岩屑流量测量装置发展现状及前景展望

任忠宏 刘晓晨 万 康 周见果 杨 丽 张明和 袁津华 宁文斌 李 晨

(①中国石油渤海钻探第一录井公司；②中国石油渤海钻探职工教育培训中心；③中国石油渤海钻探泥浆技术服务分公司；④中国石油大港油田公司第五采油厂)

0 引 言

石油钻井施工作业过程中，及时清除井眼岩屑对于预防钻头泥包及卡钻等井下复杂情况十分重要。进行大位移井、大斜度井、水平井或丛式井等更复杂的施工作业时，如果井眼不清洁，则可能导致地层伤害、漏失以及非生产时间的产生，致作业风险和作业成本增加，同时井眼稳定性也会变差，进而需要起钻并进行井眼清洁。在大斜度井段和水平井段中,岩屑的沉降是沿重力方向,而环空流速沿重力方向的分量很小甚至趋零,使钻井液携带岩屑能力相应降低,导致岩屑易在下井壁沉积形成岩屑床,严重制约钻井施工作业的安全和时效。在海上深水作业时，通过提高井眼清洁率和井底循环频率来减少非生产时间，从而提高钻井效率，是缩短钻井时间的一种可靠手段[1-3]。通过对岩屑流量数据的监测，可帮助钻井技术人员优化钻井施工作业流程，提高钻井施工效率，降低钻井施工作业的风险和成本，同时可以间接判断井眼的规则程度等。

1 岩屑流量测量装置的作用

岩屑流量测量装置作为一种为石油施工作业过程提供技术支持的设备，只有面向油气勘探开发钻井施工作业现场，才有立足之本。因此，在研发岩屑流量监测装置之前，必须了解当前钻井施工作业过程中的需求，以满足这些需求为研发目标。从目前情况来看，测量装置在钻井施工作业现场主要有4方面作用。

1.1 井眼清洁程度识别

通过岩屑返出情况进行井眼清洁程度的识别是该项技术的关键。目前大多数油田的勘探开发进入中后期，复杂地层、复杂区块、复杂井部署增多、大位移井、水平井、钻井提速等诸多因素都增加了井眼清洁程度的识别难度，主要表现在：设计目的层埋藏深，增加了准确识别的难度；井的位移大，托压严重，造成岩屑成型性差，从而造成返出岩屑数据失真；水平井钻井工艺不完善，以及为追求钻井提速，岩屑破碎严重，导致返出岩屑难以反映地层真实的岩屑情况。

1.2 井眼规则情况初步判断

井眼的规则程度是影响固井质量的一个重要指标，通常情况下，需要钻完井后进行测井作业测量井眼的情况，从而了解井径的实际情况。这种方式时效性比较滞后，实时性较差。通过测量不同地层岩屑返出量的情况，间接判断井眼的规则程度，可以达到快速高效识别井眼规则程度的目的。

1.3 复杂条件下地层的初步识别

一直以来，各个油田的勘探开发过程中，对地层认识不清的情况很多，尤其是老区深层，新区探井等，存在难以准确判断地层的情况。结合其他参数，采用岩屑流量测量装置在复杂条件下可间接初步判断地层，为地层的准确识别提供帮助。例如，在施工作业过程中，通过岩屑流量测量装置识别到某层段岩屑流量大于正常值，可以间接说明该层段岩屑胶结较为疏松，岩屑成形性较差，易破碎等。通过这些特性，结合其他参数，可准确识别地层岩性。

1.4 钻井施工作业风险评估和预报

目前钻井过程中，复杂工程事故已经成为影响钻井提速增效的主要原因。在施工作业过程中，很多工程技术服务企业仍然沿用固有参数，同时结合人工干预的工程预警方式，风险评估及预报方式上没有本质的变化。在勘探开发难度大、超深井、钻速快、井下工况复杂的情况下，工程风险评估和预报及时率较差、准确率较低。尽管国内主流的综合录井仪在钻井工程、气体、钻井液监测这3大类地面参数采集方面应用较好，但缺少更为智能的采集手段、采集设备及微机数据处理技术。将人工判断钻井工程异常转为计算机软件系统自动判断，消除人为的不确定因素，岩屑流量测量装置判断方式不失为一种好的选择，该装置有助于降低钻井工程事故，有利于提速增效[4]。

2 岩屑流量测量装置发展现状

2.1 国内发展现状

近年来，随着石油勘探开发进程的不断深入，工程技术服务企业对井下安全越来越重视，对确保井下安全的设备需求越来越强烈。针对岩屑流量测量装置，国内多个企业及科研院所从不同层面开展了岩屑流量测量装置的研究，并申请相关专利，在产品研发方面获得了可喜的成果。如中国电子科技集团公司第二十二研究所研发的无线岩屑流量测量装置，经过数年的研究、测试及现场应用不断完善，已具备工业应用水平；国内某科技公司对该类型产品进行研发，已经生产出工程样机并在现场多口井进行了试验，应用效果良好。其技术参数对比如表1所示。

