水平井井眼清潔隨鉆監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法研究

孫凱

（中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

水平井鉆井作業(yè)期間良好的井眼清潔對(duì)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(lái)，人們提出了不同的預(yù)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(qiáng)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?xí)?dǎo)致其它問(wèn)題，如當(dāng)量循環(huán)密度過(guò)大。

井眼清潔不良會(huì)導(dǎo)致卡鉆、機(jī)械鉆速降低、摩阻和扭矩過(guò)大，通常會(huì)延長(zhǎng)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(xué)者針對(duì)影響井眼清潔的因素開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和機(jī)理模型研究工作，形成了井眼清潔計(jì)算與分析方法，但是由于考慮模型求解和實(shí)時(shí)分析的問(wèn)題，已有井眼清潔理論模型均進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，造成模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在誤差。國(guó)外油服公司研究了基于巖屑流量測(cè)量的井眼清潔監(jiān)測(cè)技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化應(yīng)用，如斯倫貝謝公司的Clear系統(tǒng)、Geolog公司的Drill-Clean系統(tǒng)［1］等，國(guó)內(nèi)技術(shù)人員也進(jìn)行了相關(guān)研究并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試［2］。筆者通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)現(xiàn)，巖屑流量測(cè)量硬件在實(shí)際工作過(guò)程中存在巖屑傾倒不徹底問(wèn)題，影響了測(cè)量精度；針對(duì)井眼清潔和井壁穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題還未形成具體的評(píng)價(jià)方法。

本文針對(duì)水平井井眼清潔問(wèn)題，分析了影響井眼清潔的因素，針對(duì)現(xiàn)有巖屑流量測(cè)量存在的問(wèn)題，提出了基于巖屑推掃的巖屑流量測(cè)量技術(shù)方案，解決了以往巖屑流量測(cè)量過(guò)程設(shè)備傾倒巖屑不徹底問(wèn)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(cè)方法，形成了井眼清潔和井壁穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，成功預(yù)警了井眼不清潔和井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，證明了本文建立的方法可以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中，受重力影響導(dǎo)致鉆桿偏心，鉆柱通常朝向井眼底邊下沉。當(dāng)窄間隙位于鉆桿下方時(shí)，通常認(rèn)為鉆桿偏心為正，當(dāng)窄間隙位于鉆桿上方時(shí)，通常認(rèn)為鉆桿偏心為負(fù)。巖屑的大小、形狀和密度是影響其在鉆井液中動(dòng)態(tài)行為的因素。唯一導(dǎo)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(dāng)鉆井液密度增加時(shí)，增強(qiáng)了浮力效應(yīng)，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(huì)降低機(jī)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(duì)巖屑運(yùn)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(gè)區(qū)域，如圖1所示。在與垂直方向成40°～45°時(shí)，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(huì)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(shí)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(shí)，粘性耦合較薄，系統(tǒng)能量較低，巖屑運(yùn)移困難；中等轉(zhuǎn)速時(shí)，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(yùn)移程度偏低；高轉(zhuǎn)速時(shí)，鉆具位置發(fā)生大幅變化，粘性耦合厚度更厚，井眼低邊達(dá)到紊流狀態(tài)，可以很輕易地?cái)噭?dòng)井眼低邊的巖屑，將其帶動(dòng)到傳送帶上向前運(yùn)移。如圖2所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速對(duì)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(dòng)切力YP、流動(dòng)指數(shù)n、稠度系數(shù)k。就井眼清潔而言，直井鉆井相對(duì)簡(jiǎn)單。唯一的要求是粘度應(yīng)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(duì)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(lái)說(shuō)，屈服點(diǎn)YP值的增加會(huì)減少偏心鉆桿下的流量。增加流動(dòng)指數(shù)n值會(huì)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(huì)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(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間［8-11］。

1.5 鉆井液排量影響

鉆井液排量對(duì)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?yàn)榱魉僭礁?，巖屑床上施加的剪應(yīng)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(shí)，應(yīng)仔細(xì)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(gè)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(cè)方法

2.1 巖屑流量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉆井過(guò)程中由于巖屑流量相對(duì)于鉆井液流量較小，在鉆井液中測(cè)量巖屑流量存在精度不足問(wèn)題。因此，巖屑流量測(cè)量系統(tǒng)必須在振動(dòng)篩出口位置，由于振動(dòng)篩環(huán)境污濁、高頻振動(dòng)以及有限的空間限制了機(jī)械裝置安裝，因此需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境設(shè)計(jì)合理的巖屑計(jì)重系統(tǒng)以及運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)巖屑收集、在線計(jì)重及清理［13-16］。

由于巖屑稱重器容量限制，當(dāng)稱得巖屑量達(dá)到規(guī)定值時(shí)必定存在傾倒舊巖屑重新接受新巖屑的過(guò)程。圖3展示了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)普遍采用的翻轉(zhuǎn)式巖屑流量測(cè)量裝置，通過(guò)翻轉(zhuǎn)巖屑測(cè)量板（或斗）傾倒舊巖屑，但由于鉆井液粘度影響導(dǎo)致巖屑清除不徹底，影響了測(cè)量精度。推掃式巖屑流量測(cè)量裝置（見圖4）通過(guò)增加推掃板，“掃除”測(cè)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(wèn)題。

