水平井岩屑床清除工具优化设计与应用

纪国栋 陈 勋 佟德水 刘 力 郭卫红 余万顺

（1.中国石油集团工程技术研究院有限公司；2.辽河油田公司钻采工艺研究院；3.中国石油勘探开发研究院）

为提高单井产量和最终采出程度，水平井水平井段的设计长度逐步增加，目前国外非常规油气开发中水平段长度一般都大于2 000 m，3 000 m的水平段也非常常见，最大水平井段长度已突破5 000 m。水平井，特别是长水平段水平井钻井面临着诸多技术挑战，其中，井眼清洁问题常会引起起/下钻遇阻、钻具托压甚至卡钻问题，造成较大的经济损失［1，2］。新疆玛湖致密油水平井平均水平段长度超过1 500 m，1 500 m以上水平段水平井数量占比达52%，长水平段钻井过程中面临钻井液携岩效率低、斜井段易堆积形成岩屑床等难题，导致摩阻扭矩大、托压严重和起/下钻阻卡复杂状况多，后期电测、下套管遇阻严重，一次到底难度大。

提高环空返速、改善钻井液性能及机械清除等传统清除岩屑床的主要方式具有较大的局限性，已经无法完全满足长水平段水平井的岩屑清除要求［3］。近年来，为有效解决井眼清洁问题，许多学者研制了不同类型的岩屑床清除工具，如Samuel R发明的自适应的井眼清洁工具［4］，Tolle G C发明的分流式水力清屑装置［5］等。Puymbroeck L V等的论文介绍了VAM Drilling公司的一种带有双螺旋叶片的复合井眼清洁工具［6～10］，其结构特点是集成了清洁岩屑的叶片和减阻的滑动轴承，应用了CFD数值模拟优化设计了叶片剖面形状，工具扭矩传动通过钻杆提供，室内实验和现场测试表明该工具在40℃以下的造斜段和水平段具有极好的岩屑床破坏能力，提高井眼清洁程度达60%以上，钻具摩阻减少30%。VAM Drilling公司的系列产品在英国北海、中东地区和北美地区成功开展商业应用，取得了良好的岩屑床抑制、钻杆降阻效果，为解决长水平段水平井岩屑清除难题发挥先导性作用［11，12］。

目前，国内尚缺乏高效的岩屑床清除工具，对工 具 的参 数 优 化 多 以 数 模 为 主［13～18］，缺 少 深 入的实验研究。

为此，笔者设计了直棱形、螺旋形和V形3种岩屑床清除工具叶片结构，并通过室内携岩实验优选叶片结构和参数。

1 工作原理与结构设计优选

1.1 岩屑床清除工具的工作原理

长水平段水平井钻井过程中，岩屑床清除工具通过丝扣与钻杆连接构成钻具组合，由钻杆传递扭矩旋转，叶片旋转诱导环空钻井液产生螺旋流结构并沿钻井液上返方向传播，抑制岩屑颗粒沉降形成岩屑床，提高岩屑清除效率。岩屑床清除工具突出的叶片通过机械刮削作用修复不规则井壁，达到井眼净化和井眼通畅的目的，有效降低摩阻扭矩，保证起/下钻、电测及下套管等作业的安全。

1.2 岩屑床清除工具叶片结构设计

岩屑床清除工具安装在相邻的两根钻杆之间，由上接头、本体、叶片及下接头等组成，叶片结构设计是岩屑床清除工具结构设计的关键，叶片形状、长度、外径及数量等参数对岩屑床清除工具的岩屑清洁效率影响较大。本研究设计了直棱形、螺旋形、V形3种叶片结构（图1），外径146 mm，长度150 mm，数量为6个，轴向均布。直棱形叶片平行于钻杆轴线，叶片横截面为矩形，螺旋形和V形叶片螺距1 100 mm，V形叶片开口方向与钻杆旋转方向相反，以叶片轴线中点为对称点分布。

图1 3种叶片结构

2 叶片结构对岩屑清洁效率的影响

2.1 实验方法与实验参数组合

应用3D打印技术制备3种结构岩屑床清除工具叶片并开展岩屑清洁效率对比实验。通过实验评价叶片结构、叶片长度和叶片外径对岩屑清洁效率的影响规律。

实验装备包括液体泵注及测量系统；岩屑注入、收集及测量系统；井筒及旋转钻杆控制系统；储罐与管阀系统等。采用粒径2.0～2.5 mm的染色硅酸盐颗粒模拟岩屑，颗粒均质等粒径，密度为2 500 kg/m3。模拟常温条件下圆管环空内的钻井液携带岩屑流动过程，变量参数包括岩屑颗粒注入浓度、钻杆旋转转速及井斜角等。通过观测岩屑床运移与破坏现象，计量稳态流动后环空岩屑返出情况，真实模拟岩屑床清除工具作用下岩屑运动和分布特点，评价岩屑清洁效率。岩屑床清除工具作用后的计量参数为井筒岩屑剩余量（岩屑排出量），即循环井筒环空达到稳态时，关闭循环，计量井筒中岩屑剩余量，由此算得岩屑排出量与岩屑注入量的比值即为岩屑清洁效率。