从两个产品的技术特点不难看出，二十二所的岩屑流量测量装置各个方面的性能更加成熟，适用范围更广，测量符合率更高，尤其是采用的无线传输方式，降低了作业人员的劳动强度，无需增加作业人员即可完成该装置的现场安装、调试，既为录井企业开辟了一条增收的途径，又为地质工程一体化服务和钻井施工作业提速增效提供了有力的技术支撑，得到了工程技术服务企业和油气开发企业的认可。

表1 岩屑流量测量装置技术参数对比

2.2 国外典型产品功能

国际上该技术比较成熟的公司有Geolog公司、Schlumberger公司，这两家公司都开发了相应的岩屑流量测量装置，并作为一项单独的业务为顾客提供技术服务(单独收费)，也可以与现场录井技术服务相结合。该项技术服务应用效果显著，得到了客户的认可，成为高风险钻井施工作业必选项之一。

2.2.1 Geolog公司Drill clean装置

Geolog公司的岩屑流量测量装置Drill clean为井筒清洁程度提供了一种有效的、低成本的解决方案，以监测井筒的稳定性和钻井时岩屑清洁的有效性，特别是在大角度、水平和大位移延伸的井中，通过一种复杂的专有软件测量岩屑流量来实现，与Geolog专家一起监控和沟通，实时反馈井眼清洁程度，预防工程事故的发生，从而减少了昂贵的钻井非生产时间(NPT)。其技术特点包括：

(1)装置包含称重传感器部件，安装在钻井施工作业各个振动筛的尾部。当岩屑落在测量装置上，称重传感器可以获得相应的数据。采集端获得信号，通过一系列的计算做出判断。

(2)提前识别井眼垮塌问题，也就是提前掌握井径变化情况。

(3)通过泵入高密度钻井液、倒划眼、短起下等措施提高监测效率。

(4)进行地层异常孔隙压力监测。

(5)预防井下岩屑过多造成的键槽卡钻。

(6)为钻井施工作业提供优化方案。

Geolog公司的岩屑流量监测装置在陆地、近海平台作业已成功用于2000多口井，并且被许多操作者认为在水平和延伸的井段施工中是必不可少的设备，可以多个振动筛同时监测。目前岩屑流量监测技术服务可以监测大多数振动筛，无需对钻井施工作业现场的振动筛进行改造，数据可以通过指定接口进行实时监测浏览。

2.2.2 Schlumberger公司Clear装置

该公司研发的Clear装置能够监测井眼清洁率和井壁稳定性，提供实时数据，帮助井队不断提高钻井效率，减少非生产时间的产生。通过实际和理论进行对比，该服务能够尽早地检测到由于井眼不清洁而造成的井壁失稳和返出过量等问题。其技术特点包括：

(1)有多个传感器和数字信号：Clear装置包含岩屑流量计(CFM)和称重托盘，位于振动筛的尾部。当岩屑落在筛布上时，流量计能够监测这一情况，岩屑堆积在托盘上，通过应变仪进行称重，数字信号被传送到采集系统，并完成相应的计算功能。在可调整预设周期的最后阶段，称重托盘向下倾斜，将岩屑清除后恢复水平位置，以便对后续岩屑继续称重。钻机用压缩空气为启动控制装置提供动力，且该设备不会堵塞振动筛通道。

(2)Clear装置符合欧盟的ATEX指令标准，并通过了CE和国际电工委员会(IECEx)认证。

(3)Clear装置能够测量的数据包括：振动筛处湿岩屑的总重、干岩屑总重、岩屑体积、干岩屑的理论体积、岩屑流速、基于一定钻速时的岩屑理论流速。

(4)实时数据仪表盘：由Clear装置提供的综合、实时钻井液信息包含了钻井参数、岩屑地质情况、钻井液性能以及随钻测井和测斜数据。这些数据可以通过仪表盘清晰地呈现出来，无论是在井场或是在远程办公室，工程师均可通过该仪表盘获取所需信息，使作业人员对井眼清洁状况进行有效判断，从而减小井壁失稳的风险。

(5)智能化分析服务：Clear服务技术除了能够提供简洁清晰的仪表盘及CFM设备之外，还能提供先进的智能分析服务，即通过对井眼清洁进行专家级的评估解释，进行层次分析，总结经验教训，并为后续工作的最优方案设计提供有效的经验依据。自动化的解决方案在提高数据质量的同时，还能够减少作业人员劳动强度。

