曾家新 吳申堯 羅 藝 譚 婷 雷 銀 盧 杭 鄭 科 彭 文 丁建平

(①四川寶石花鑫盛油氣運(yùn)營服務(wù)有限公司;②中國石油西南油氣田分公司物資分公司;③四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司;④中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院;⑤上海科油石油儀器制造有限公司)

0 引 言

在鉆井施工過程中，清除井眼巖屑對于預(yù)防高摩阻高扭矩、環(huán)空憋堵[1-4]及卡鉆等井下復(fù)雜工況十分重要。如果沒有及時(shí)清除巖屑，則可能導(dǎo)致地層傷害、漏失以及產(chǎn)生非生產(chǎn)時(shí)間，進(jìn)而要求司鉆起鉆并進(jìn)行額外清潔井眼[5-7]操作。各大油氣田作業(yè)區(qū)進(jìn)行大位移井、大斜度井、水平井等更復(fù)雜鉆井作業(yè)時(shí)，井眼不清潔會導(dǎo)致作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)成本增加，同時(shí)井眼穩(wěn)定性也會變差。在追求產(chǎn)能、效益的同時(shí)，面對復(fù)雜的地質(zhì)條件導(dǎo)致開發(fā)成本上升的問題，越來越多的人關(guān)注地面數(shù)據(jù)采集在實(shí)時(shí)鉆井優(yōu)化和井眼實(shí)時(shí)狀況監(jiān)測中的價(jià)值。井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)可在沒有井下設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，從而有效降低使用井下設(shè)備的運(yùn)營成本和風(fēng)險(xiǎn)。

目前行業(yè)內(nèi)針對巖屑流量直接測量的研究和產(chǎn)品較少。國際上，斯倫貝謝公司開展CLEAR 業(yè)務(wù)(Hole cleaning and wellbore risk reduction service) 所用的巖屑流量測量設(shè)備能在鉆井施工作業(yè)過程中實(shí)時(shí)測量返出地面的巖屑量和變化趨勢[8-9]，預(yù)測可能發(fā)生的井壁坍塌等井眼失穩(wěn)事故風(fēng)險(xiǎn)[10]，還能預(yù)測由于井眼凈化不良可能引起的其他事故風(fēng)險(xiǎn)[11]，在中東、東南亞、北非等地區(qū)的使用中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，大幅節(jié)約了鉆井時(shí)間和成本。吳月珍等[12-15]也進(jìn)行過巖屑流量監(jiān)測產(chǎn)品的研究和試驗(yàn)，主要通過巖屑返出在線稱重裝置，實(shí)現(xiàn)快速檢測巖屑返出過少或過量異常，早期識別井眼清潔不良和井壁失穩(wěn)等問題，提供井筒實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過對國內(nèi)外相關(guān)資料的收集以及對國內(nèi)鉆井現(xiàn)場的調(diào)研，為了將井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)(Borehole cleaning monitoring system，以下簡稱BCM)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場，開發(fā)研制了無線巖屑流量測量裝置工程樣機(jī)[16-21](目前已開發(fā)第三代，實(shí)用性更廣)，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。結(jié)果表明， 該產(chǎn)品能夠很好地監(jiān)測巖屑返出量，同時(shí)降低系統(tǒng)操作的復(fù)雜性和現(xiàn)場的安裝難度。

1 井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)原理

圖1為井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)流程圖。該系統(tǒng)通過在鉆井現(xiàn)場振動篩處安裝巖屑流量測量單元，準(zhǔn)確測量固體巖屑重量，實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)際巖屑流量和理論巖屑流量，結(jié)合現(xiàn)場綜合錄井遲到井深、遲到時(shí)間、鉆時(shí)等數(shù)據(jù)，定量化監(jiān)測井底巖屑返出情況，進(jìn)而對井筒狀態(tài)進(jìn)行評估評價(jià)，幫助工程技術(shù)人員判斷井眼清潔狀況，保障鉆井安全。

圖1 BCM 系統(tǒng)流程圖

1.1.1 巖屑計(jì)重返出在線計(jì)重裝置

(1)巖屑返出計(jì)重裝置，主要對實(shí)時(shí)返出巖屑進(jìn)行稱重。

(2)巖屑返出在線計(jì)重自動控制系統(tǒng)，主要通過軟件自動控制設(shè)備的運(yùn)行，并根據(jù)異常情況切換稱重方式(定時(shí)清理與定量清理)，如圖2所示。

