2. 中海油能源发展工程技术公司油田工具公司;
3. 中石油集团渤海钻探新青玉石油工程事业部
2. Engineering Technology Company of CNOOC EnerTech Company;
3. Xinqingyu Petroleum Engineering Division, CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited
0 引言
大斜度井、大位移井和水平井等复杂结构井，当井斜角超过40°时，容易出现井眼清洁困难的问题，导致后续作业过程中出现附加拉力异常增大、定向托压及环空压耗升高等难题，增加了地面设备的负载和井下风险[1-5]。
针对井眼清洁难题，国内外开展了大量井眼清洁工具的研究[6-7]。笔者拟在此重点介绍井眼清洁工具国内外研究进展和今后的发展趋势，旨在促进我国井眼清洁工具的发展，提高复杂结构井的井眼清洁效率。
1 国外井眼清洁工具研究进展目前国外典型的井眼清洁工具有3种，包括井眼清洁钻杆/加重钻杆、机械式井眼清洁短节和射流式井眼清洁短节等。其中，最具代表性的有VAM公司的HydroClean钻杆/加重钻杆、Halliburton公司的Cuttings Bed Impeller短节和OILSCO公司的Hole Clean Tool短节。下面将着重介绍这3种井眼清洁工具的结构、工作原理、基本参数以及优缺点。
1.1 HydroClean井眼清洁钻杆/加重钻杆HydroClean井眼清洁钻杆/加重钻杆由VAM公司研制，主要是解决特殊结构井井眼净化问题[8]。目前公司已有2代产品，第1代HydroClean钻杆(G1)主要由扇形刀翼和螺旋槽道组成，可以有效清除岩屑床，但是这种清洁钻杆容易出现刀翼磨损快和破坏井壁的问题；第2代HydroClean(G2)钻杆在第1代的基础上增加了耐磨带，可防止高速旋转的刀翼与井壁接触、碰撞，很好地保护扇形刀翼和井壁。HydroClean井眼清洁钻杆/加重钻杆主要包括接头、本体段和清洁段。其中，清洁段由耐磨带、导流带和清洁段组成，如图 1所示。
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| 图 1 HydroClean井眼清洁钻杆清洁段结构示意图 Fig.1 Structural schematic diagram of the cleaning section of the HydroClean wellbore cleaning drill pipe |
HydroClean井眼清洁钻杆/加重钻杆主要依靠清洁段机械刮削、水力举升和水力运输3方面的作用清洁井眼，即：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；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；水力输运作用，岩屑颗粒离开井底并随钻井液返出，如图 2所示。与常规产品相比，该产品的井眼清洁效率提高60%，摩阻扭矩降低30%，环空压力损失降低50%以上。
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| 图 2 HydroClean井眼清洁钻杆作用原理示意图 Fig.2 Schematic diagram of the operation principle of the HydroClean wellbore cleaning drill pipe |
目前，HydroClean井眼清洁钻杆/加重钻杆已经形成了8种系列，满足了各类井眼清洁的需求，并在世界各地开展了500井次的现场应用，不仅解决了井眼净化问题，还缩短了生产时间，产生了较高的经济效益。表 1为HydroClean井眼清洁钻杆基本参数。
| 工具外径 | 工具长度 | 接头外径 | 钻杆清洁段长度 | 加重钻杆清洁段长度 | 接头内径 | 清洁段外径 | 耐磨带外径 |
| 73.0 | 9 448.8 | 104.7 | 609.6 | 1 219.2 | 50.8 | 109.5 | 120.6 |
| 88.9 | 9 448.8 | 120.6 | 609.6 | 1 219.2 | 65.0 | 125.4 | 136.5 |
| 101.6 | 9 448.8 | 139.7 | 609.6 | 1 219.2 | 65.0 | 138.1 | 149.2 |
| 114.3 | 9 448.8 | 158.7 | 609.6 | 1 219.2 | 76.2 | 157.1 | 161.9 |
| 127.0 | 9 448.8 | 168.2 | 609.6 | 1 219.2 | 82.5 | 168.2 | 177.8 |
| 139.7 | 9 448.8 | 177.8 | 609.6 | 1 219.2 | 95.2 | 182.5 | 187.3 |
| 149.2 | 9 448.8 | 177.8 | 609.6 | 1 219.2 | 107.9 | 195.2 | 206.3 |
| 168.3 | 9 448.8 | 203.2 | 609.6 | 1 219.2 | 127.0 | 207.9 | 225.4 |
1.2 Cuttings Bed Impeller工具
Cuttings Bed Impeller(CBI)工具于1999年由Halliburton公司研制成功，该工具主要由本体、人字形槽道和过渡剖面段构成[9-10]，如图 3所示。
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| 图 3 Cuttings Bed Impeller工具 Fig.3 The Cuttings Bed Impeller tool |
