井眼清洁监测系统在西南油气田的工程应用

曾家新 吴申尧 罗 艺 谭 婷 雷 银 卢 杭 郑 科 彭 文 丁建平

(①四川宝石花鑫盛油气运营服务有限公司;②中国石油西南油气田分公司物资分公司;③四川长宁天然气开发有限责任公司;④中国石油西南油气田分公司工程技术研究院;⑤上海科油石油仪器制造有限公司)

0 引 言

在钻井施工过程中，清除井眼岩屑对于预防高摩阻高扭矩、环空憋堵[1-4]及卡钻等井下复杂工况十分重要。如果没有及时清除岩屑，则可能导致地层伤害、漏失以及产生非生产时间，进而要求司钻起钻并进行额外清洁井眼[5-7]操作。各大油气田作业区进行大位移井、大斜度井、水平井等更复杂钻井作业时，井眼不清洁会导致作业风险和作业成本增加，同时井眼稳定性也会变差。在追求产能、效益的同时，面对复杂的地质条件导致开发成本上升的问题，越来越多的人关注地面数据采集在实时钻井优化和井眼实时状况监测中的价值。井眼清洁监测系统可在没有井下设备的情况下实现这些目标，从而有效降低使用井下设备的运营成本和风险。

目前行业内针对岩屑流量直接测量的研究和产品较少。国际上，斯伦贝谢公司开展CLEAR 业务(Hole cleaning and wellbore risk reduction service) 所用的岩屑流量测量设备能在钻井施工作业过程中实时测量返出地面的岩屑量和变化趋势[8-9]，预测可能发生的井壁坍塌等井眼失稳事故风险[10]，还能预测由于井眼净化不良可能引起的其他事故风险[11]，在中东、东南亚、北非等地区的使用中取得了良好的经济效益，大幅节约了钻井时间和成本。吴月珍等[12-15]也进行过岩屑流量监测产品的研究和试验，主要通过岩屑返出在线称重装置，实现快速检测岩屑返出过少或过量异常，早期识别井眼清洁不良和井壁失稳等问题，提供井筒实时数据。

经过对国内外相关资料的收集以及对国内钻井现场的调研，为了将井眼清洁监测系统(Borehole cleaning monitoring system，以下简称BCM)技术应用于现场，开发研制了无线岩屑流量测量装置工程样机[16-21](目前已开发第三代，实用性更广)，并进行了现场试验。结果表明， 该产品能够很好地监测岩屑返出量，同时降低系统操作的复杂性和现场的安装难度。

1 井眼清洁监测系统

1.1 井眼清洁监测系统原理

图1为井眼清洁监测系统流程图。该系统通过在钻井现场振动筛处安装岩屑流量测量单元，准确测量固体岩屑重量，实时计算实际岩屑流量和理论岩屑流量，结合现场综合录井迟到井深、迟到时间、钻时等数据，定量化监测井底岩屑返出情况，进而对井筒状态进行评估评价，帮助工程技术人员判断井眼清洁状况，保障钻井安全。

图1 BCM 系统流程图

1.1.1 岩屑计重返出在线计重装置

(1)岩屑返出计重装置，主要对实时返出岩屑进行称重。

(2)岩屑返出在线计重自动控制系统，主要通过软件自动控制设备的运行，并根据异常情况切换称重方式(定时清理与定量清理)，如图2所示。

图2 岩屑返出在线计重采集控制界面

1.1.2 岩屑计重数据修正与计算方法

(1)总岩屑流量计算。一般钻井现场使用2～3个振动筛，根据振动筛的数量配备相应数量的测量单元，各个测量单元测得的岩屑流量之和为总岩屑流量，即:

式中：fi为第i个测量单元的岩屑流量，kg/min；Δmi为第i个测量单元的岩屑重量增加值，kg；Δt为两次测量的时间间隔，min；factual为所有测量单元的总岩屑流量，kg/min；n为测量单元总数。

(2)岩屑流量参数计算。为了与实际岩屑流量进行对比，还需要计算理论岩屑流量，计算方法如下：

式中：ftheory为理论岩屑流量，kg/min；ρ为岩石密度，kg/m3；v为机械钻速，m/min；S为井眼横截面积，m2；d为井眼直径，m。

1.1.3 井筒状态评价方法

(1)井眼清洁监测与评价方法

全井携岩异常监测：随钻跟踪累计返出岩屑理论体积和实际体积，当实际体积小于理论体积时判断为全井携岩异常，为优化清洁井眼处理时间、打稠塞操作提供技术支持。

瞬时携岩异常监测：当实际瞬时岩屑流量小于理论瞬时岩屑流量时判定为瞬时携岩异常，根据环空岩屑沉降速度和钻井液上返速度关系，实时修正携岩指数模型，评价钻井液携岩能力，为钻井液性能优化提供依据。