圖2 巖屑返出在線計(jì)重采集控制界面

1.1.2 巖屑計(jì)重?cái)?shù)據(jù)修正與計(jì)算方法

(1)總巖屑流量計(jì)算。一般鉆井現(xiàn)場使用2～3個(gè)振動篩，根據(jù)振動篩的數(shù)量配備相應(yīng)數(shù)量的測量單元，各個(gè)測量單元測得的巖屑流量之和為總巖屑流量，即:

式中：fi為第i個(gè)測量單元的巖屑流量，kg/min；Δmi為第i個(gè)測量單元的巖屑重量增加值，kg；Δt為兩次測量的時(shí)間間隔，min；factual為所有測量單元的總巖屑流量，kg/min；n為測量單元總數(shù)。

(2)巖屑流量參數(shù)計(jì)算。為了與實(shí)際巖屑流量進(jìn)行對比，還需要計(jì)算理論巖屑流量，計(jì)算方法如下：

式中：ftheory為理論巖屑流量，kg/min；ρ為巖石密度，kg/m3；v為機(jī)械鉆速，m/min；S為井眼橫截面積，m2；d為井眼直徑，m。

1.1.3 井筒狀態(tài)評價(jià)方法

(1)井眼清潔監(jiān)測與評價(jià)方法

全井?dāng)y巖異常監(jiān)測：隨鉆跟蹤累計(jì)返出巖屑理論體積和實(shí)際體積，當(dāng)實(shí)際體積小于理論體積時(shí)判斷為全井?dāng)y巖異常，為優(yōu)化清潔井眼處理時(shí)間、打稠塞操作提供技術(shù)支持。

瞬時(shí)攜巖異常監(jiān)測：當(dāng)實(shí)際瞬時(shí)巖屑流量小于理論瞬時(shí)巖屑流量時(shí)判定為瞬時(shí)攜巖異常，根據(jù)環(huán)空巖屑沉降速度和鉆井液上返速度關(guān)系，實(shí)時(shí)修正攜巖指數(shù)模型，評價(jià)鉆井液攜巖能力，為鉆井液性能優(yōu)化提供依據(jù)。

鉆井現(xiàn)場巖屑返出考慮遲到時(shí)間的因素，在相同時(shí)間內(nèi)鉆頭理論破巖量與井口返出巖屑量之差即為井下巖屑?xì)堄嗔浚聨r屑?xì)堄嗔康亩嗌贈Q定了井眼清潔程度的好壞，兩者成定量關(guān)系，通過地面實(shí)際返出巖屑體積和井下理論產(chǎn)生的巖屑體積進(jìn)行對比，能夠盡早地檢測到巖屑返出異常，識別出井壁失穩(wěn)和井眼不清潔等問題。

(2)井壁失穩(wěn)監(jiān)測與評價(jià)方法

全井井壁失穩(wěn)監(jiān)測：隨鉆跟蹤累計(jì)返出巖屑理論體積和實(shí)際體積，當(dāng)實(shí)際體積大于理論體積時(shí)判斷為全井井壁失穩(wěn)，為鉆井液性能優(yōu)化、鉆井參數(shù)優(yōu)化防止惡性井塌提供技術(shù)支持。

瞬時(shí)井壁失穩(wěn)監(jiān)測：當(dāng)實(shí)際瞬時(shí)巖屑流量大于理論瞬時(shí)巖屑流量時(shí)，結(jié)合地質(zhì)錄井觀察判斷真假巖屑，早期診斷是否發(fā)生井壁失穩(wěn)問題，為防止掉塊卡鉆提供技術(shù)支持。

鉆井液在攜巖能力很強(qiáng)時(shí)，鉆出的巖屑可能很快離開井底并隨鉆井液返出。這時(shí)，巖屑棱角清晰或比較清晰，磨圓度差，表明井眼清潔良好。反之，盡管巖屑離開了井底，但巖屑在整個(gè)循環(huán)過程中處于上升和下沉交替狀態(tài)，直到將棱角磨掉、尺寸磨小之后才逐漸被返出地面，表明井眼清潔較差，具有潛在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)鉆頭類型、機(jī)械鉆速和地層巖屑保持不變時(shí)，巖屑尺寸大小可以間接表示井眼清潔程度，現(xiàn)場人員可以根據(jù)巖屑磨圓程度進(jìn)行判斷：磨圓砂樣小于10%時(shí)井眼清潔良好；介于10%～20%時(shí)井眼清潔中等；介于30%～50%時(shí)井眼清潔較差；大于50%時(shí)則在大斜度井段會存在較為嚴(yán)重的巖屑床。