CBI工具入井后，在下钻、起钻和钻井过程，人字形槽道可以将破碎粘附在井壁上的岩屑搅动，使得静止的岩屑颗粒再次运移。同时，钻具旋转过程中，人字形槽道能够增强钻井液的扰动能力，使钻井液对岩屑颗粒的举升和携带能力增强，再次运移的岩屑颗粒随着上返的钻井液被携带至地面，如图 4所示。当沉积在井眼底边上的岩屑清除干净后，钻柱与井壁间的摩阻和扭矩也会相应降低，进而降低了井下作业的风险并提高机械钻速[11]。但是，CBI工具未设计耐磨带，井下长时间工作后，外径最大的人字形槽道容易磨损，槽道磨损后，一方面降低了工具的强度，另一方面降低了工具清洁井眼的能力。
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| 图 4 Cuttings Bed Impeller工具清洁井眼示意图 Fig.4 Schematic diagram of wellbore cleaning of the Cuttings Bed Impeller tool |
目前CBI工具有6种系列尺寸，能够满足直径152.4 mm以上井眼清洁需求，具体参数如表 2所示。
| 工具系列 | 工具长度/mm | 接头外径/mm | 接头内径/mm | 最大外径/mm | 抗扭强度/(kN·m) | 屈服强度/kN |
| CBI-3-1/2 | 1 079.5 | 133.4 | 54.1 | 139.7 | 18.36 | 40.141 |
| CBI-4 | 1 101.7 | 152.4 | 54.1 | 158.8 | 20.40 | 47.716 |
| CBI-5 | 1 028.7 | 165.1 | 82.6 | 188.0 | 38.08 | 66.830 |
| CBI-5-1/2 | 1 028.7 | 187.3 | 82.6 | 196.9 | 59.16 | 82.845 |
| CBI-6-5/8 | 1 028.7 | 209.6 | 108.0 | 225.4 | 73.44 | 79.605 |
1.3 Hole Clean Tool井下工具(HCT)
Hole Clean Tool(HCT)(见图 5)是OILSCO公司研发的一种新型井眼清洁工具[12-14]。它改变了传统的刮削方式破坏岩屑床的思维，采用了新的理念——射流方式破坏岩屑床。
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| 图 5 Hole Clean Tool井下工具 Fig.5 Downhole tool of the Hole Clean Tool |
HCT外部设置有喷嘴，内部安装有多级活塞，依靠改变地面钻井液的排量来控制喷嘴的开启和闭合，不需要投球或是其他辅助设备。当井眼净化困难时，该工具通过控制排量开启喷嘴，钻井液从喷嘴处高速喷出，冲击沉积在井壁上的岩屑床，并能适当提高工具周围的钻井液流速，提高岩屑的运移能力。
HCT工具一般安放在底部钻具组合之上，工作时的钻井液排量不受螺杆和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。但是，HCT虽然能将井壁上的岩屑床冲击下来，却不能改变钻井液的流型，岩屑的上返仍存在困难。另外，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的进一步推广应用。
目前HCT工具的有4种系列尺寸，能够满足直径152.4 mm以上井眼清洁需求，具体参数如表 3所示。
| 工具系列 | 工具外径/mm | 工具长度/ mm | 喷嘴数量/个 | 最高耐温/ ℃ |
| NXG-HCT-4750 | 120.7 | 2 844.8 | 2 | 210 |
| NXG-HCT-6750 | 171.5 | 2 692.4 | 3 | 210 |
| NXG-HCT-8250 | 209.6 | 2 692.4 | 3 | 210 |
| NXG-HCT-9500 | 241.3 | 2 692.4 | 4 | 210 |
2 国内井眼清洁工具研究进展
国内关于井眼清洁工具的研究起步较晚，经过几年的科技攻关和现场应用，已经有多家单位研发了井眼清洁工具。其中最具代表性的是中石油集团渤海钻探工程技术研究院研发的BH-HCT井下工具、中海油能源发展工程技术公司研发的岩屑床破坏器和中石化集团胜利石油工程有限公司研发的岩屑床清除器。
2.1 BH-HCTBH-HCT是渤海钻探工程技术研究院研发一种井眼清洁工具。该公司于2012年开始开展了工具结构、流场扰动、工作有效作用距离和防泥包等研究工作。工具在4年时间经历了2次更新换代，形成了一种防泥包井眼清洁工具。第2代BH-HCT主要由硬质合金齿、上螺旋棱、下螺旋棱、导流槽和叶轮组成，如图 6所示。
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| 图 6 BH-HCT井眼清洁工具示意图 Fig.6 Schematic diagram of the BH-HCT wellbore cleaning tool 1—硬质合金齿；2—上螺旋棱；3—叶轮；4—下螺旋棱。 |
BH-HCT井眼清洁工具的耐磨带用来提高工具的局部耐磨性和工具的居中度，同时提高工具清洁井眼能力；工具的螺旋棱在旋转过程中刮削井壁上的虚泥饼或岩屑床，使其从压实状态变为自由状态；钻井液流过时，导流槽和叶轮用来产生涡流，将井眼中自由状态的虚泥饼或岩屑床向上推移，携带出井口；导流槽能附加纳米涂层，可防止岩屑堆积形成泥包。
