任忠宏 劉曉晨 萬(wàn) 康 周見(jiàn)果 楊 麗 張明和 袁津華 寧文斌 李 晨

(①中國(guó)石油渤海鉆探第一錄井公司；②中國(guó)石油渤海鉆探職工教育培訓(xùn)中心；③中國(guó)石油渤海鉆探泥漿技術(shù)服務(wù)分公司；④中國(guó)石油大港油田公司第五采油廠)

0 引 言

石油鉆井施工作業(yè)過(guò)程中，及時(shí)清除井眼巖屑對(duì)于預(yù)防鉆頭泥包及卡鉆等井下復(fù)雜情況十分重要。進(jìn)行大位移井、大斜度井、水平井或叢式井等更復(fù)雜的施工作業(yè)時(shí)，如果井眼不清潔，則可能導(dǎo)致地層傷害、漏失以及非生產(chǎn)時(shí)間的產(chǎn)生，致作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)成本增加，同時(shí)井眼穩(wěn)定性也會(huì)變差，進(jìn)而需要起鉆并進(jìn)行井眼清潔。在大斜度井段和水平井段中,巖屑的沉降是沿重力方向,而環(huán)空流速沿重力方向的分量很小甚至趨零,使鉆井液攜帶巖屑能力相應(yīng)降低,導(dǎo)致巖屑易在下井壁沉積形成巖屑床,嚴(yán)重制約鉆井施工作業(yè)的安全和時(shí)效。在海上深水作業(yè)時(shí)，通過(guò)提高井眼清潔率和井底循環(huán)頻率來(lái)減少非生產(chǎn)時(shí)間，從而提高鉆井效率，是縮短鉆井時(shí)間的一種可靠手段[1-3]。通過(guò)對(duì)巖屑流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，可幫助鉆井技術(shù)人員優(yōu)化鉆井施工作業(yè)流程，提高鉆井施工效率，降低鉆井施工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和成本，同時(shí)可以間接判斷井眼的規(guī)則程度等。

1 巖屑流量測(cè)量裝置的作用

巖屑流量測(cè)量裝置作為一種為石油施工作業(yè)過(guò)程提供技術(shù)支持的設(shè)備，只有面向油氣勘探開(kāi)發(fā)鉆井施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，才有立足之本。因此，在研發(fā)巖屑流量監(jiān)測(cè)裝置之前，必須了解當(dāng)前鉆井施工作業(yè)過(guò)程中的需求，以滿(mǎn)足這些需求為研發(fā)目標(biāo)。從目前情況來(lái)看，測(cè)量裝置在鉆井施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要有4方面作用。

1.1 井眼清潔程度識(shí)別

通過(guò)巖屑返出情況進(jìn)行井眼清潔程度的識(shí)別是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。目前大多數(shù)油田的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，復(fù)雜地層、復(fù)雜區(qū)塊、復(fù)雜井部署增多、大位移井、水平井、鉆井提速等諸多因素都增加了井眼清潔程度的識(shí)別難度，主要表現(xiàn)在：設(shè)計(jì)目的層埋藏深，增加了準(zhǔn)確識(shí)別的難度；井的位移大，托壓嚴(yán)重，造成巖屑成型性差，從而造成返出巖屑數(shù)據(jù)失真；水平井鉆井工藝不完善，以及為追求鉆井提速，巖屑破碎嚴(yán)重，導(dǎo)致返出巖屑難以反映地層真實(shí)的巖屑情況。

1.2 井眼規(guī)則情況初步判斷

井眼的規(guī)則程度是影響固井質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，通常情況下，需要鉆完井后進(jìn)行測(cè)井作業(yè)測(cè)量井眼的情況，從而了解井徑的實(shí)際情況。這種方式時(shí)效性比較滯后，實(shí)時(shí)性較差。通過(guò)測(cè)量不同地層巖屑返出量的情況，間接判斷井眼的規(guī)則程度，可以達(dá)到快速高效識(shí)別井眼規(guī)則程度的目的。