(3)鉆井優(yōu)化方法

在無巖屑床或井壁失穩(wěn)時(shí)，如果立柱巖屑返出率持續(xù)增大，相應(yīng)增加拉劃次數(shù)和循環(huán)時(shí)間，促進(jìn)巖屑或掉塊及時(shí)返出；如果存在巖屑床，并且立柱巖屑返出率持續(xù)減小，需要相應(yīng)進(jìn)行起下鉆操作輔助破除巖屑床，實(shí)際操作過程中，需要根據(jù)現(xiàn)場情況兼顧提高鉆井時(shí)效和降低井下風(fēng)險(xiǎn)來采取井眼清潔技術(shù)措施。

具體施工過程中，在打完立柱拉劃、循環(huán)、準(zhǔn)備接立柱繼續(xù)鉆進(jìn)之前，以立柱返出率為控制指標(biāo)，評價(jià)下一柱安全鉆進(jìn)可行性，樹立“一柱一清”井眼清潔施工理念。立柱返出率即每鉆進(jìn)一個(gè)立柱，對該立柱井段進(jìn)行一次巖屑返出率統(tǒng)計(jì)分析。從立柱巖屑返出率與立柱平均鉆時(shí)關(guān)系圖(圖3)中可以看出，在水平段，當(dāng)鉆時(shí)相對較快時(shí)，鉆井液攜巖效率一定，巖屑和掉塊難以及時(shí)返出，立柱巖屑返出率存在不足的情況。綜合衡量鉆井時(shí)效與井眼清潔情況，當(dāng)立柱巖屑返出率低于80%時(shí)，井眼清潔不良，返出率高于115%時(shí)，可能存在井壁失穩(wěn)，介于二者之間時(shí)，為安全鉆進(jìn)狀態(tài)。

圖3 立柱巖屑返出率與立柱平均鉆時(shí)關(guān)系

1.2 井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)硬件

巖屑稱重裝置用于測量鉆井液返出巖屑重量，并通過網(wǎng)絡(luò)將信號傳遞到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，顯示巖屑實(shí)時(shí)返出重量及其隨時(shí)間變化的曲線(圖4)。

圖4 巖屑稱重裝置整機(jī)構(gòu)成圖示

1.3 井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)軟件

監(jiān)測軟件的功能包括數(shù)據(jù)采集、曲線顯示、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)回放、傳感器校準(zhǔn)、通信設(shè)置等，監(jiān)測軟件能夠通過數(shù)據(jù)插件的方式獲取綜合錄井儀的相關(guān)數(shù)據(jù)。目前的數(shù)據(jù)插件支持國內(nèi)大部分主流型號綜合錄井儀，主要包括:ACE、ALS 2、ALS 2．2、KELOG、SK 2000、SLZ-2A、DLS、Advantage、Datalog、CMS、SnowWolf 5、SDL 9000 Ⅱ、Wellstar、DML 等。

針對軟件系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析和研究，軟件按功能模塊進(jìn)行劃分，設(shè)計(jì)主要包括：數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、計(jì)算分析模塊、控制模塊等系統(tǒng)子模塊。

計(jì)算過程中巖土體的物理力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)、中國地大參數(shù)，并綜合考慮現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果、參考類似工程等等選取。計(jì)算過程中涉及到的巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

(1)數(shù)據(jù)管理模塊：包括井基本數(shù)據(jù)管理、裸眼數(shù)據(jù)管理、地層密度數(shù)據(jù)管理、巖屑稱重?cái)?shù)據(jù)管理、錄井?dāng)?shù)據(jù)管理、計(jì)算分析數(shù)據(jù)管理等。

(2)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊：包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測、實(shí)時(shí)巖屑流量監(jiān)測、理論巖屑流量監(jiān)測、巖屑返出率監(jiān)測等。

(3)計(jì)算分析模塊：包括實(shí)際巖屑體積計(jì)算與分析、理論巖屑體積計(jì)算與分析、巖屑體積平衡關(guān)系計(jì)算與分析、巖屑返出率計(jì)算與分析等。

(4)控制模塊：包括稱重儀料斗翻轉(zhuǎn)間隔控制、稱重儀料斗清潔控制等。

1.4 井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)的作用

BCM系統(tǒng)能夠早期識別出實(shí)際巖屑量預(yù)期值與趨勢之間的差異(基于鉆時(shí)和鉆頭直徑)，從而采取安全及時(shí)的預(yù)防措施來糾正這種情況。簡單來說有3種情形：

(1)低于預(yù)期的固相巖屑返出，可推斷為巖屑沉積，如果不進(jìn)行處理，則會增加阻塞和卡鉆的可能性。一旦確定，緩解措施有:提高鉆井液密度，泵入清掃漿或添加劑，增強(qiáng)管柱旋轉(zhuǎn)，或在連接處引入單立柱往復(fù)運(yùn)動，或酌情延長通井行程。