实验参数组合：岩屑注入速度1.0、1.5 L/min，岩屑直径2 mm、钻杆转速180 r/min、井斜角90°。在相同参数组合条件下，对比钻杆、3种不同叶片结构的岩屑清洁效率。

2.2 实验结果分析

实验结果列于表1。由表1可知，与纯钻杆相比，增添叶片后，岩屑清洁效率显著增加。岩屑清洁效率排序为：V形叶片＞螺旋形叶片＞直棱形叶片＞纯钻杆，因此优选V形叶片作为岩屑床清除工具的清岩结构。

表1 不同结构岩屑床清除工具的清岩效果

3 V形叶片结构参数敏感性实验

3.1 V形叶片结构参数设计与实验现象

与直棱形和螺旋形叶片相比，V形叶片的岩屑清洁效率最高，因此进一步研究V形叶片结构参数（叶片长度、叶片外径和叶片数量）对岩屑清洁效率影响的敏感性，优化V形叶片参数。

基于钻柱刚性和强度考虑，应用3D打印制备了不同叶片长度、不同外径和叶片数量的V形实验用叶片工具（图2），并开展携屑实验，实验时不同结构参数的V形叶片均能诱导出环空螺旋流动，通过观察实验现象可以发现，螺旋流将堆积的岩屑床破坏并将岩屑颗粒二次悬浮，悬浮颗粒在V形叶片的加速作用下随钻井液加速返出实验井筒。

图2 3D打印的实验用V形叶片

3.2 V形叶片长度对岩屑清洁效率的影响

为研究V形叶片长度对岩屑清洁效率影响的敏感性，分别开展了两组实验。第1组实验条件：岩屑注入速度1.0 L/min、岩屑直径2 mm、钻杆转速180 r/min、井斜角90°；第2组实验条件：岩屑注入速度1.5 L/min、岩屑直径2 mm、钻杆转速180 r/min、井斜角90°。应用3D打印分别加工长 度 为40、70、100、150、200、250 mm的V形 叶片，其中叶片外径140 mm，螺距1 100 mm，叶片数量4个，逐一开展携屑实验研究，实验循环至井筒内岩屑沉积量达到稳定状态，并记录两组实验结果（表2）。

表2 不同叶片长度对应的井筒岩屑剩余量

根据井筒岩屑剩余量和岩屑清洁效率的定义，绘制出岩屑清洁效率随叶片长度的变化曲线（图3），由图3可以看出，叶片长度对V形叶片清岩效果的影响较大，清岩效率随着叶片长度的增加而增加，当叶片长度超过100 mm后，清岩效率基本趋于稳定，说明叶片长度有适宜的长度区间，在此实验条件下叶片长度的最优区间为100～150 mm。

图3 清岩效率随叶片长度变化曲线

3.3 V形叶片外径对岩屑清洁效率的影响

为研究叶片外径对岩屑清洁效率影响的敏感性，分别开展两组实验（实验条件同3.2节）。应用3D打印分别加工外径为120、129、134、139、144、150 mm的V形叶片，其中叶片长度150 mm，螺距1 100 mm，叶片数量4个，逐一开展携屑实验研究，两组实验结果列于表3。

表3 不同叶片外径对应的井筒岩屑剩余量

根据井筒岩屑剩余量和岩屑清洁效率定义，绘制出岩屑清洁效率随叶片外径的变化曲线（图4），由图4可以看出，叶片外径对V形叶片清岩效果影响较大，清岩效率随叶片外径的增加而增加，在条件允许的情况下，尽量增大叶片外径，考虑到新疆玛湖致密油水平井水平段ϕ165.1 mm井眼，使用钻杆接头外径127 mm，为防止叶片外径过大带来卡钻、破坏井壁等风险，综合考虑井眼内径和钻杆接头外径，选择叶片外径139 mm，与钻杆接头相比，叶片单边突出6 mm。

