孫凱

（中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南 濮陽 457001）

水平井鉆井作業(yè)期間良好的井眼清潔對保障鉆井安全起著重要作用，隨著井斜角的增加，巖屑發(fā)生沉降在井眼底邊形成巖屑床。多年來，人們提出了不同的預防和控制巖屑床形成方法，例如添加特殊的鉆井液添加劑以增強鉆井液的巖屑輸送能力、巖屑床破除器等。但是，這些方法不能有效地防止巖屑床的形成，甚至會導致其它問題，如當量循環(huán)密度過大。

井眼清潔不良會導致卡鉆、機械鉆速降低、摩阻和扭矩過大，通常會延長鉆井周期，從而增加鉆井總成本。許多因素直接或間接影響著井眼清潔效率，如鉆井液性能、轉(zhuǎn)速、排量等。許多學者針對影響井眼清潔的因素開展室內(nèi)實驗和機理模型研究工作，形成了井眼清潔計算與分析方法，但是由于考慮模型求解和實時分析的問題，已有井眼清潔理論模型均進行簡化處理，造成模型計算結(jié)果與實際情況存在誤差。國外油服公司研究了基于巖屑流量測量的井眼清潔監(jiān)測技術并實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?，如斯倫貝謝公司的Clear系統(tǒng)、Geolog公司的Drill-Clean系統(tǒng)［1］等，國內(nèi)技術人員也進行了相關研究并進行了現(xiàn)場應用測試［2］。筆者通過調(diào)研國內(nèi)外技術發(fā)現(xiàn)，巖屑流量測量硬件在實際工作過程中存在巖屑傾倒不徹底問題，影響了測量精度；針對井眼清潔和井壁穩(wěn)定風險問題還未形成具體的評價方法。

本文針對水平井井眼清潔問題，分析了影響井眼清潔的因素，針對現(xiàn)有巖屑流量測量存在的問題，提出了基于巖屑推掃的巖屑流量測量技術方案，解決了以往巖屑流量測量過程設備傾倒巖屑不徹底問題，減少人工清潔頻率；基于巖屑返出率、摩阻扭矩、元素、掉塊等參數(shù)建立了井眼清潔和井壁穩(wěn)定定量監(jiān)測方法，形成了井眼清潔和井壁穩(wěn)定風險監(jiān)測與評價方法。通過現(xiàn)場應用測試，成功預警了井眼不清潔和井壁失穩(wěn)風險，證明了本文建立的方法可以應用于現(xiàn)場施工中。

1 水平井井眼清潔影響因素分析

1.1 鉆井液密度影響

在水平井施工過程中，受重力影響導致鉆桿偏心，鉆柱通常朝向井眼底邊下沉。當窄間隙位于鉆桿下方時，通常認為鉆桿偏心為正，當窄間隙位于鉆桿上方時，通常認為鉆桿偏心為負。巖屑的大小、形狀和密度是影響其在鉆井液中動態(tài)行為的因素。唯一導致巖屑沉降的力是重力，隨著井斜角的增加，需要更多的拖拽力抵消重力。

當鉆井液密度增加時，增強了浮力效應，鉆井液懸浮巖屑的能力增加，因此可以以較小的鉆井液流速攜帶巖屑。但是，提高鉆井液密度會降低機械鉆速，增加鉆井成本。通常情況下，不建議采用調(diào)節(jié)鉆井液密度參數(shù)提高井眼清潔效果［2-7］。

1.2 井斜角影響

井斜角對巖屑運移有很大影響。隨著井斜角增加，環(huán)空中的巖屑堆積增加，因此需要更高的鉆井液流速清除巖屑。按照巖屑清除效率可把水平井分為快速清潔（井斜角0°～30°）、中速清潔（井斜角30°～65°）和慢速清潔（井斜角65°～90°）3個區(qū)域，如圖1所示。在與垂直方向成40°～45°時，環(huán)形巖屑濃度最高。隨著井斜角變大，并保持其他參數(shù)不變，會顯著降低鉆井液的攜巖能力。井斜角35°～55°最易形成巖屑床，同時容易在停泵期間發(fā)生巖屑床崩塌。

圖1 水平井巖屑清除效率分區(qū)示意Fig.1 Cuttings removal efficiency zoning diagram of horizontal wells

1.3 轉(zhuǎn)速影響

在偏心環(huán)空中，旋轉(zhuǎn)鉆柱可以清除窄間隙處的巖屑。在非旋轉(zhuǎn)鉆具的偏心環(huán)空中，鉆井液優(yōu)先流經(jīng)寬間隙環(huán)空。低轉(zhuǎn)速時，粘性耦合較薄，系統(tǒng)能量較低，巖屑運移困難；中等轉(zhuǎn)速時，鉆具位置有所改變，粘性耦合變厚，但可能仍比鉆具接箍薄，井眼低邊仍為層流狀態(tài)，巖屑運移程度偏低；高轉(zhuǎn)速時，鉆具位置發(fā)生大幅變化，粘性耦合厚度更厚，井眼低邊達到紊流狀態(tài)，可以很輕易地攪動井眼低邊的巖屑，將其帶動到傳送帶上向前運移。如圖2所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速對偏心環(huán)空井眼清潔影響Fig.2 Effect of different rotation speed on wellbore cleanness in eccentric annulus

