基于信息平臺的水平井井眼清潔狀況實(shí)時預(yù)判與參數(shù)優(yōu)化

張治發(fā),錢浩東,張 帆,王 鵬,楊 哲

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院

0 引言

目前頁巖氣、致密氣等非常規(guī)油氣田為實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)均采用叢式井+水平井的方式進(jìn)行布署，常規(guī)油氣田為實(shí)現(xiàn)高效開發(fā),普遍采用單井+大斜度井或水平井的方式進(jìn)行布署。井眼清潔問題是大斜度井、水平井鉆成的關(guān)鍵影響因素之一。基于信息平臺的實(shí)鉆數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，開展井眼清潔狀況的實(shí)時計算分析和預(yù)判，可實(shí)時掌握井眼清潔狀況，同時通過優(yōu)化鉆井參數(shù)和鉆井液性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)井眼清潔，從而預(yù)防或減少因井眼清潔不佳造成的井下復(fù)雜故障。

信息技術(shù)在石油天然氣勘探開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，利用信息平臺的實(shí)鉆動態(tài)數(shù)據(jù)開展相關(guān)參數(shù)實(shí)時分析，預(yù)警和優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，及時針對性的解決鉆完井工程現(xiàn)場作業(yè)中的突出問題，達(dá)到安全、高效、優(yōu)質(zhì)作業(yè)的效果，是信息技術(shù)應(yīng)用于石油天然氣勘探開發(fā)井筒工程的最終目的所在[1-2]。卡鉆是鉆井工程常見的井下故障，尤其是沉砂卡鉆在復(fù)合井眼、大斜度井和水平井最為突出，處理不好會使故障擴(kuò)大化，進(jìn)而發(fā)生井漏、井噴等衍生故障，甚至導(dǎo)致井眼報廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。沉砂卡鉆預(yù)測預(yù)警方法很多，但大部分都是基于卡鉆前對鉆壓、扭矩、振動等工況參數(shù)變化的分析[3-4]，而本文是通過實(shí)時跟蹤計算分析小斜度井段巖屑顆粒傳輸比、斜井井段和大斜度井段巖屑床厚度，開展預(yù)判和參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到滿足井眼清潔的條件。

1 優(yōu)選井眼清潔狀況計算分析模型和預(yù)判準(zhǔn)則

井眼清潔與鉆井液性能、鉆井參數(shù)、鉆具組合與井眼之間的環(huán)空情況等有關(guān)，而目前的信息平臺對相關(guān)鉆井參數(shù)均能實(shí)時采集，為井眼清潔狀況的實(shí)時計算分析和預(yù)判提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。工程上將鉆屑運(yùn)移根據(jù)井斜分為三個清洗區(qū)[5-9]：小斜度井段(0～30°)為易清洗區(qū)、斜井井段(30°～65°)為不穩(wěn)定巖屑床區(qū)、大斜度井段(>65°)為穩(wěn)定巖屑床區(qū)。由于不同清洗區(qū)鉆屑運(yùn)移機(jī)理不同，井眼清潔計算理論模型各不相同。通過調(diào)研諸多井眼清潔理論計算模型，結(jié)合信息平臺采集的實(shí)時和動態(tài)數(shù)據(jù)，確定了井眼清潔實(shí)時動態(tài)分析計算模型和預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 小斜度井段井眼清潔狀況計算模型及預(yù)判準(zhǔn)則

1.1.1 小斜度井段井眼清潔狀況計算模型

小斜度井段(0～30°)為易清洗區(qū)，一般不會形成巖屑床，以鉆屑顆粒的傳輸比作為井眼清潔的預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)，采用環(huán)空返速和巖屑顆粒沉降速度計算巖屑顆粒傳輸比的方法被普遍認(rèn)可。

鉆屑顆粒傳輸比Rt的計算公式為：

(1)

式中：Va—鉆井液環(huán)空返速，m/s；Vsx—小斜度井段鉆屑顆粒沉降速度，m/s。

鉆井液環(huán)空返速Va的計算公式為：

(2)

式中：Qa—鉆井液流量，L/s(為信息平臺實(shí)時采集數(shù)據(jù))；Dh—井眼直徑，mm(套管段為套管內(nèi)徑，裸眼段可根據(jù)井徑測井獲取，還未進(jìn)行井徑測井的井段，根據(jù)鄰井實(shí)鉆相同地層井徑取值)；Dp—鉆柱外徑，mm。