钻井现场岩屑返出考虑迟到时间的因素，在相同时间内钻头理论破岩量与井口返出岩屑量之差即为井下岩屑残余量，井下岩屑残余量的多少决定了井眼清洁程度的好坏，两者成定量关系，通过地面实际返出岩屑体积和井下理论产生的岩屑体积进行对比，能够尽早地检测到岩屑返出异常，识别出井壁失稳和井眼不清洁等问题。

(2)井壁失稳监测与评价方法

全井井壁失稳监测：随钻跟踪累计返出岩屑理论体积和实际体积，当实际体积大于理论体积时判断为全井井壁失稳，为钻井液性能优化、钻井参数优化防止恶性井塌提供技术支持。

瞬时井壁失稳监测：当实际瞬时岩屑流量大于理论瞬时岩屑流量时，结合地质录井观察判断真假岩屑，早期诊断是否发生井壁失稳问题，为防止掉块卡钻提供技术支持。

钻井液在携岩能力很强时，钻出的岩屑可能很快离开井底并随钻井液返出。这时，岩屑棱角清晰或比较清晰，磨圆度差，表明井眼清洁良好。反之，尽管岩屑离开了井底，但岩屑在整个循环过程中处于上升和下沉交替状态，直到将棱角磨掉、尺寸磨小之后才逐渐被返出地面，表明井眼清洁较差，具有潜在风险。当钻头类型、机械钻速和地层岩屑保持不变时，岩屑尺寸大小可以间接表示井眼清洁程度，现场人员可以根据岩屑磨圆程度进行判断：磨圆砂样小于10%时井眼清洁良好；介于10%～20%时井眼清洁中等；介于30%～50%时井眼清洁较差；大于50%时则在大斜度井段会存在较为严重的岩屑床。

(3)钻井优化方法

在无岩屑床或井壁失稳时，如果立柱岩屑返出率持续增大，相应增加拉划次数和循环时间，促进岩屑或掉块及时返出；如果存在岩屑床，并且立柱岩屑返出率持续减小，需要相应进行起下钻操作辅助破除岩屑床，实际操作过程中，需要根据现场情况兼顾提高钻井时效和降低井下风险来采取井眼清洁技术措施。

具体施工过程中，在打完立柱拉划、循环、准备接立柱继续钻进之前，以立柱返出率为控制指标，评价下一柱安全钻进可行性，树立“一柱一清”井眼清洁施工理念。立柱返出率即每钻进一个立柱，对该立柱井段进行一次岩屑返出率统计分析。从立柱岩屑返出率与立柱平均钻时关系图(图3)中可以看出，在水平段，当钻时相对较快时，钻井液携岩效率一定，岩屑和掉块难以及时返出，立柱岩屑返出率存在不足的情况。综合衡量钻井时效与井眼清洁情况，当立柱岩屑返出率低于80%时，井眼清洁不良，返出率高于115%时，可能存在井壁失稳，介于二者之间时，为安全钻进状态。

图3 立柱岩屑返出率与立柱平均钻时关系

1.2 井眼清洁监测系统硬件

岩屑称重装置用于测量钻井液返出岩屑重量，并通过网络将信号传递到上位机监控系统，显示岩屑实时返出重量及其随时间变化的曲线(图4)。

图4 岩屑称重装置整机构成图示

1.3 井眼清洁监测系统软件

监测软件的功能包括数据采集、曲线显示、数据库管理、数据回放、传感器校准、通信设置等，监测软件能够通过数据插件的方式获取综合录井仪的相关数据。目前的数据插件支持国内大部分主流型号综合录井仪，主要包括:ACE、ALS 2、ALS 2．2、KELOG、SK 2000、SLZ-2A、DLS、Advantage、Datalog、CMS、SnowWolf 5、SDL 9000 Ⅱ、Wellstar、DML 等。