1.4 鉆井液流變性能影響

影響井眼清潔的鉆井液流變性能包括塑性粘度PV、動切力YP、流動指數(shù)n、稠度系數(shù)k。就井眼清潔而言，直井鉆井相對簡單。唯一的要求是粘度應足以防止巖屑在停止泵送期間沉降任何顯著距離。研究表明，對于給定的流速，隨著n/k的增加或YP/PV的降低，巖屑床可以降低到較低的水平。一般來說，屈服點YP值的增加會減少偏心鉆桿下的流量。增加流動指數(shù)n值會提高偏心鉆桿下的流體速度。低n流體在偏心鉆桿下的清洗速度比n值較高且角度＞45°的流體要快。n值較低的流體會從偏心鉆桿（窄間隙）下方分流，從而降低井眼清潔效率。在這種情況下，從井眼底邊清除巖屑的唯一方法是依靠鉆具旋轉(zhuǎn)、倒劃眼或較長的循環(huán)時間［8-11］。

1.5 鉆井液排量影響

鉆井液排量對井眼清潔的影響等同于井筒內(nèi)鉆井液流速，是井眼清潔中最有效的參數(shù)［12］，并且可以從地面快速控制。流速的增加極大地阻止了巖屑床的形成和發(fā)展，并提高了巖屑攜帶能力，因為流速越高，巖屑床上施加的剪應力越大，從而阻止了巖屑床的形成。只要井內(nèi)的流態(tài)是湍流的，井眼清潔就非常有效。在考慮該參數(shù)時，應仔細考慮一些限制，如地面立管壓力、地面和井下流量限制。

最后提到的2個因素，鉆井液流速和流變特性，可以從地面控制，成本很低或沒有成本。但其它參數(shù)的控制通常是不可控或很難控制。

2 水平井井眼清潔隨鉆監(jiān)測方法

2.1 巖屑流量測量系統(tǒng)設計

鉆井過程中由于巖屑流量相對于鉆井液流量較小，在鉆井液中測量巖屑流量存在精度不足問題。因此，巖屑流量測量系統(tǒng)必須在振動篩出口位置，由于振動篩環(huán)境污濁、高頻振動以及有限的空間限制了機械裝置安裝，因此需要根據(jù)現(xiàn)場安裝環(huán)境設計合理的巖屑計重系統(tǒng)以及運行環(huán)境，實現(xiàn)巖屑收集、在線計重及清理［13-16］。

由于巖屑稱重器容量限制，當稱得巖屑量達到規(guī)定值時必定存在傾倒舊巖屑重新接受新巖屑的過程。圖3展示了現(xiàn)有國內(nèi)外系統(tǒng)普遍采用的翻轉(zhuǎn)式巖屑流量測量裝置，通過翻轉(zhuǎn)巖屑測量板（或斗）傾倒舊巖屑，但由于鉆井液粘度影響導致巖屑清除不徹底，影響了測量精度。推掃式巖屑流量測量裝置（見圖4）通過增加推掃板，“掃除”測量板表面的巖屑，相比翻轉(zhuǎn)式，解決了巖屑清除不徹底的問題。

圖3 翻轉(zhuǎn)式巖屑流量測量裝置（DrillClean系統(tǒng)）Fig.3 Cuttings flow measuring device(DrillClean system)

圖4 推掃式巖屑流量測量裝置Fig.4 Sweeping type cuttings flow measuring device

巖屑流量測量裝置由工控機控制傳感器的稱重實現(xiàn)定時質(zhì)量值采集、存儲、數(shù)值清零，并輸出控制信號，執(zhí)行定值巖屑推掃。當巖屑掉落在測量盤上面時，稱重傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與質(zhì)量成正比的電信號，傳感器輸出信號經(jīng)過放大器放大后，輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行濾波處理，然后傳遞給工控機得出定時記錄質(zhì)量值。

工控機一方面進行瞬時質(zhì)量記錄入庫存儲，另一方面工控機根據(jù)規(guī)定的時間間隔或規(guī)定的質(zhì)量，將預先設置的控制指令信號傳遞給繼電器，繼電器將開關質(zhì)量傳遞給電磁閥，電磁閥利用線圈是否通電控制氣缸工作，實現(xiàn)巖屑自動推掃。

