雷銀，陳軼林，張吉，盧杭，鄭科，胡紹敏，羅藝

1.中國(guó)石油西南油氣田分公司 工程技術(shù)研究院(四川 成都610017）2.中國(guó)石油西南油氣田分公司 物資分公司（四川 成都610017）

頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)鉆井普遍采用水平井技術(shù)，由于頁(yè)巖地層易破碎和巖屑運(yùn)移失常，容易導(dǎo)致井筒安全問(wèn)題，影響施工進(jìn)度，增加鉆井成本。特別是在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，一方面，在頁(yè)巖地層中由于鉆具振動(dòng)、鉆具偏心、鉆具旋轉(zhuǎn)，加劇了鉆具對(duì)井壁碰撞程度，導(dǎo)致掉塊剝落和井壁失穩(wěn)問(wèn)題；另一方面，隨著機(jī)械鉆速加快，鉆井液攜巖效率減小，鉆井排量受限，導(dǎo)致鉆井巖屑返出量不足，巖屑逐漸在井眼底邊處堆積量增加，導(dǎo)致鉆柱扭矩摩阻大，托壓嚴(yán)重，造成水平段內(nèi)鉆進(jìn)速度慢、周期長(zhǎng)、成本高，嚴(yán)重時(shí)可造成卡鉆、鉆具斷落等井下安全事故[1-2]。雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了井眼清潔工具和鉆屑在鉆井液中的下沉速度與環(huán)空返速關(guān)系清潔井眼[3]的研究工作，在井眼清潔方面有了較大改善，但還沒(méi)有從根本上解決井眼清潔問(wèn)題。因此錄井隨鉆監(jiān)測(cè)井眼巖屑流變化情況的創(chuàng)新研究與應(yīng)用就顯得尤為重要。該項(xiàng)技術(shù)配合井眼清潔工具的使用，可以有效地避免卡鉆事故的發(fā)生，對(duì)保障井筒安全、提高鉆井效率和勘探開(kāi)發(fā)效益具有積極的作用，通過(guò)2口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好效果。

1 監(jiān)測(cè)原理

通過(guò)采用專用的測(cè)量裝置及配套的采集處理軟件，在一定的時(shí)間內(nèi)收集、測(cè)量濕巖屑的返出質(zhì)量，經(jīng)過(guò)求取泥漿吸附系數(shù)（也稱巖屑干濕校正系數(shù)）進(jìn)行干濕校正后，得到對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)相應(yīng)井段的干燥巖屑返出質(zhì)量，通過(guò)該質(zhì)量與其密度（可以通過(guò)巖心實(shí)物或電測(cè)資料獲?。┑谋戎档玫皆摃r(shí)間段內(nèi)巖屑返出的體積，該體積與所用時(shí)間的比值得到單位時(shí)間實(shí)際返出的巖屑流量，該流量與理論巖屑流量比值為巖屑返出率。根據(jù)返出率可以計(jì)算井筒內(nèi)滯留的巖屑量，隨鉆定量評(píng)價(jià)井眼清潔程度和井壁穩(wěn)定狀況。

2 巖屑流監(jiān)測(cè)設(shè)備與主要參數(shù)

巖屑流監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由巖屑稱重儀、控制器和上位機(jī)構(gòu)成。

2.1 巖屑稱重儀

巖屑稱重儀安裝在振動(dòng)篩出料口處，如圖1所示。使用時(shí)除了受到振動(dòng)篩高頻振動(dòng)的影響外，也容易受到泥漿、巖屑、振動(dòng)篩篩網(wǎng)清洗水等各種污染物的污染。為了保證巖屑稱重儀長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，必須選擇耐腐蝕、易加工、具備一定重量的材質(zhì)。

圖1 巖屑稱重儀現(xiàn)場(chǎng)安裝

在大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上[4]，研制了專用的巖屑稱重儀，巖屑稱重儀由4個(gè)懸臂梁式壓力傳感器組成，配合4路成熟的信號(hào)放大器及稱重信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巖屑質(zhì)量的測(cè)量，每個(gè)測(cè)量臂的精度為±50 g,整臺(tái)稱重儀的精度為100 g，稱重儀最大量程為400 kg，誤差為±0.1%FS（滿量程），測(cè)量時(shí)間間隔可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況3～5 s可選。