针对软件系统的需求进行分析和研究，软件按功能模块进行划分，设计主要包括：数据管理模块、数据监测模块、计算分析模块、控制模块等系统子模块。

计算过程中岩土体的物理力学参数主要根据室内试验、中国地大参数，并综合考虑现场调查结果、参考类似工程等等选取。计算过程中涉及到的岩土体物理力学参数如表1所示。

(1)数据管理模块：包括井基本数据管理、裸眼数据管理、地层密度数据管理、岩屑称重数据管理、录井数据管理、计算分析数据管理等。

(2)数据监测模块：包括实时数据监测、实时岩屑流量监测、理论岩屑流量监测、岩屑返出率监测等。

(3)计算分析模块：包括实际岩屑体积计算与分析、理论岩屑体积计算与分析、岩屑体积平衡关系计算与分析、岩屑返出率计算与分析等。

(4)控制模块：包括称重仪料斗翻转间隔控制、称重仪料斗清洁控制等。

1.4 井眼清洁监测系统的作用

BCM系统能够早期识别出实际岩屑量预期值与趋势之间的差异(基于钻时和钻头直径)，从而采取安全及时的预防措施来纠正这种情况。简单来说有3种情形：

(1)低于预期的固相岩屑返出，可推断为岩屑沉积，如果不进行处理，则会增加阻塞和卡钻的可能性。一旦确定，缓解措施有:提高钻井液密度，泵入清扫浆或添加剂，增强管柱旋转，或在连接处引入单立柱往复运动，或酌情延长通井行程。

(2)固相岩屑返出速度较慢，钻井液携砂指数(CCI)较预期低。因此通过优化钻井液流变性(如钻井液密度、凝胶、PV/YP)，可以轻松地加以改善。

因此，使用BCM系统可有效预防和解决钻探中存在的卡钻、井壁坍塌井筒不稳定等问题。

2 西南某页岩气井井眼清洁监测案例

2.1 案例1——NX井

NX井是长宁页岩气片区一口大斜度页岩气水平井,设计水平段1 500 m，钻井要求高，时效控制严。随钻井眼清洁监测系统从三开1 870 m开始监测，至4 450 m结束，历时31 d三开顺利钻完，未发生任何工程异常。 该井邻井水平段发生过两次卡钻、一次井漏复杂，处理复杂周期28.4 d，造成生产成本增加。BCM系统在本井异常预报3次、钻井队接到预报后采取相应措施，避免了3次可能产生的工程复杂，实验效果良好。如至井深3 065 m岩屑返出率从98%降至87%。而在合适的范围内适当增加钻井液密度，有利于岩屑及掉块的及时返出。为此现场建议：在不破坏地层、保证钻井安全的情况下，适时增加钻井液密度。当钻井液密度增加时，转盘转速为40 r/min,排量为34.5 L/s,工程参数基本稳定，实际岩屑返出体积逐渐增加，返出率基本稳定在115%～120%。现场钻井工程师采纳建议后，使得返出率逐渐趋于一个稳定范围，及时促进了岩屑和掉块的返出。

2.2 案例2——LX井

LX井2020年11月27日15:03钻至井深3 708.13 m，悬重为944.76 kN，扭矩为13 kN·m,钻井液密度为2.17 g/cm3，粘度为68 s，转盘转速为79.91 r/min，其他参数无变化。异常情况分析：(1)井深3 708.13 m岩屑总返出率下降明显，且立柱返出率下降至74.18%；(2)井段3 689～3 708 m为增斜段，井深3 689 m，井斜58.38°，为易产生岩屑床井斜区间；(3)机械钻速增大，由7 m/h增至15 m/h(图5、图6)。

综上所述，立柱岩屑返出率有所降低，机械钻速增大，

图5 岩屑返出率平衡关系曲线图

图6 立柱岩屑返出率柱状图

井斜区间在58.38°易形成岩屑床，同时旋转导向设备外径较大，与裸眼之间环空较小，如遇沉砂极易产生卡钻事故。

建议采取如下措施：增加钻井液循环时间，使井底岩屑及时返出；控制机械钻速；及时进行扫塞作业。现场钻井工程师采纳建议后，及时通知钻台进行扫塞作业，使得返出率逐渐稳定在110%～115%，并要求后续钻进中注意控制机械钻速，增加立柱循环时间，便于岩屑和掉块的返出，以此达到井底清洁、安全高效钻进的状态。

3 结束语

井眼清洁监测系统(BCM)能够及时发现井眼清洁不良和井壁坍塌问题，可提供精确的实时井眼清洁信息，为钻井提供有效数据，能及时帮助并降低水平井等作业风险和减少非生产时间。此类设备在国外钻井市场已经广泛应用，对于实时安全钻井，提高钻井效率，节省钻井成本等具有较高的推广价值。建议国内加强对井眼清洁监测系统软硬件升级研究，实现大数据分析，更加接近智能化预警，以便提供高精度、高匹配、更优质的市场技术服务。