目前，BH-HCT已经形成了3种系列尺寸，能够满足直径215.9 mm井眼清洁需求，具体参数如表 4所示。该产品在大港、华北和冀东等油田开展了30多口井的现场应用，与常规产品相比，该工具的地面返砂量增加20%以上，总体摩阻降低25%以上。
| 外径/ mm | 长度/ mm | 内径/ mm | 抗拉强度/ kN | 抗扭强度/ (kN·m) | 有效作用距离/m |
| 178 | 1 450 | 71.5 | 4 500 | 80 | 80~100 |
| 210 | 1 450 | 71.5 | 4 500 | 80 | 100~120 |
| 214 | 1 450 | 71.5 | 4 500 | 80 | 100~120 |
2.2 岩屑床破坏器
中海油能源发展工程技术公司研发的岩屑床破坏器主要由耐磨带、螺旋结构和本体组成，如图 7所示。每根岩屑床破坏器设计3个螺旋结构，用于清除岩屑；两端及每个螺旋结构附近均设置耐磨带，以提高工具的耐磨能力。
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| 图 7 岩屑床破坏器示意图 Fig.7 Schematic diagram of the cuttings bed breaker 1、2、5—耐磨带；3—螺旋结构；4—本体。 |
该种岩屑床破坏器清洁井眼分3个步骤：第1步，螺旋结构上的刮削槽道可以抓住岩屑床中的岩屑并甩向井眼高边方向；第2步，螺旋结构使钻井液在流经槽道结构时形成涡流，有效改变了偏心环空中流体的流动特性，从而将岩屑卷入槽道中；第3步，在螺旋结构作用下，环空流体呈现出从小环空流向大环空的趋势，大环空处流体的轴向速度大于小环空处的轴向速度，岩屑从小环空甩向大环空之后，更容易被钻井液带走。
目前，中海油能源发展工程技术公司的岩屑床破坏器有钻杆式和加重钻杆式2种形式，已经形成了2个系列尺寸，满足直径215.9 mm井眼清洁需求，具体参数如表 5所示。
| 外径/mm | 材质 | 抗拉强度/ kN | 抗扭强度/ (kN·m) | 上扣扭矩/ (kN·m) |
| 101.6 | 4145H | 5 538.9 | 144.0 | 46.0 |
| 139.7 | 4145H | 7 159.4 | 144.0 | 86.7 |
2.3 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研制的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 8所示。该工具的工作原理为：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比较大，上返出的钻井液可以强烈地冲刷沉积的岩屑颗粒；高速旋转的V形扶正棱可以增强工具周围的紊流场，从而提高了钻井液悬浮拖曳岩屑颗粒的能力；V形扶正棱还可以挖掘沉积在井眼低边的岩屑颗粒。
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| 图 8 岩屑床清除器 Fig.8 Cuttings bed remover |
岩屑床清除器在国内的胜利和冀东等油田进行了现场应用，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CBA26-7井采用了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和转矩大幅减小，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%，该工具有效地控制了钻具阻卡的风险，提高了井眼质量。
3 国内技术研究重点和发展趋势(1) 国内研发的井眼清洁工具多为机械刮削+水力携带方式，针对射流冲击等方式清除岩屑床的研究较少。机械式+射流冲击+水力携带集成的井眼清洁工具，将有利于提高新型井眼清洁工具的工作性能。
(2) 目前研发的井眼清洁工具大多会出现局部磨损和冲蚀问题，因此工具流线结构，耐磨带位置、宽度、数量，以及硬质合金齿布齿位置、密度、角度是结构设计的主要方向。
(3) 国内关于井眼清洁工具的研究较多，但是针对工具的安放位置和数量的研究较少，导致现场应用过程中基本依靠经验确定位置和数量，降低了井眼清洁效率。因此，针对井眼清洁工具的安放位置和数量的分析计算方法的研究将是今后研究的重点[15]，这对提高工具清洁井眼的效率起着至关重要的作用。
(4) 国内井眼清洁工具系列尺寸不全，尤其针对ϕ120.6和ϕ152.4 mm等小井眼的清洁工具，使得小井眼的大斜度井或水平井井眼清洁受限。适合小井眼的井眼清洁工具的研发是目前亟待解决的问题。
(5) 目前研发的井眼清洁工具多为固定外径，且外径一般都大于钻杆接箍外径，而且每趟钻需要下入多只清洁工具，额外增加了工具入井后的卡钻或遇阻的风险。因此，通过电控制、液压控制或机械控制的可变径井眼清洁工具(工作时达到最大外径，不工作时达到最小外径)，将是下一步研究的重点。
4 结论及建议(1) 井眼清洁工具在大斜度井、大位移井和水平井等复杂结构井中，具有清洁井眼和降低摩阻扭矩的优势，有利于直接降低井下风险，间接提高机械钻速。
(2) 国外的井眼清洁工具形式多样，系列尺寸比较齐全，能够满足不同井眼尺寸的要求；国内的井眼清洁工具形式单一，系列尺寸不全，只能满足直径215.9 mm以上井眼的需求。
(3) 建议加大井眼清洁工具流线结构和耐磨性能的研究力度；开展适合小井眼的井眼清洁工具的研究，以满足不同井眼的需求；同时开展井眼清洁工具安放位置和数量计算方法的研究工作。
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