2.2 泥漿吸附系數(shù)

進(jìn)行實(shí)際返出巖屑流量計(jì)算前，先求得泥漿吸附系數(shù)（μ）進(jìn)行干濕巖屑的質(zhì)量誤差校正，其方法是在振動(dòng)篩出口處用托盤接適量濕巖屑稱重，假設(shè)為a，再將巖屑清洗至表面無(wú)污物，烘干后稱重為b，則泥漿吸附系數(shù)μ=b/a。由于鉆井液性能不同、固液吸附能力不同，因此泥漿吸附系數(shù)也不同，所以當(dāng)鉆井液性能發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)重新求取泥漿吸附系數(shù)（巖屑干濕校正系數(shù)）[5]。

2.3 實(shí)際累計(jì)返出巖屑體積

巖屑流監(jiān)測(cè)利用巖屑稱重儀從起始井深進(jìn)行測(cè)量返出巖屑質(zhì)量累加到結(jié)束井深，得到某一井段實(shí)際累計(jì)返出的巖屑質(zhì)量。根據(jù)巖屑體積密度、泥漿吸附系數(shù)將實(shí)際累計(jì)返出的巖屑質(zhì)量轉(zhuǎn)換成實(shí)際累計(jì)返出的巖屑體積，即

式中：Va表示實(shí)際累計(jì)返出巖屑體積，m3；h0表示初始井深，m；h表示結(jié)束井深,m；mi表示測(cè)量的累計(jì)巖屑質(zhì)量，g；μi表示對(duì)應(yīng)井段的泥漿吸附系數(shù)；ρci表示對(duì)應(yīng)井段巖屑體積密度,g/m3。

2.4 理論累計(jì)返出巖屑體積

井眼在理想狀態(tài)下是規(guī)則的圓柱體，根據(jù)圓柱體的體積計(jì)算公式，利用鉆頭直徑、巖石體積密度、井眼擴(kuò)大率（通過(guò)鄰井測(cè)井資料獲?。?、開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)井深、結(jié)束監(jiān)測(cè)時(shí)的井深等相關(guān)參數(shù)，可以得到理論累計(jì)應(yīng)返出巖屑的體積[6]，即

式中：Vt表示理論累計(jì)返出巖屑體積,m3；d表示鉆頭直徑,m；θ表示井眼擴(kuò)大率；h0表示初始測(cè)量井深,m；h表示結(jié)束測(cè)量井深,m。

2.5 巖屑流參數(shù)校正和計(jì)算圖版的建立

測(cè)量前利用測(cè)量的起始井深、結(jié)果井深、鉆頭尺寸、井眼擴(kuò)大率、泥漿吸附系數(shù)、巖屑體積密度等參數(shù)，建立巖屑體積流量參數(shù)校正和計(jì)算圖版[7-11]，如圖2所示。根據(jù)建立的圖版、測(cè)量相應(yīng)井段實(shí)際累計(jì)返出巖屑體積與理論累計(jì)返出巖屑體積的比，可以得到井眼巖屑返出率和井眼體積平衡關(guān)系。

圖2 巖屑體積流量參數(shù)校正和計(jì)算圖版

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 井眼清潔監(jiān)測(cè)

長(zhǎng)寧26H井是川渝地區(qū)的一口大偏移距水平頁(yè)巖氣井，設(shè)計(jì)井深4 325 m，完鉆井深4 450 m，水平段長(zhǎng)1 700 m，最大井斜91.37°。隨鉆巖屑返出流量監(jiān)測(cè)從三開(kāi)2 222 m開(kāi)始至4 450 m結(jié)束，當(dāng)鉆進(jìn)至2 929 m時(shí)，隨鉆監(jiān)測(cè)實(shí)際返出巖屑體積量持續(xù)減少，如圖3紅色標(biāo)注“1”及表1所示。此時(shí)鉆時(shí)較快，巖屑返出率持續(xù)降低，環(huán)空巖屑滯留量超過(guò)14%。當(dāng)鉆進(jìn)至3 009 m時(shí)，返出率減少至85.136 8%，具有較高的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。建議停鉆，增加劃眼、循環(huán)時(shí)間以提升井眼凈化。實(shí)施后巖屑返出率逐步恢復(fù)至正常范圍（圖3紅色標(biāo)注“2”），有效避免了潛在的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，保障了井筒安全。

