0 引 言

目前，钻磨桥塞技术成熟度还有待提高，特别是水平井作业时工艺风险较高，主要原因是常规作业磨铣后产生的碎屑移运受井深、井斜和水平段长的影响，要求工作液具有良好的携带性和稳定性，需使用特殊配方，在施工控制方面对排量、钻压和地面装置要求较高，大大增加了作业成本。即便如此，作业产生的较大碎块在上排中容易造成憋钻和卡钻等事故。采用多功能井眼清洗工具能有效收集井筒内的碎屑^[1-3]，有利于提高钻磨作业安全性，也便于后期作业开展。目前，国外几家著名油田服务公司已经在井眼清洗方面有了相对深入的研究，相继开发了一系列清洗工具并投入商业使用，如贝克休斯公司的VACS和CUSTODIAN系统、哈里伯顿公司的Clean Well系统及斯伦贝谢公司的SCAVENGER工具串等^[4-5]。这些工具在国内油田使用过程中功能单一，且效果不佳，针对不同碎屑没有针对性的收集方案，打捞清洗效果有待提高。为此，笔者研制了多功能井眼清洗工具，并进行了现场试验。

1 技术分析 1.1 结构

多功能井眼清洗工具结构如图 1所示，主要由上接头、喷射接头、喷射衬套、喷嘴、筛网、碎屑收集筒、分屑管、碎片收集筒、瓣阀、阀筒和铣鞋等组成。

1.2 工作原理

在磨铣桥塞作业中，工具在钻杆的带动下旋转，磨铣液通过钻杆中心通道进入上接头内部，再通过喷射衬套上的喷嘴，通过喷嘴节流产生高速流体，在射流抽吸作用下产生一个高速局部流体反循环。高速流体从环空向下流动到底部，从铣鞋的过流口进入底部中心。作业中铣鞋磨出的碎屑在高速流体的循环和工具旋转作用下进入工具内部，从内部中心向上运移，流体携带碎块冲开阀瓣继续向上，大碎块被收集在碎片收集筒内，小碎屑被流体带动继续向上移运，通过分屑管，直到被筛管过滤并沉降在腔内，停泵后阀瓣回弹关闭，完成大小碎屑收集，出井后卸开工具取出收集的碎物。工具也可用同样的方法下入井底对螺母、射孔枪弹片和牙轮等小块井底落物进行打捞。

1.3 主要技术参数

作用套管：ø177.8 mm；

工具尺寸：ø147 mm×6.5 m;

作业压力：25 MPa；

工作转速： 60 r/min；

连接扣型： ø88.9 mm(3 1/2 in)IF.BOX；

额定扭矩：15 kN·m。

1.4 关键技术 1.4.1 喷嘴流场优化设计

工具对碎屑和碎块的收集能力取决于射流抽吸作用产生的流体移运效果，对于工具主体而言，影响其工作效果的直接参数有：①喷嘴直径；②喷嘴数量；③喷嘴角度；④工具直径；⑤分屑管内径；⑥铣鞋尺寸。作业过程中，工具的使用效果又受制于以下客观条件：①泵流量；②管柱转速；③钻压；④铣鞋进速；⑤套管内径。工具的直接参数与客观输入条件决定产品使用效果，为此，笔者利用CFX软件通过变换喷嘴直径和喷嘴角度等参数，在ø177.8 mm套管不同内径中对循环流场进行对比分析，进而完成参数优选，结果如图 2和图 3所示。

1.4.2 流场中碎片受力理论分析

研究作业中碎片能否被有效收集的关键在于井下流体的举升和碎屑携运能力，其本质就是确定固体颗粒在流体中表现为上升运动的临界条件。可从固体颗粒沉降理论出发，研究其上升、悬浮和沉降的临界条件。

固体颗粒在井中随流体的运动可看作稀疏固体流动，可忽略附加质量力、Basset力及Magnus力，只考虑浮重和流体拖曳力。假设固体颗粒为球形，流场中固体颗粒所受浮重为：

(1)

式中:F_s为固体颗粒浮重，N；d_s为固体颗粒直径,m；g为重力加速度，m/s²;ρ_s为固体颗粒密度,kg/m³;ρ_f为流体密度,kg/m³。

固体颗粒在流体中受到的拖曳力为：

(2)

式中:F_D为固体颗粒所受的拖曳力，N；C_D为拖曳力系数；v_f为流体速度，m/s;v_s为固体颗粒的运动速度，m/s。

当固体颗粒运动过程中所受拖曳力大于浮重时，固体颗粒才有可能悬浮上升,但固体颗粒上升之后其所受拖曳力将随之减小，直到颗粒运动过程中所受拖曳力和浮重大小相等时，固体颗粒处于平衡状态，做匀速沉降运动。此时颗粒的沉降速度即为沉降末速度，即：

