頁巖油氣水平井巖屑流監(jiān)測技術(shù)與應用

雷銀，陳軼林，張吉，盧杭，鄭科，胡紹敏，羅藝

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

頁巖油氣開發(fā)鉆井普遍采用水平井技術(shù)，由于頁巖地層易破碎和巖屑運移失常，容易導致井筒安全問題，影響施工進度，增加鉆井成本。特別是在水平段鉆進過程中，一方面，在頁巖地層中由于鉆具振動、鉆具偏心、鉆具旋轉(zhuǎn)，加劇了鉆具對井壁碰撞程度，導致掉塊剝落和井壁失穩(wěn)問題；另一方面，隨著機械鉆速加快，鉆井液攜巖效率減小，鉆井排量受限，導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，導致鉆柱扭矩摩阻大，托壓嚴重，造成水平段內(nèi)鉆進速度慢、周期長、成本高，嚴重時可造成卡鉆、鉆具斷落等井下安全事故[1-2]。雖然國內(nèi)外已經(jīng)開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，但還沒有從根本上解決井眼清潔問題。因此錄井隨鉆監(jiān)測井眼巖屑流變化情況的創(chuàng)新研究與應用就顯得尤為重要。該項技術(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，對保障井筒安全、提高鉆井效率和勘探開發(fā)效益具有積極的作用，通過2口井的現(xiàn)場試驗，取得了良好效果。

1 監(jiān)測原理

通過采用專用的測量裝置及配套的采集處理軟件，在一定的時間內(nèi)收集、測量濕巖屑的返出質(zhì)量，經(jīng)過求取泥漿吸附系數(shù)（也稱巖屑干濕校正系數(shù)）進行干濕校正后，得到對應時間段內(nèi)相應井段的干燥巖屑返出質(zhì)量，通過該質(zhì)量與其密度（可以通過巖心實物或電測資料獲取）的比值得到該時間段內(nèi)巖屑返出的體積，該體積與所用時間的比值得到單位時間實際返出的巖屑流量，該流量與理論巖屑流量比值為巖屑返出率。根據(jù)返出率可以計算井筒內(nèi)滯留的巖屑量，隨鉆定量評價井眼清潔程度和井壁穩(wěn)定狀況。

2 巖屑流監(jiān)測設備與主要參數(shù)

巖屑流監(jiān)測設備主要由巖屑稱重儀、控制器和上位機構(gòu)成。

2.1 巖屑稱重儀

巖屑稱重儀安裝在振動篩出料口處，如圖1所示。使用時除了受到振動篩高頻振動的影響外，也容易受到泥漿、巖屑、振動篩篩網(wǎng)清洗水等各種污染物的污染。為了保證巖屑稱重儀長期穩(wěn)定運行，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)場安裝

在大量現(xiàn)場試驗驗證的基礎上[4]，研制了專用的巖屑稱重儀，巖屑稱重儀由4個懸臂梁式壓力傳感器組成，配合4路成熟的信號放大器及稱重信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)巖屑質(zhì)量的測量，每個測量臂的精度為±50 g,整臺稱重儀的精度為100 g，稱重儀最大量程為400 kg，誤差為±0.1%FS（滿量程），測量時間間隔可根據(jù)現(xiàn)場情況3～5 s可選。

2.2 泥漿吸附系數(shù)

進行實際返出巖屑流量計算前，先求得泥漿吸附系數(shù)（μ）進行干濕巖屑的質(zhì)量誤差校正，其方法是在振動篩出口處用托盤接適量濕巖屑稱重，假設為a，再將巖屑清洗至表面無污物，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，所以當鉆井液性能發(fā)生變化時，應重新求取泥漿吸附系數(shù)（巖屑干濕校正系數(shù)）[5]。

2.3 實際累計返出巖屑體積

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

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

2.4 理論累計返出巖屑體積

井眼在理想狀態(tài)下是規(guī)則的圓柱體，根據(jù)圓柱體的體積計算公式，利用鉆頭直徑、巖石體積密度、井眼擴大率（通過鄰井測井資料獲?。?、開始監(jiān)測時井深、結(jié)束監(jiān)測時的井深等相關(guān)參數(shù)，可以得到理論累計應返出巖屑的體積[6]，即