1.3 復(fù)雜條件下地層的初步識(shí)別

一直以來(lái)，各個(gè)油田的勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)地層認(rèn)識(shí)不清的情況很多，尤其是老區(qū)深層，新區(qū)探井等，存在難以準(zhǔn)確判斷地層的情況。結(jié)合其他參數(shù)，采用巖屑流量測(cè)量裝置在復(fù)雜條件下可間接初步判斷地層，為地層的準(zhǔn)確識(shí)別提供幫助。例如，在施工作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)巖屑流量測(cè)量裝置識(shí)別到某層段巖屑流量大于正常值，可以間接說(shuō)明該層段巖屑膠結(jié)較為疏松，巖屑成形性較差，易破碎等。通過(guò)這些特性，結(jié)合其他參數(shù)，可準(zhǔn)確識(shí)別地層巖性。

1.4 鉆井施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)報(bào)

目前鉆井過(guò)程中，復(fù)雜工程事故已經(jīng)成為影響鉆井提速增效的主要原因。在施工作業(yè)過(guò)程中，很多工程技術(shù)服務(wù)企業(yè)仍然沿用固有參數(shù)，同時(shí)結(jié)合人工干預(yù)的工程預(yù)警方式，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)報(bào)方式上沒(méi)有本質(zhì)的變化。在勘探開(kāi)發(fā)難度大、超深井、鉆速快、井下工況復(fù)雜的情況下，工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)報(bào)及時(shí)率較差、準(zhǔn)確率較低。盡管?chē)?guó)內(nèi)主流的綜合錄井儀在鉆井工程、氣體、鉆井液監(jiān)測(cè)這3大類(lèi)地面參數(shù)采集方面應(yīng)用較好，但缺少更為智能的采集手段、采集設(shè)備及微機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。將人工判斷鉆井工程異常轉(zhuǎn)為計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)自動(dòng)判斷，消除人為的不確定因素，巖屑流量測(cè)量裝置判斷方式不失為一種好的選擇，該裝置有助于降低鉆井工程事故，有利于提速增效[4]。

2 巖屑流量測(cè)量裝置發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著石油勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程的不斷深入，工程技術(shù)服務(wù)企業(yè)對(duì)井下安全越來(lái)越重視，對(duì)確保井下安全的設(shè)備需求越來(lái)越強(qiáng)烈。針對(duì)巖屑流量測(cè)量裝置，國(guó)內(nèi)多個(gè)企業(yè)及科研院所從不同層面開(kāi)展了巖屑流量測(cè)量裝置的研究，并申請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)利，在產(chǎn)品研發(fā)方面獲得了可喜的成果。如中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所研發(fā)的無(wú)線巖屑流量測(cè)量裝置，經(jīng)過(guò)數(shù)年的研究、測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不斷完善，已具備工業(yè)應(yīng)用水平；國(guó)內(nèi)某科技公司對(duì)該類(lèi)型產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)，已經(jīng)生產(chǎn)出工程樣機(jī)并在現(xiàn)場(chǎng)多口井進(jìn)行了試驗(yàn)，應(yīng)用效果良好。其技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

從兩個(gè)產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)不難看出，二十二所的巖屑流量測(cè)量裝置各個(gè)方面的性能更加成熟，適用范圍更廣，測(cè)量符合率更高，尤其是采用的無(wú)線傳輸方式，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，無(wú)需增加作業(yè)人員即可完成該裝置的現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試，既為錄井企業(yè)開(kāi)辟了一條增收的途徑，又為地質(zhì)工程一體化服務(wù)和鉆井施工作業(yè)提速增效提供了有力的技術(shù)支撐，得到了工程技術(shù)服務(wù)企業(yè)和油氣開(kāi)發(fā)企業(yè)的認(rèn)可。

表1 巖屑流量測(cè)量裝置技術(shù)參數(shù)對(duì)比

2.2 國(guó)外典型產(chǎn)品功能

國(guó)際上該技術(shù)比較成熟的公司有Geolog公司、Schlumberger公司，這兩家公司都開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的巖屑流量測(cè)量裝置，并作為一項(xiàng)單獨(dú)的業(yè)務(wù)為顧客提供技術(shù)服務(wù)(單獨(dú)收費(fèi))，也可以與現(xiàn)場(chǎng)錄井技術(shù)服務(wù)相結(jié)合。該項(xiàng)技術(shù)服務(wù)應(yīng)用效果顯著，得到了客戶(hù)的認(rèn)可，成為高風(fēng)險(xiǎn)鉆井施工作業(yè)必選項(xiàng)之一。