(2)固相巖屑返出速度較慢，鉆井液攜砂指數(shù)(CCI)較預(yù)期低。因此通過優(yōu)化鉆井液流變性(如鉆井液密度、凝膠、PV/YP)，可以輕松地加以改善。

因此，使用BCM系統(tǒng)可有效預(yù)防和解決鉆探中存在的卡鉆、井壁坍塌井筒不穩(wěn)定等問題。

2 西南某頁巖氣井井眼清潔監(jiān)測案例

2.1 案例1——NX井

NX井是長寧頁巖氣片區(qū)一口大斜度頁巖氣水平井,設(shè)計(jì)水平段1 500 m，鉆井要求高，時(shí)效控制嚴(yán)。隨鉆井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)從三開1 870 m開始監(jiān)測，至4 450 m結(jié)束，歷時(shí)31 d三開順利鉆完，未發(fā)生任何工程異常。 該井鄰井水平段發(fā)生過兩次卡鉆、一次井漏復(fù)雜，處理復(fù)雜周期28.4 d，造成生產(chǎn)成本增加。BCM系統(tǒng)在本井異常預(yù)報(bào)3次、鉆井隊(duì)接到預(yù)報(bào)后采取相應(yīng)措施，避免了3次可能產(chǎn)生的工程復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)效果良好。如至井深3 065 m巖屑返出率從98%降至87%。而在合適的范圍內(nèi)適當(dāng)增加鉆井液密度，有利于巖屑及掉塊的及時(shí)返出。為此現(xiàn)場建議：在不破壞地層、保證鉆井安全的情況下，適時(shí)增加鉆井液密度。當(dāng)鉆井液密度增加時(shí)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為40 r/min,排量為34.5 L/s,工程參數(shù)基本穩(wěn)定，實(shí)際巖屑返出體積逐漸增加，返出率基本穩(wěn)定在115%～120%?，F(xiàn)場鉆井工程師采納建議后，使得返出率逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定范圍，及時(shí)促進(jìn)了巖屑和掉塊的返出。

2.2 案例2——LX井

LX井2020年11月27日15:03鉆至井深3 708.13 m，懸重為944.76 kN，扭矩為13 kN·m,鉆井液密度為2.17 g/cm3，粘度為68 s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為79.91 r/min，其他參數(shù)無變化。異常情況分析：(1)井深3 708.13 m巖屑總返出率下降明顯，且立柱返出率下降至74.18%；(2)井段3 689～3 708 m為增斜段，井深3 689 m，井斜58.38°，為易產(chǎn)生巖屑床井斜區(qū)間；(3)機(jī)械鉆速增大，由7 m/h增至15 m/h(圖5、圖6)。

綜上所述，立柱巖屑返出率有所降低，機(jī)械鉆速增大，

圖5 巖屑返出率平衡關(guān)系曲線圖

圖6 立柱巖屑返出率柱狀圖

井斜區(qū)間在58.38°易形成巖屑床，同時(shí)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備外徑較大，與裸眼之間環(huán)空較小，如遇沉砂極易產(chǎn)生卡鉆事故。

建議采取如下措施：增加鉆井液循環(huán)時(shí)間，使井底巖屑及時(shí)返出；控制機(jī)械鉆速；及時(shí)進(jìn)行掃塞作業(yè)?，F(xiàn)場鉆井工程師采納建議后，及時(shí)通知鉆臺進(jìn)行掃塞作業(yè)，使得返出率逐漸穩(wěn)定在110%～115%，并要求后續(xù)鉆進(jìn)中注意控制機(jī)械鉆速，增加立柱循環(huán)時(shí)間，便于巖屑和掉塊的返出，以此達(dá)到井底清潔、安全高效鉆進(jìn)的狀態(tài)。

3 結(jié)束語

井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)(BCM)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)井眼清潔不良和井壁坍塌問題，可提供精確的實(shí)時(shí)井眼清潔信息，為鉆井提供有效數(shù)據(jù)，能及時(shí)幫助并降低水平井等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和減少非生產(chǎn)時(shí)間。此類設(shè)備在國外鉆井市場已經(jīng)廣泛應(yīng)用，對于實(shí)時(shí)安全鉆井，提高鉆井效率，節(jié)省鉆井成本等具有較高的推廣價(jià)值。建議國內(nèi)加強(qiáng)對井眼清潔監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件升級研究，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析，更加接近智能化預(yù)警，以便提供高精度、高匹配、更優(yōu)質(zhì)的市場技術(shù)服務(wù)。