圖3 翻轉(zhuǎn)式巖屑流量測(cè)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(cè)量裝置Fig.4 Sweeping type cuttings flow measuring device

巖屑流量測(cè)量裝置由工控機(jī)控制傳感器的稱重實(shí)現(xiàn)定時(shí)質(zhì)量值采集、存儲(chǔ)、數(shù)值清零，并輸出控制信號(hào)，執(zhí)行定值巖屑推掃。當(dāng)巖屑掉落在測(cè)量盤上面時(shí)，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(hào)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后，輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行濾波處理，然后傳遞給工控機(jī)得出定時(shí)記錄質(zhì)量值。

工控機(jī)一方面進(jìn)行瞬時(shí)質(zhì)量記錄入庫(kù)存儲(chǔ)，另一方面工控機(jī)根據(jù)規(guī)定的時(shí)間間隔或規(guī)定的質(zhì)量，將預(yù)先設(shè)置的控制指令信號(hào)傳遞給繼電器，繼電器將開關(guān)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(shí)現(xiàn)巖屑自動(dòng)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(gè)動(dòng)作以及等待4個(gè)動(dòng)作完成的4個(gè)等待時(shí)間和稱重清零（見表1），具體等待時(shí)間需要根據(jù)氣缸調(diào)壓閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)氣量小時(shí)，氣缸動(dòng)慢，等待時(shí)間就相應(yīng)長(zhǎng)，當(dāng)氣量大時(shí)，氣缸動(dòng)快，等待時(shí)間就相應(yīng)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(cè)量自動(dòng)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(píng)價(jià)方法

巖屑體積平衡是指實(shí)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(guān)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(dāng)返出率＞100%時(shí)，表明存在井壁穩(wěn)定問(wèn)題，井壁存在掉塊剝落；當(dāng)返出率＜100%時(shí)，表明存在井眼清潔問(wèn)題，井筒內(nèi)巖屑堆積存在巖屑床。在地面測(cè)量的掉塊數(shù)量能準(zhǔn)確測(cè)量不穩(wěn)定井段的位置、大小和嚴(yán)重程度。

圖5 返出巖屑體積平衡與井眼清潔、井壁穩(wěn)定問(wèn)題關(guān)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(yùn)移水力學(xué)模型隨鉆分析滯留巖屑在環(huán)空成床高度，當(dāng)巖屑床高度大于環(huán)空內(nèi)徑10%時(shí)判斷為環(huán)空堵塞；利用實(shí)時(shí)摩阻扭矩模型隨鉆分析摩阻扭矩變化趨勢(shì)，當(dāng)實(shí)際值偏離理論較大時(shí)判斷為阻卡風(fēng)險(xiǎn)高。

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

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

XXX井是四川榮縣區(qū)域一口頁(yè)巖氣水平井，設(shè)計(jì)井深5524 m，水平段長(zhǎng)2000 m。該井區(qū)儲(chǔ)層段埋深在3300～4000 m之間，埋深相對(duì)較深。水平段構(gòu)造變異大，裂縫發(fā)育，儲(chǔ)層段地層穩(wěn)定性差，水平井穿行過(guò)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(yán)重影響水平井延伸能力，前期鉆井過(guò)程中發(fā)生卡鉆被迫填井2次，最大井深鉆達(dá)3600 m。第三次側(cè)鉆決定從3020 m應(yīng)用本文方法開展井眼清潔隨鉆監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)。利用本文設(shè)計(jì)的推掃式巖屑流量測(cè)量裝置成功地實(shí)現(xiàn)了巖屑返出流量隨鉆測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)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(guò)網(wǎng)線連接綜合錄井儀實(shí)時(shí)采集鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。圖6是根據(jù)本文建立的模型計(jì)算的巖屑體積平衡跟蹤圖，綠色是理論巖屑體積，藍(lán)色是實(shí)際巖屑體積，紅色是實(shí)際和理論體積差值。隨鉆跟蹤過(guò)程中累計(jì)提供井眼清潔日?qǐng)?bào)62份，異常提示5次（其中井眼清潔預(yù)報(bào)2次、掉塊異常預(yù)報(bào)2次、卡鉆異常預(yù)報(bào)1次），通過(guò)隨鉆跟蹤返出巖屑體積，通過(guò)優(yōu)化高密度泥漿施工方案，及時(shí)返出井下堆積巖屑，降低掉塊卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，成功鉆過(guò)鄰井卡鉆地層位置，實(shí)現(xiàn)近1200 m的水平段延伸。

圖6 XXX井井眼清潔隨鉆監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)Fig.6 XXX wellbore cleanness monitoring and evaluation diagram

4 結(jié)論

（1）本文通過(guò)分析水平井井眼清潔影響因素，在造斜段施工過(guò)程中最易形成巖屑床，在水平段施工過(guò)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(duì)傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)式傾倒巖屑存在的問(wèn)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(cè)量精度，減少了巖屑稱重過(guò)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(píng)價(jià)方法可以實(shí)現(xiàn)井眼清潔定量監(jiān)測(cè)和井壁失穩(wěn)早期檢測(cè)，配合摩阻扭矩、水力學(xué)等工程分析手段可以提升現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于井眼清潔和井壁穩(wěn)定問(wèn)題預(yù)警能力。