小斜度井段鉆屑顆粒的沉降速度Vsx的計算公式為[5]：

(3)

(4)

若10

(5)

若Re≥100，則：

(6)

式中：ds—鉆屑顆粒當(dāng)量直徑，mm；ρm—鉆井液密度，g/cm3；ρs—鉆屑顆粒密度，g/cm3；AV—鉆井液表觀黏度，mPa.s。以上數(shù)據(jù)均為信息平臺實(shí)時采集數(shù)據(jù)。

1.1.2 小斜度井段井眼清潔狀況預(yù)判準(zhǔn)則

小斜度井段井眼清潔狀況預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)的確定從兩方面考慮：一方面是根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，為了保持鉆井過程中產(chǎn)生的巖屑與井口返出量相平衡，通常要求巖屑舉升效率即巖屑傳輸比Rt≥0.5；另一方面，停止鉆進(jìn)后要保證井眼清潔，環(huán)空需至少循環(huán)兩周再停泵，鉆井液環(huán)空返速是巖屑沉降速度的兩倍以上，按巖屑傳輸比計算公式計算為Rt≥0.5。因此，確定小斜度井段井眼巖屑傳輸比臨界值為0.5。

當(dāng)鉆屑顆粒傳輸比Rt≥0.5，表明在當(dāng)前施工參數(shù)條件下，井眼清潔度優(yōu)良；當(dāng)鉆屑顆粒傳輸比Rt<0.5，表明在當(dāng)前施工參數(shù)條件下，井眼清潔度較差，需調(diào)整鉆井液性能或(和)鉆井參數(shù)。

1.2 斜井段和大斜度井段井眼清潔狀況計算模型及預(yù)判準(zhǔn)則

斜井段(30°～65°)為不穩(wěn)定巖屑床區(qū)，大斜度(>65°)井段為穩(wěn)定巖屑床區(qū)，巖屑攜帶很困難，以巖屑床厚度所占井眼直徑比，即巖屑床相對厚度作為井眼清潔的預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.1 巖屑床厚度計算模型

在國內(nèi)外相關(guān)斜井段和大斜度井段井眼清潔狀況的計算分析模型較多。汪海閣運(yùn)用概率統(tǒng)計和試驗(yàn)的方法建立的巖屑床計算公式[6]，未考慮巖屑顆粒大小的影響，并且只能計算水平段的巖屑床；王艷輝建立的偏心軸向環(huán)空平衡輸巖計算模型[7]，通過求解方程計算巖屑床厚度，假設(shè)了很多理想邊界條件，與實(shí)際井況相差較遠(yuǎn)，且需要用數(shù)值法或迭代法求解多組方程確定所需參數(shù)，方程求解難度大，不能根據(jù)信息平臺采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算；Newitt等根據(jù)巖屑運(yùn)移層結(jié)構(gòu)模型建立巖屑床指數(shù)計算公式，用指數(shù)評價井眼清潔狀況，不能計算巖屑床厚度，也沒考慮鉆井液流變性；P.H.Tomren等研究了單因素對環(huán)空巖屑濃度和當(dāng)量巖屑床厚度的影響[8]，但沒巖屑床厚度的計算。

周鳳山等建立的大斜度井段和水平井段巖屑床厚度計算公式[9]，充分考慮了井眼清潔的影響因素，引入了鉆井液有效黏度，反映鉆井液流變特性對巖屑床的影響，并且信息平臺采集的實(shí)時數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)能夠滿足該計算模型的數(shù)據(jù)所需。因此，基于信息平臺的斜井段和大斜度井段井眼清潔狀況的計算分析采用周風(fēng)山等建立的計算模型，巖屑床相對厚度H計算公式如下。

(7)

h=0.015(μe+6.15μe0.5)(1+0.587E)(VL-Va)

(8)

(9)

VL=Vszd+Vt

(10)

(11)

(12)

式中：H—巖屑床相對厚度，%；h—巖屑床厚度，mm；μe—有效黏度，mPa.s；E—鉆柱偏心度，無量綱；VL—不形成巖屑床的臨界環(huán)空返速，m/s；Va—環(huán)空返速,m/s；K—鉆井液流稠度系數(shù)，由Φ600和Φ300讀數(shù)計算得出；n—鉆井液流性指數(shù)，由Φ600和Φ300讀數(shù)計算得出；Vszd—斜井段和大斜度井段巖屑沉降速度，m/s；Vt—臨界巖屑傳輸速度，m/s；N—鉆柱轉(zhuǎn)速，r/min；θ—井斜角，(°)；Vjx—機(jī)械鉆速，m/s。