圖3 2 800～3 200 m井段巖屑返出體積平衡曲線

表1 2 982～3 013 m巖屑返出率數(shù)據(jù)

3.2 井壁失穩(wěn)監(jiān)測(cè)

隨鉆監(jiān)測(cè)至井段3 229～3 450 m時(shí)，巖屑返出率由100%最高增加至200%。隨著水平段的延伸以及少量新生掉塊的持續(xù)產(chǎn)生，低密度的鉆井液難以將掉塊從井底環(huán)空徹底返出。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。當(dāng)鉆井液密度增加時(shí)，實(shí)際巖屑返出體積逐漸增加。巖屑返出率基本穩(wěn)定在115%～120%，此時(shí),轉(zhuǎn)盤40 r/min,排量34.5 L/s,工程參數(shù)基本穩(wěn)定。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，建議實(shí)施后巖屑和掉塊及時(shí)返出，如

圖4 3 298 m井壁剝落掉塊圖

全井累計(jì)提供井眼異常預(yù)報(bào)3次，其中井眼清潔異常預(yù)報(bào)2次、掉塊異常預(yù)報(bào)1次，避免了3次潛在卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，未發(fā)生卡鉆等復(fù)雜事故，保障了井筒安全，鉆井施工得以順利完成。

4 結(jié)論

利用專用的巖屑流量測(cè)量設(shè)備、配套的采集處理技術(shù)，在建立巖屑體積測(cè)量參數(shù)校正和計(jì)算圖版的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了隨鉆監(jiān)測(cè)井筒內(nèi)巖屑實(shí)時(shí)返出狀況，及時(shí)為鉆井工程提供準(zhǔn)確的巖屑流量服務(wù)，對(duì)避免因井眼不清潔和井壁不穩(wěn)定造成的工程事故，具有積極的預(yù)防作用，彌補(bǔ)了井筒巖屑流監(jiān)測(cè)技術(shù)空白。

1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件能夠滿足隨鉆監(jiān)測(cè)井筒巖屑流返出狀況，為鉆井工程提供及時(shí)、準(zhǔn)確的井眼清潔和井壁穩(wěn)定情況服務(wù)。

2）進(jìn)一步完善了單立柱巖屑流評(píng)價(jià)方法，為下一立柱安全鉆進(jìn)的可行性提供技術(shù)支持。單立柱返出率即每鉆進(jìn)一個(gè)立柱，立即對(duì)該立柱井段進(jìn)行一次巖屑返出率統(tǒng)計(jì)分析。在水平段，當(dāng)鉆時(shí)小、鉆速相對(duì)較快、鉆井液攜巖效率不變時(shí)，巖屑和掉塊難以及時(shí)返出，單立柱巖屑返出率存在不足的情況。結(jié)合2口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，綜合衡量鉆井時(shí)效與井眼清潔情況，得出當(dāng)單立柱巖屑返出率低于80%時(shí)，井眼清潔不良；高于115%時(shí)，井眼存在井壁失穩(wěn)，介于二者之間時(shí)，為安全鉆進(jìn)狀態(tài)。

3）水平井鉆井施工過(guò)程中，隨著井斜不斷增加進(jìn)入水平段后，當(dāng)鉆井液攜巖能力不足時(shí)，巖屑可能在井底堆積形成巖屑床，對(duì)鉆井施工造成卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，所以及時(shí)清除環(huán)空巖屑對(duì)于安全、高效鉆井十分重要。

4）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以看出，當(dāng)鉆時(shí)小、鉆速較快時(shí)，在鉆井液攜巖效率一定的情況下，單位時(shí)間內(nèi)返出的巖屑相對(duì)減少，造成井底產(chǎn)生的巖屑不能及時(shí)返出；當(dāng)巖屑滯留量逐漸增加時(shí)，井眼清潔變差，卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)升高。鉆井過(guò)程中應(yīng)該平衡鉆時(shí)與井眼清潔之間的關(guān)系，適當(dāng)控制鉆時(shí)，增加接立柱時(shí)循環(huán)、劃眼時(shí)間，進(jìn)而提升井眼凈化能力，在井眼清潔程度良好的情況下高效鉆進(jìn)。