巖屑推掃控制命令包括前推、抬起、后退、落下等氣缸控制4個動作以及等待4個動作完成的4個等待時間和稱重清零（見表1），具體等待時間需要根據(jù)氣缸調(diào)壓閥的開度進行調(diào)節(jié)，當氣量小時，氣缸動慢，等待時間就相應長，當氣量大時，氣缸動快，等待時間就相應短，氣缸調(diào)壓閥的開度確定需要根據(jù)鉆井液粘度影響確定。

表1 巖屑測量自動控制命令序列Table 1 Cuttings survey automatic control command sequence

2.2 基于巖屑體積平衡的井眼清潔評價方法

巖屑體積平衡是指實際和理論返出巖屑體積比值（巖屑返出率，%）。最佳的巖屑體積平衡關系是地面返出和井下產(chǎn)生巖屑（包括掉塊）體積相等［3-5］，即巖屑返出率100%。如圖5所示，當返出率＞100%時，表明存在井壁穩(wěn)定問題，井壁存在掉塊剝落；當返出率＜100%時，表明存在井眼清潔問題，井筒內(nèi)巖屑堆積存在巖屑床。在地面測量的掉塊數(shù)量能準確測量不穩(wěn)定井段的位置、大小和嚴重程度。

圖5 返出巖屑體積平衡與井眼清潔、井壁穩(wěn)定問題關系Fig.5 Relationship between cuttings volume balance,and wellbore cleanness and wellbore stability

井眼清潔輔助分析方法：利用巖屑運移水力學模型隨鉆分析滯留巖屑在環(huán)空成床高度，當巖屑床高度大于環(huán)空內(nèi)徑10%時判斷為環(huán)空堵塞；利用實時摩阻扭矩模型隨鉆分析摩阻扭矩變化趨勢，當實際值偏離理論較大時判斷為阻卡風險高。

井眼失穩(wěn)輔助分析方法：通過觀察巖屑掉塊尺寸、大小和類型分析掉塊力學特征，評價井壁失穩(wěn)原因；利用元素錄井技術隨鉆分析掉塊元素含量，評價掉塊所在的地層位置。

3 現(xiàn)場應用

XXX井是四川榮縣區(qū)域一口頁巖氣水平井，設計井深5524 m，水平段長2000 m。該井區(qū)儲層段埋深在3300～4000 m之間，埋深相對較深。水平段構(gòu)造變異大，裂縫發(fā)育，儲層段地層穩(wěn)定性差，水平井穿行過程中井壁極易出現(xiàn)掉塊垮塌，出現(xiàn)卡鉆、填井側(cè)鉆事故，嚴重影響水平井延伸能力，前期鉆井過程中發(fā)生卡鉆被迫填井2次，最大井深鉆達3600 m。第三次側(cè)鉆決定從3020 m應用本文方法開展井眼清潔隨鉆監(jiān)測技術服務。利用本文設計的推掃式巖屑流量測量裝置成功地實現(xiàn)了巖屑返出流量隨鉆測量，現(xiàn)場安裝過程中由鉆井施工方提供氣源，要求氣源壓力介于0.7～0.8 MPa之間，通過網(wǎng)線連接綜合錄井儀實時采集鉆井實時數(shù)據(jù)。圖6是根據(jù)本文建立的模型計算的巖屑體積平衡跟蹤圖，綠色是理論巖屑體積，藍色是實際巖屑體積，紅色是實際和理論體積差值。隨鉆跟蹤過程中累計提供井眼清潔日報62份，異常提示5次（其中井眼清潔預報2次、掉塊異常預報2次、卡鉆異常預報1次），通過隨鉆跟蹤返出巖屑體積，通過優(yōu)化高密度泥漿施工方案，及時返出井下堆積巖屑，降低掉塊卡鉆風險，成功鉆過鄰井卡鉆地層位置，實現(xiàn)近1200 m的水平段延伸。

圖6 XXX井井眼清潔隨鉆監(jiān)測與評價Fig.6 XXX wellbore cleanness monitoring and evaluation diagram

4 結(jié)論

（1）本文通過分析水平井井眼清潔影響因素，在造斜段施工過程中最易形成巖屑床，在水平段施工過程中提高轉(zhuǎn)速，增加n/k或降低YP/PV值可以降低巖屑床水平；

（2）針對傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)式傾倒巖屑存在的問題，基于推掃式巖屑稱重方案可以提高清潔巖屑效率、提高測量精度，減少了巖屑稱重過程中人工清潔巖屑頻率。

（3）基于巖屑體積平衡的井眼清潔評價方法可以實現(xiàn)井眼清潔定量監(jiān)測和井壁失穩(wěn)早期檢測，配合摩阻扭矩、水力學等工程分析手段可以提升現(xiàn)場對于井眼清潔和井壁穩(wěn)定問題預警能力。