1.2.2 斜井段和大斜度井段井眼清潔狀況預(yù)判準(zhǔn)則

斜井段和大斜度井段存在巖屑床會造成起鉆困難，嚴(yán)重時會導(dǎo)致卡鉆。在斜井段和大斜度井段產(chǎn)生巖屑床通常難以避免，其厚度只能理論計算，影響安全鉆井的判別標(biāo)準(zhǔn)，本文借鑒了李琪和周鳳山等人的文獻(xiàn)[5、9]，設(shè)定巖屑床相對厚度臨界值為10%。

若巖屑床相對厚度H≤10%時，表明在當(dāng)前施工參數(shù)條件下，井眼清潔度優(yōu)良。若巖屑床相對厚度H>10%時，表明在當(dāng)前施工參數(shù)條件下，井眼清潔度較差，需調(diào)整鉆井參數(shù)或(和)鉆井液性能。

2 井眼清潔分析流程設(shè)計

基于上述計算模型、預(yù)判準(zhǔn)則編制了井眼清潔分析與參數(shù)優(yōu)化計算功能模塊，并嵌入信息平臺。信息平臺采集的實(shí)時數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)為該模塊的計算分析提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過系統(tǒng)自動計算，若井眼清潔狀況不能達(dá)到預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)，可通過計算分析調(diào)整鉆井參數(shù)和鉆井液性能，實(shí)時優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，達(dá)到滿足井眼清潔的條件，為措施決策提供信息依據(jù)，有效防止井下復(fù)雜故障的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井。

2.1 井眼清潔計算分析程序流程

井眼清潔計算分析程序流程分為兩步，即井眼清潔狀況預(yù)判分析和可調(diào)參數(shù)的優(yōu)化分析。井眼清潔狀況預(yù)判分析就是根據(jù)當(dāng)前鉆井參數(shù)和鉆井液性能，開展水平井全井段巖屑傳輸比和巖屑床相對厚度計算，并按判別標(biāo)準(zhǔn)確定井眼清潔狀況；若井眼清潔狀況可能影響安全鉆井，則進(jìn)行第二步，即可調(diào)參數(shù)的優(yōu)化分析，達(dá)到滿足安全鉆井條件。

根據(jù)計算模型，要進(jìn)行井眼清潔計算分析，必須采集影響巖屑上返的基本參數(shù)，其中井筒環(huán)空參數(shù)和巖屑參數(shù)為不可調(diào)參數(shù)，鉆井參數(shù)和鉆井液性能參數(shù)為可調(diào)參數(shù)。

基于信息平臺的井眼清潔計算分析，除巖屑參數(shù)需要人工輸入外，其余參數(shù)均可從信息平臺自動提取，確保了井眼清潔狀況的實(shí)時分析和預(yù)判，計算分析流程如圖1所示。

圖1 井眼清潔計算分析流程

2.2 井眼清潔工藝流程優(yōu)化

井眼清潔決策方案優(yōu)化根據(jù)不同斜度井眼段井眼清潔的可變影響因素進(jìn)行調(diào)整，在盡可能不影響生產(chǎn)的情況下，遵循先提高排量、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)，再優(yōu)化鉆井液性能，最后適當(dāng)降低機(jī)械鉆速的原則。

2.2.1 小斜度井段井眼清潔工藝流程

根據(jù)小斜度井段井眼清潔狀況計算模型，影響井眼清潔的可變因素有排量、鉆井液密度和表觀黏度，當(dāng)鉆屑顆粒傳輸比Rt<0.5時，井眼清潔決策方案優(yōu)化程序如圖2所示。

圖2 小斜度井段井眼清潔方案優(yōu)化程序

2.2.2 斜井段和大斜度井段井眼清潔工藝流程

斜井段和大斜度井段影響井眼清潔的可變因素有排量、鉆柱轉(zhuǎn)速、鉆井液密度和有效黏度，當(dāng)巖屑床相對厚度H>10%時，井眼清潔決策方案優(yōu)化程序如圖3所示。