2.2.1 Geolog公司Drill clean裝置

Geolog公司的巖屑流量測(cè)量裝置Drill clean為井筒清潔程度提供了一種有效的、低成本的解決方案，以監(jiān)測(cè)井筒的穩(wěn)定性和鉆井時(shí)巖屑清潔的有效性，特別是在大角度、水平和大位移延伸的井中，通過(guò)一種復(fù)雜的專(zhuān)有軟件測(cè)量巖屑流量來(lái)實(shí)現(xiàn)，與Geolog專(zhuān)家一起監(jiān)控和溝通，實(shí)時(shí)反饋井眼清潔程度，預(yù)防工程事故的發(fā)生，從而減少了昂貴的鉆井非生產(chǎn)時(shí)間(NPT)。其技術(shù)特點(diǎn)包括：

(1)裝置包含稱(chēng)重傳感器部件，安裝在鉆井施工作業(yè)各個(gè)振動(dòng)篩的尾部。當(dāng)巖屑落在測(cè)量裝置上，稱(chēng)重傳感器可以獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。采集端獲得信號(hào)，通過(guò)一系列的計(jì)算做出判斷。

(2)提前識(shí)別井眼垮塌問(wèn)題，也就是提前掌握井徑變化情況。

(3)通過(guò)泵入高密度鉆井液、倒劃眼、短起下等措施提高監(jiān)測(cè)效率。

(4)進(jìn)行地層異?？紫秹毫ΡO(jiān)測(cè)。

(5)預(yù)防井下巖屑過(guò)多造成的鍵槽卡鉆。

(6)為鉆井施工作業(yè)提供優(yōu)化方案。

Geolog公司的巖屑流量監(jiān)測(cè)裝置在陸地、近海平臺(tái)作業(yè)已成功用于2000多口井，并且被許多操作者認(rèn)為在水平和延伸的井段施工中是必不可少的設(shè)備，可以多個(gè)振動(dòng)篩同時(shí)監(jiān)測(cè)。目前巖屑流量監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)可以監(jiān)測(cè)大多數(shù)振動(dòng)篩，無(wú)需對(duì)鉆井施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)篩進(jìn)行改造，數(shù)據(jù)可以通過(guò)指定接口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瀏覽。

2.2.2 Schlumberger公司Clear裝置

該公司研發(fā)的Clear裝置能夠監(jiān)測(cè)井眼清潔率和井壁穩(wěn)定性，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，幫助井隊(duì)不斷提高鉆井效率，減少非生產(chǎn)時(shí)間的產(chǎn)生。通過(guò)實(shí)際和理論進(jìn)行對(duì)比，該服務(wù)能夠盡早地檢測(cè)到由于井眼不清潔而造成的井壁失穩(wěn)和返出過(guò)量等問(wèn)題。其技術(shù)特點(diǎn)包括：

(1)有多個(gè)傳感器和數(shù)字信號(hào)：Clear裝置包含巖屑流量計(jì)(CFM)和稱(chēng)重托盤(pán)，位于振動(dòng)篩的尾部。當(dāng)巖屑落在篩布上時(shí)，流量計(jì)能夠監(jiān)測(cè)這一情況，巖屑堆積在托盤(pán)上，通過(guò)應(yīng)變儀進(jìn)行稱(chēng)重，數(shù)字信號(hào)被傳送到采集系統(tǒng)，并完成相應(yīng)的計(jì)算功能。在可調(diào)整預(yù)設(shè)周期的最后階段，稱(chēng)重托盤(pán)向下傾斜，將巖屑清除后恢復(fù)水平位置，以便對(duì)后續(xù)巖屑繼續(xù)稱(chēng)重。鉆機(jī)用壓縮空氣為啟動(dòng)控制裝置提供動(dòng)力，且該設(shè)備不會(huì)堵塞振動(dòng)篩通道。

(2)Clear裝置符合歐盟的ATEX指令標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)了CE和國(guó)際電工委員會(huì)(IECEx)認(rèn)證。

