuttings Bed Impeller（CBI）Tool［EB／OL］．（2009-01-12）［2014-10-07］．http：／／www．halliburton．com／public／sdbs／sdbs＿contents／Data＿Sheets／H03020．pdf．

［9］Rodman D，Wong T，Chong A C．Steerable Hole Enlargement Technology in Complex 3D Directional Wells ［R］．SPE 80476 MS，2003．

［10］Stable Services Libya．Hole Cleaning Tools［EB／OL］．（2012-01-05）［2014-10-07］．http：／／stablelibya．com／holeclean＿epdp．a(chǎn)sp．

［11］Nwagu C，Awobadejo T，Gaskin K．Application of Mechanical Cleaning Device：Hole Cleaning Tubulars To Improve Hole Cleaning［R］．SPE 172403 MS，2014．

［12］OILSCO Technologies．Hole Cleaning Tools（H．C．T）［EB／OL］．（2012-03-14）［2014-10-07］．http：／／www．oilsco-tech．com／products／hole-cleaning-tool-h．c．t．

［13］吳仲華，孫浩玉，聶云飛，等．巖屑床破壞工具流場的數(shù)值模擬［J］．石油鉆探技術，2007（5）：83-85．

［14］上海海隆石油管材研究所．海隆高效巖屑床清除鉆具［EB／OL］．（2012-02-05）［2014-10-07］．http：／／www．hilongyjs．com／cxyf．php？id＝77．

［15］李皋，李誠，孟英峰，等．一種水平段氣體鉆井用井眼凈化工具：中國，CN103775010 A［P］．2014-01-22．

［16］祝效華，賈彥杰，童華，等．一種氣體鉆井攜巖工具：中國，CN101265786B［P］．2012-04-25．

［17］孫浩玉．巖屑床清除器設計及其流場仿真研究［J］．石油機械，2009，37（12）：38-41．

［18］王智鋒．復雜結構井巖屑床清除技術［J］．石油鉆采工藝，2009（1）：102-104．

［19］Zhu X，Sun C，Tong H．Distribution features，transport mechanism and destruction of cuttings bed in horizontal well［J］．Journal of Hydrodynamics，Ser．B，2013，25（4）：628-638．

［20］房亮，李孝偉，狄勤豐．巖屑床清除鉆桿流場的數(shù)值模擬與分析［J］．水動力學研究與進展A輯，2014（3）：332-337．

［21］陳鋒，狄勤，袁鵬斌，等．高效巖屑床清除鉆桿作用機理［J］．石油學報，2012（2）：298-303．

［22］陳建民，張棋，郭鵬增，等．清除器對水平井段巖屑運移的影響分析［J］．石油礦場機械，2014，43（10）：25-30．

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

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）“深井復雜地層安全高效鉆井基礎研究”（2010CB226704）；國家科技重大專項課題“低滲氣藏復雜地層高效鉆井關鍵技術”（2011ZX05022-005）；四川省科技創(chuàng)新苗子工程“一種多用途復雜結構井井眼清潔工具”（2014-128）

任文希（1990-），男，四川成都人，碩士研究生，主要從事復雜結構井鉆井工藝與儲層保護研究，E-mail：wenxiren1990＠163．com。