(6)高效的钻井液校正：由于岩屑泥包率易发生改变，选取当量干岩屑校正系数应用于这一易变的指标。湿岩屑的重量转换为当量干岩屑，可以与已钻地层的理论体积进行比较。

从Geolog和Schlumberger岩屑流量测量装置的技术特点对比(表2)可以看出，两个国外产品的技术各有特色，功能强大，技术含量高。

表2 Geolog和Schlumberger岩屑流量测量装置技术特点对比

Geolog岩屑流量测量装置针对施工作业现场的工程预警更突出，为施工作业提供了有力的技术支撑，实用性强；Schlumberger岩屑流量测量装置对岩屑流量的评估更准确，测量符合率更高，各功能更简洁，传输方式直观可视，同时对装置自身可自动产生故障报警信号，为操作人员提供装置故障的预警信息，为装置问题的及时解决提供了有力的保证。

3 岩屑流量测量装置发展前景

岩屑流量测量装置能够实时测量岩屑返出效率，从而了解井眼的清洁情况；监测返出岩屑的异常、掉块，预防卡钻、井壁坍塌事故的发生；初步判断井眼的规则程度；辅助判断地层；帮助钻井技术人员优选钻井施工作业参数，减少循环和起下钻的时间，提高钻井施工作业的时效，降低钻井施工作业成本，提高钻井施工作业安全性，从而达到提速增效的目的。

随着国内油气田勘探开发进入中后期，大位移井、水平井作业不断实施，岩屑流量测量装置的应用价值突显。鉴于目前国内外对该课题的研究及应用情况，后续研究还有很大的提升空间。例如，将岩屑流量测量装置和综合录井仪技术、解释评价技术等相结合，形成一种独特的工程技术，服务于钻井施工作业，更好地为油气勘探开发服务。

3.1 向智能化方向发展

岩屑流量测量装置和作业现场录井技术相结合，将大量人工完成的录井工作转化为仪器自动完成，比如录井技术中的岩屑捞取，自录井技术发展以来，人工捞取岩屑仍然是主流，采集工的存在不但增加了录井作业人工成本，还浪费了人力资源。我们可以借助岩屑流量测量装置的发展，在现有岩屑流量测量装置的基础上，研发一种岩屑流量自动测量及岩屑自动捞取的一体机，使岩屑流量测量、岩屑捞取由人工向智能化发展，不仅可减轻作业人员劳动强度，还可以降低人工成本[6]。客观上讲，当前岩屑流量测量装置已经不适应录井技术的智能化、自动化发展程度，需要加大投入进行研发，获得技术突破。

3.2 向无线技术、网络技术转变

应用无线测量技术，如采用局域网络完成传感器、控制器等数据的采集和传输，这样相邻的几个井场或一个大的丛式井平台可以共用一个岩屑流量测量仪器房，或者与在用录井仪器房共用一个空间，可减少施工作业所需空间，节约成本，实现信息化、智能化和远程管理、远程控制的网络[7-8]。依靠无线传输方式，加快无线远程岩屑流量测量装置的发展，形成录井公司基地和录井作业现场的双向无障碍沟通渠道，创建一种崭新的工作模式；同时解决无线传输过程中信号干扰、屏蔽等问题，使无线传输的质量更有保障。

3.3 向标准化、模块化发展

模块及模块化是标准化的一种新形式，是对传统标准化理论的发展。模块化生产是在多品种，少批量工业中组织高效设计、生产的一种现代化标准方法，是缩短产品设计与建造周期，提高经济效益的好途径。通过岩屑流量测量装置前端数据采集模块化处理，按照不同的功能模块，统一标准化数据输出，实现分段、标准间距、全井的清洁程度分析判断，以及井眼情况、地层情况、特殊情况下的工程预警，实现岩屑流量测量装置在钻井作业现场的经济效益最大化。

4 结束语

岩屑流量测量装置是面向石油勘探开发过程为钻井施工作业提供服务的一种设备。将岩屑流量测量装置引入石油勘探开发领域，有利于提高钻井施工作业现场工作效率，降低钻井施工作业过程中的风险，弥补当前录井技术面对的难题。目前国内岩屑流量测量装置的应用还未受到施工方的重视，而且施工作业现场的条件也有限，应用困难重重[9]。但该装置对施工作业安全和提速效果显著，随着国内外该项装置技术的不断完善，成功应用案例不断增加，该装置技术的优势会不断突显，其推广应用空间巨大，同时随着国内外企业对岩屑流量测量装置的研究不断深入，诸如冲击力传感器称重或PSD岩屑测量的应用，将可为录井行业淘到另一桶金，促进录井行业的健康发展。