圖3 斜井段—大斜度井段井眼清潔方案優(yōu)化程序

若受機(jī)泵條件和鉆井液性能極限值影響，井眼清潔狀況仍不能滿足安全鉆井需求，則應(yīng)通過采取短程起下鉆、旋流扶正器等巖屑床破除方法和工具等方式[10-12]，確保井眼清潔，實(shí)現(xiàn)安全鉆井。

3 井眼清潔預(yù)警模擬案例

選取川渝地區(qū)頁巖氣水平井NH44-1井三開井眼開展井眼清潔的計算分析預(yù)判和相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化效果模擬分析。

3.1 選取井的基本情況

井眼清潔狀況的影響因素包括井筒環(huán)空幾何體、鉆井液排量、鉆柱轉(zhuǎn)速、鉆井液性能和巖屑等相關(guān)參數(shù)，見表1和表2。

表1 NH44- 1井井筒環(huán)空數(shù)據(jù)

表2 NH44- 1井井筒鉆井液性能及相關(guān)參數(shù)

3.2 模擬計算結(jié)果

小斜度井段按巖屑傳輸比作預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)，計算結(jié)果見圖4。

圖4 NH44- 1井小斜度井段井眼巖屑傳輸比曲線

從圖4可以看出，直徑為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm的巖屑在小井斜井段傳輸比均大于0.5，所以在小斜度井段，不存在井眼清潔的問題。

中井斜和大井斜井段按巖屑床相對厚度作預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)，計算結(jié)果見圖5。

圖5 斜井段—大斜度井段井眼巖屑床相對厚度曲線

從5圖可以看出，在斜井井段直徑為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm的巖屑顆粒形成的巖屑床相對厚度均小于10%；在大斜度井段和水平井段直徑為2 mm、3 mm、4 mm的巖屑顆粒形成的巖屑床相對厚度小于10%，5 mm的巖屑顆粒形成的巖屑床相對厚度大于10%。計算得出若巖屑顆粒直徑大于4 mm，則在大斜度井段和水平井段存在井眼清潔度不良的問題，有沉砂卡鉆風(fēng)險。

3.3 模擬優(yōu)化參數(shù)效果

按顆粒直徑為5 mm的巖屑，以增大鉆井液排量為例，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，將鉆井液排量由20 L/s調(diào)升至26 L/s時，巖屑床相對厚度降至最高限厚10%以內(nèi)，見圖6。

圖6 斜井段—大斜度井段井眼5 mm巖屑提升排量后巖屑床相對厚度曲線

本井實(shí)際鉆井過程中，采用鉆井液排量為28～30 L/s，全井段起下鉆、下套管均比較順暢，無阻卡現(xiàn)象發(fā)生，驗(yàn)證了計算分析結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

(1)準(zhǔn)確、及時、可追溯的現(xiàn)場數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)分析和深度挖掘等數(shù)字化應(yīng)用的基礎(chǔ)。信息系統(tǒng)通過對鉆完井作業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管控、實(shí)時采集傳輸和工程應(yīng)用，為井眼清潔狀況實(shí)時評價奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)優(yōu)選了井眼清潔狀況計算模型，編制了功能模塊，實(shí)現(xiàn)井眼清潔度動態(tài)分析和實(shí)時預(yù)警，并對影響井眼清潔的可變因素及時調(diào)整優(yōu)化，減少因井眼清潔度不良帶來的卡鉆風(fēng)險。

(3)充分利用信息平臺與數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合鉆井生產(chǎn)實(shí)際情況，初步確立了鉆井參數(shù)和鉆井液性能調(diào)整優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)，從事后評價總結(jié)升級為事中動態(tài)分析，向鉆井作業(yè)智能支持邁出了堅實(shí)的一步。

(4)目前川渝頁巖氣鉆井，水平段采用鉆井液密度高(一般為2.0 g/cm3左右)，排量大(一般在30 L/s以上)，理論上不會形成較厚巖屑床，但水平段長度超過800 m后，在無明顯垮塌現(xiàn)象發(fā)生時，卡鉆埋鉆具事故仍時有發(fā)生，現(xiàn)有理論還無法客觀模擬這種復(fù)雜現(xiàn)象，期待在頁巖氣水平井卡鉆機(jī)理與理論模型上有更針對性的技術(shù)進(jìn)步。