頁巖油氣水平井巖屑流監(jiān)測技術與應用

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，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，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]。雖然國內外已經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，在一定的時間內收集、測量濕巖屑的返出質量，經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，得到對應時間段內相應井段的干燥巖屑返出質量，通過該質量與其密度（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。根據返出率可以計算井筒內滯留的巖屑量，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。

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換系統(tǒng)，實現(xiàn)巖屑質量的測量，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量累加到結束井深，得到某一井段實際累計返出的巖屑質量。根據巖屑體積密度、泥漿吸附系數(shù)將實際累計返出的巖屑質量轉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表示結束井深,m；mi表示測量的累計巖屑質量，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取）、開始監(jiān)測時井深、結束監(jiān)測時的井深等相關參數(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

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 結論

利用專用的巖屑流量測量設備、配套的采集處理技術，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，單位時間內返出的巖屑相對減少，造成井底產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。