(3)Clear裝置能夠測(cè)量的數(shù)據(jù)包括：振動(dòng)篩處濕巖屑的總重、干巖屑總重、巖屑體積、干巖屑的理論體積、巖屑流速、基于一定鉆速時(shí)的巖屑理論流速。

(4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儀表盤(pán)：由Clear裝置提供的綜合、實(shí)時(shí)鉆井液信息包含了鉆井參數(shù)、巖屑地質(zhì)情況、鉆井液性能以及隨鉆測(cè)井和測(cè)斜數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)儀表盤(pán)清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，無(wú)論是在井場(chǎng)或是在遠(yuǎn)程辦公室，工程師均可通過(guò)該儀表盤(pán)獲取所需信息，使作業(yè)人員對(duì)井眼清潔狀況進(jìn)行有效判斷，從而減小井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)智能化分析服務(wù)：Clear服務(wù)技術(shù)除了能夠提供簡(jiǎn)潔清晰的儀表盤(pán)及CFM設(shè)備之外，還能提供先進(jìn)的智能分析服務(wù)，即通過(guò)對(duì)井眼清潔進(jìn)行專(zhuān)家級(jí)的評(píng)估解釋?zhuān)M(jìn)行層次分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并為后續(xù)工作的最優(yōu)方案設(shè)計(jì)提供有效的經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。自動(dòng)化的解決方案在提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)，還能夠減少作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

(6)高效的鉆井液校正：由于巖屑泥包率易發(fā)生改變，選取當(dāng)量干巖屑校正系數(shù)應(yīng)用于這一易變的指標(biāo)。濕巖屑的重量轉(zhuǎn)換為當(dāng)量干巖屑，可以與已鉆地層的理論體積進(jìn)行比較。

從Geolog和Schlumberger巖屑流量測(cè)量裝置的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比(表2)可以看出，兩個(gè)國(guó)外產(chǎn)品的技術(shù)各有特色，功能強(qiáng)大，技術(shù)含量高。

表2 Geolog和Schlumberger巖屑流量測(cè)量裝置技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

Geolog巖屑流量測(cè)量裝置針對(duì)施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工程預(yù)警更突出，為施工作業(yè)提供了有力的技術(shù)支撐，實(shí)用性強(qiáng)；Schlumberger巖屑流量測(cè)量裝置對(duì)巖屑流量的評(píng)估更準(zhǔn)確，測(cè)量符合率更高，各功能更簡(jiǎn)潔，傳輸方式直觀可視，同時(shí)對(duì)裝置自身可自動(dòng)產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)，為操作人員提供裝置故障的預(yù)警信息，為裝置問(wèn)題的及時(shí)解決提供了有力的保證。

3 巖屑流量測(cè)量裝置發(fā)展前景

巖屑流量測(cè)量裝置能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量巖屑返出效率，從而了解井眼的清潔情況；監(jiān)測(cè)返出巖屑的異常、掉塊，預(yù)防卡鉆、井壁坍塌事故的發(fā)生；初步判斷井眼的規(guī)則程度；輔助判斷地層；幫助鉆井技術(shù)人員優(yōu)選鉆井施工作業(yè)參數(shù)，減少循環(huán)和起下鉆的時(shí)間，提高鉆井施工作業(yè)的時(shí)效，降低鉆井施工作業(yè)成本，提高鉆井施工作業(yè)安全性，從而達(dá)到提速增效的目的。

隨著國(guó)內(nèi)油氣田勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，大位移井、水平井作業(yè)不斷實(shí)施，巖屑流量測(cè)量裝置的應(yīng)用價(jià)值突顯。鑒于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該課題的研究及應(yīng)用情況，后續(xù)研究還有很大的提升空間。例如，將巖屑流量測(cè)量裝置和綜合錄井儀技術(shù)、解釋評(píng)價(jià)技術(shù)等相結(jié)合，形成一種獨(dú)特的工程技術(shù)，服務(wù)于鉆井施工作業(yè)，更好地為油氣勘探開(kāi)發(fā)服務(wù)。