(3)

固体颗粒在流动液体中实际速度应为沉降末速度与流体实际流速的矢量和，即流体以小于颗粒沉降末速度的流速向上流动，则颗粒将下沉，反之颗粒将被携带上升，直至平衡状态。该平衡状态流体流速与颗粒沉降末速度相等，颗粒处于匀速上升状态^[6-8]。

上述理论公式既便于阀腔和分屑管流道设计，又便于选择合适的作业流量，以保证工具作业时流体有足够大的速度将碎块带入收集腔内。

1.4.3 工具反循环流场分析

工具在进行喷嘴流场优化设计后再结合流场固体颗粒的运动分析计算，确定了工具的关键设计参数。笔者在ø177.8 mm套管内对工具进行了模拟分析，工具外径为142.0 mm，在泵送12 L/s的流量下基于CFX软件对工具进行了流场分析^[9-10]，结果如图 4所示。

1.5 产品特点 1.5.1 特殊的收集方案

国外相关产品之所以在作业中效果不佳，是因为不同铣鞋磨铣不同桥塞产生的碎块大小无法估计，导致收集不彻底。笔者设计的井眼清洗工具含有2个收集腔，通过不同大小碎块的沉降速度不同来分级收集，独特的分屑设计使得碎屑不会回落井底，且根据作业量的大小可适当增加收集腔的长度(最长可增至9.5 m)，有效地保证单次作业效率。

1.5.2 多功能清洗作业下的个性匹配方案

①钻磨收集一体：筛管+分屑管+活瓣阀+碎屑收集筒+碎片收集筒+专用领眼磨鞋；②打捞井底碎屑：割缝尾管+分屑管+碎屑收集筒+专用平底铣鞋；③打捞落井牙轮和螺栓等：翻转爪+碎片收集筒+端部开口；④打捞井底碎片：打孔管+活瓣阀+碎片收集筒+专用平底铣鞋；⑤井底清砂：定制绕丝滤网+分屑管+碎屑收集筒+平底铣鞋

1.5.3 工具成本低、效率高、更加安全

与传统钻磨桥塞和洗井打捞作业相比，该工具对磨铣液成分和作业流量要求不高，有效地降低了作业成本；工具1次起下钻可完成磨铣和收集作业，避免了二次洗井，大大节省了作业时间；作业依靠反循环收集碎屑，避免了碎屑进入环空，也大大降低了憋钻和卡钻的风险，使得作业安全性大大提高。

2 现场试验及效果评价 2.1 典型案例1: 广安女107井

广安女107井位于广安市武胜县，该井已经停产，表层套管外径为177.8 mm，套管内径为157.0 mm，井深522.47 m，井底为封堵桥塞。现场投入鹅卵石和螺母进行模拟试验，工具安装瓣阀，去掉滤网和碎屑收集筒，底部敞开，安装3组ø6.0 mm喷嘴下至井底。工具到达井底后上提1 m，然后开泵循环并旋转下放管柱进行作业，在不同泵送 流量(8、10、12和15L/s)下4次上提下放至井底，记录4次不同的压力。经过4次下放后，工具起出，现场拧开工具收集腔，统计打捞出鹅卵石和螺母共38块，称质量2.1 kg，其中最大尺寸达到50 mm。

2.2 典型案例2：长宁H10-3井

长宁H10-3井位于宜宾市长宁县。对该井桥塞进行磨铣收集，作业井深为2 325 m，工具按照要求搭配足够长度的收集筒，与钻杆连接下入井底后上提1 m，然后开泵至15 L/s，启动转盘，转速调在60 r/min左右，钻压控制在151 kN平稳作业，测得地面泵压稳定，为22.5 MPa，作业中钻进平稳，直至井深2 362 m，起出工具后倒出所收集的小碎屑，清洗后称质量为252.3 kg。

3 结论和建议

(1) 理论计算分析证明多功能井眼清洗工具的作业效果与工具的直径、流体的流道和工作流量有关，根据不同的作业内容因地制宜选择针对性的施工方案是作业的关键。

(2) 现场试验结果表明：多功能井眼清洗工具可有效打捞井底碎物和碎屑，有效解决了常规修井作业中遇到的井底螺栓、螺母和石块等大块落物打捞难的问题；同 时，工具可在磨铣桥塞作业中有效收集磨铣产生的碎屑，整个作业平稳，安全可靠，且在作业过程中节省了工作液，大大降低了作业成本。

(3) 磨铣作业完成起出工具后，收集腔内碎屑接近装满，检查铣鞋磨损情况良好，远未到其工作寿命，建议进一步优化匹配方案，以此来减少作业中管柱的起下次数，后续也要评估不同铣鞋在磨铣不同桥塞时的寿命和产生磨屑的形式，从而进一步提高作业效率。