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

2.5 巖屑流參數(shù)校正和計算圖版的建立

測量前利用測量的起始井深、結(jié)果井深、鉆頭尺寸、井眼擴大率、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)校正和計算圖版[7-11]，如圖2所示。根據(jù)建立的圖版、測量相應井段實際累計返出巖屑體積與理論累計返出巖屑體積的比，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)校正和計算圖版

3 現(xiàn)場應用試驗

3.1 井眼清潔監(jiān)測

長寧26H井是川渝地區(qū)的一口大偏移距水平頁巖氣井，設計井深4 325 m，完鉆井深4 450 m，水平段長1 700 m，最大井斜91.37°。隨鉆巖屑返出流量監(jiān)測從三開2 222 m開始至4 450 m結(jié)束，當鉆進至2 929 m時，隨鉆監(jiān)測實際返出巖屑體積量持續(xù)減少，如圖3紅色標注“1”及表1所示。此時鉆時較快，巖屑返出率持續(xù)降低，環(huán)空巖屑滯留量超過14%。當鉆進至3 009 m時，返出率減少至85.136 8%，具有較高的卡鉆風險。建議停鉆，增加劃眼、循環(huán)時間以提升井眼凈化。實施后巖屑返出率逐步恢復至正常范圍（圖3紅色標注“2”），有效避免了潛在的卡鉆風險，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

隨鉆監(jiān)測至井段3 229～3 450 m時，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)適當增加鉆井液密度，有利于巖屑及掉塊的及時返出。當鉆井液密度增加時，實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,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，適時增加鉆井液密度，建議實施后巖屑和掉塊及時返出，如

圖4 3 298 m井壁剝落掉塊圖

全井累計提供井眼異常預報3次，其中井眼清潔異常預報2次、掉塊異常預報1次，避免了3次潛在卡鉆風險，未發(fā)生卡鉆等復雜事故，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量設備、配套的采集處理技術(shù)，在建立巖屑體積測量參數(shù)校正和計算圖版的基礎上，實現(xiàn)了隨鉆監(jiān)測井筒內(nèi)巖屑實時返出狀況，及時為鉆井工程提供準確的巖屑流量服務，對避免因井眼不清潔和井壁不穩(wěn)定造成的工程事故，具有積極的預防作用，彌補了井筒巖屑流監(jiān)測技術(shù)空白。

1）通過現(xiàn)場試驗，驗證了該測量系統(tǒng)的軟硬件能夠滿足隨鉆監(jiān)測井筒巖屑流返出狀況，為鉆井工程提供及時、準確的井眼清潔和井壁穩(wěn)定情況服務。

2）進一步完善了單立柱巖屑流評價方法，為下一立柱安全鉆進的可行性提供技術(shù)支持。單立柱返出率即每鉆進一個立柱，立即對該立柱井段進行一次巖屑返出率統(tǒng)計分析。在水平段，當鉆時小、鉆速相對較快、鉆井液攜巖效率不變時，巖屑和掉塊難以及時返出，單立柱巖屑返出率存在不足的情況。結(jié)合2口井現(xiàn)場試驗情況，綜合衡量鉆井時效與井眼清潔情況，得出當單立柱巖屑返出率低于80%時，井眼清潔不良；高于115%時，井眼存在井壁失穩(wěn)，介于二者之間時，為安全鉆進狀態(tài)。

3）水平井鉆井施工過程中，隨著井斜不斷增加進入水平段后，當鉆井液攜巖能力不足時，巖屑可能在井底堆積形成巖屑床，對鉆井施工造成卡鉆風險，所以及時清除環(huán)空巖屑對于安全、高效鉆井十分重要。

4）通過現(xiàn)場試驗可以看出，當鉆時小、鉆速較快時，在鉆井液攜巖效率一定的情況下，單位時間內(nèi)返出的巖屑相對減少，造成井底產(chǎn)生的巖屑不能及時返出；當巖屑滯留量逐漸增加時，井眼清潔變差，卡鉆風險等級升高。鉆井過程中應該平衡鉆時與井眼清潔之間的關(guān)系，適當控制鉆時，增加接立柱時循環(huán)、劃眼時間，進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。