3.1 向智能化方向發(fā)展

巖屑流量測(cè)量裝置和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)錄井技術(shù)相結(jié)合，將大量人工完成的錄井工作轉(zhuǎn)化為儀器自動(dòng)完成，比如錄井技術(shù)中的巖屑撈取，自錄井技術(shù)發(fā)展以來(lái)，人工撈取巖屑仍然是主流，采集工的存在不但增加了錄井作業(yè)人工成本，還浪費(fèi)了人力資源。我們可以借助巖屑流量測(cè)量裝置的發(fā)展，在現(xiàn)有巖屑流量測(cè)量裝置的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種巖屑流量自動(dòng)測(cè)量及巖屑自動(dòng)撈取的一體機(jī)，使巖屑流量測(cè)量、巖屑撈取由人工向智能化發(fā)展，不僅可減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以降低人工成本[6]?？陀^上講，當(dāng)前巖屑流量測(cè)量裝置已經(jīng)不適應(yīng)錄井技術(shù)的智能化、自動(dòng)化發(fā)展程度，需要加大投入進(jìn)行研發(fā)，獲得技術(shù)突破。

3.2 向無(wú)線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)轉(zhuǎn)變

應(yīng)用無(wú)線測(cè)量技術(shù)，如采用局域網(wǎng)絡(luò)完成傳感器、控制器等數(shù)據(jù)的采集和傳輸，這樣相鄰的幾個(gè)井場(chǎng)或一個(gè)大的叢式井平臺(tái)可以共用一個(gè)巖屑流量測(cè)量?jī)x器房，或者與在用錄井儀器房共用一個(gè)空間，可減少施工作業(yè)所需空間，節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)信息化、智能化和遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)[7-8]。依靠無(wú)線傳輸方式，加快無(wú)線遠(yuǎn)程巖屑流量測(cè)量裝置的發(fā)展，形成錄井公司基地和錄井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的雙向無(wú)障礙溝通渠道，創(chuàng)建一種嶄新的工作模式；同時(shí)解決無(wú)線傳輸過(guò)程中信號(hào)干擾、屏蔽等問(wèn)題，使無(wú)線傳輸?shù)馁|(zhì)量更有保障。

3.3 向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展

模塊及模塊化是標(biāo)準(zhǔn)化的一種新形式，是對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化理論的發(fā)展。模塊化生產(chǎn)是在多品種，少批量工業(yè)中組織高效設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的一種現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)方法，是縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)與建造周期，提高經(jīng)濟(jì)效益的好途徑。通過(guò)巖屑流量測(cè)量裝置前端數(shù)據(jù)采集模塊化處理，按照不同的功能模塊，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)輸出，實(shí)現(xiàn)分段、標(biāo)準(zhǔn)間距、全井的清潔程度分析判斷，以及井眼情況、地層情況、特殊情況下的工程預(yù)警，實(shí)現(xiàn)巖屑流量測(cè)量裝置在鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

4 結(jié)束語(yǔ)

巖屑流量測(cè)量裝置是面向石油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程為鉆井施工作業(yè)提供服務(wù)的一種設(shè)備。將巖屑流量測(cè)量裝置引入石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，有利于提高鉆井施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作效率，降低鉆井施工作業(yè)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，彌補(bǔ)當(dāng)前錄井技術(shù)面對(duì)的難題。目前國(guó)內(nèi)巖屑流量測(cè)量裝置的應(yīng)用還未受到施工方的重視，而且施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的條件也有限，應(yīng)用困難重重[9]。但該裝置對(duì)施工作業(yè)安全和提速效果顯著，隨著國(guó)內(nèi)外該項(xiàng)裝置技術(shù)的不斷完善，成功應(yīng)用案例不斷增加，該裝置技術(shù)的優(yōu)勢(shì)會(huì)不斷突顯，其推廣應(yīng)用空間巨大，同時(shí)隨著國(guó)內(nèi)外企業(yè)對(duì)巖屑流量測(cè)量裝置的研究不斷深入，諸如沖擊力傳感器稱(chēng)重或PSD巖屑測(cè)量的應(yīng)用，將可為錄井行業(yè)淘到另一桶金，促進(jìn)錄井行業(yè)的健康發(fā)展。