图4 清岩效率随叶片外径变化曲线

3.4 V形叶片数量对岩屑清洁效率的影响

为考察叶片数量对岩屑清洁效率影响的敏感性，分别加工叶片数量为3、4、5、6个的V形岩屑清洁工具开展室内实验，其中各叶片长度150 mm，螺距1 100 mm，叶片外径146 mm。实验条件同3.2节。两组实验结果见表4。

表4 不同叶片数量对应的井筒岩屑剩余量

根据井筒岩屑剩余量和岩屑清洁效率定义，绘制出岩屑清洁效率随叶片数量的变化曲线（图5），可以看出叶片数量对V形叶片清岩效果影响不大，三叶片工具工作时叶片间流体存在滑脱现象，有部分流体周向流速没有达到峰值，而叶片数量为4、5、6时，岩屑清洁效率基本保持恒定，因此工具叶片数量选择4个或5个为宜。考虑到叶片数量过多易导致环空流体压降增大，且井下工具结构宜尽量简化以降低加工制造难度，优选叶片数量为4个。

图5 井筒岩屑剩余量随叶片数量变化曲线

4 岩屑床清除工具现场测试

4.1 岩屑床清除工具样机加工

根据V形叶片岩屑清洁效率实验得出的结论，设计加工了适用于ϕ165.1 mm井眼的V形岩屑床清除工具（图6），该工具由上接头、本体、V形叶片和下接头组成，工具技术参数为：长度1 000 mm，叶片外径139 mm，叶片长度150 mm，V形叶片数量4个，工具内径60 mm，两端接头型号NC38。工具在新疆玛湖致密油水平井开展2井次现场测试。

图6 V形叶片岩屑床清除工具结构示意图

4.2 MaHW6202井现场测试

MaHW6202井是一口长水平段致密油水平井，设计井深5 822.84 m，水平段长1 800 m，三开井身结构，三开采用ϕ165.1 mm钻头钻至5 579 m，井斜90.8°，岩屑床堆积严重，振动筛基本无岩屑返出，钻柱摩阻超过20 t，托压严重。为及时清除岩屑床和降低摩阻扭矩，起钻接V形岩屑床清除工具通井作业，采用间隔下钻和分段主动划眼的模式进行上下往复划眼，破坏并清除岩屑床，修整不规则井眼，划眼过程中振动筛返出岩屑明显，下钻划眼井段4 137～5 579 m，倒划眼井段5 579～4 175 m，划眼井段长1 442 m，工具入井时间82 h，主螺旋结构完好，外径磨损1.2 mm。通井后钻柱摩阻（上提摩阻）由之前的23～24 t以上下降到4～5 t（图7），起/下钻通畅，保障了后期电测、下套管作业的安全顺利。

图7 V形岩屑床清除工具应用效果

4.3 MaHW1332井现场测试

MaHW1332井是一口长水平段致密油水平井，设计井深5 169.60 m，水平段长1 705 m，三开井身结构，三开采用ϕ165.1 mm钻头钻至5 167 m，井斜85.6°，钻柱摩阻扭矩大，托压严重。为及时清除岩屑床、降低摩阻扭矩，起钻接中石油工程院研制的V形岩屑床清除工具配合牙轮钻头通井，工具入井时间42.8 h，划眼和钻进时间11.6 h，V形叶片完好，外径磨损1 mm。划眼过程中振动筛岩屑返出明显，并伴有大颗粒岩块返出。通井后井底钻柱摩阻（上提摩阻）由之前的20 t左右下降到11～12 t，降低40%左右，起/下钻通畅且无阻卡，后期下套管安全顺利，一次到底。

5 结论

5.1 由实验结果可知，与直棱形、螺旋形叶片相比，V形叶片结构的岩屑床清除工具清洁效率最高，螺旋形叶片次之，直棱形叶片最差。相同实验条件下，3种结构的叶片清洁效率均优于钻杆。

5.2 通过室内敏感性实验得出了V形叶片3种关键参数对岩屑清洁效率的影响规律，优化了叶片关键参数组合：叶片长度150 mm，叶片外径139 mm，叶片数量4个，基于最优参数组合设计了适用于ϕ165.1 mm井眼的V形岩屑床清除工具。

5.3 研制了V形岩屑床清除工具样机，在新疆玛湖致密油水平井现场测试2井次，通过划眼、钻进相结合的方式破坏和清除岩屑床，对岩屑床易堆积井段进行高转速往复划眼和洗井作业，应用过程中振动筛岩屑返出明显，应用后钻柱摩阻大幅下降，起/下钻通畅、无阻卡，保障了后期电测或下套管作业安全顺利。配套应用V形岩屑床清除工具是水平井抑制岩屑床形成的有效方法。