页岩油气水平井岩屑流监测技术与应用

雷银，陈轶林，张吉，卢杭，郑科，胡绍敏，罗艺

1.中国石油西南油气田分公司 工程技术研究院(四川 成都610017）2.中国石油西南油气田分公司 物资分公司（四川 成都610017）

页岩油气开发钻井普遍采用水平井技术，由于页岩地层易破碎和岩屑运移失常，容易导致井筒安全问题，影响施工进度，增加钻井成本。特别是在水平段钻进过程中，一方面，在页岩地层中由于钻具振动、钻具偏心、钻具旋转，加剧了钻具对井壁碰撞程度，导致掉块剥落和井壁失稳问题；另一方面，随着机械钻速加快，钻井液携岩效率减小，钻井排量受限，导致钻井岩屑返出量不足，岩屑逐渐在井眼底边处堆积量增加，导致钻柱扭矩摩阻大，托压严重，造成水平段内钻进速度慢、周期长、成本高，严重时可造成卡钻、钻具断落等井下安全事故[1-2]。虽然国内外已经开展了井眼清洁工具和钻屑在钻井液中的下沉速度与环空返速关系清洁井眼[3]的研究工作，在井眼清洁方面有了较大改善，但还没有从根本上解决井眼清洁问题。因此录井随钻监测井眼岩屑流变化情况的创新研究与应用就显得尤为重要。该项技术配合井眼清洁工具的使用，可以有效地避免卡钻事故的发生，对保障井筒安全、提高钻井效率和勘探开发效益具有积极的作用，通过2口井的现场试验，取得了良好效果。

1 监测原理

通过采用专用的测量装置及配套的采集处理软件，在一定的时间内收集、测量湿岩屑的返出质量，经过求取泥浆吸附系数（也称岩屑干湿校正系数）进行干湿校正后，得到对应时间段内相应井段的干燥岩屑返出质量，通过该质量与其密度（可以通过岩心实物或电测资料获取）的比值得到该时间段内岩屑返出的体积，该体积与所用时间的比值得到单位时间实际返出的岩屑流量，该流量与理论岩屑流量比值为岩屑返出率。根据返出率可以计算井筒内滞留的岩屑量，随钻定量评价井眼清洁程度和井壁稳定状况。

2 岩屑流监测设备与主要参数

岩屑流监测设备主要由岩屑称重仪、控制器和上位机构成。

2.1 岩屑称重仪

岩屑称重仪安装在振动筛出料口处，如图1所示。使用时除了受到振动筛高频振动的影响外，也容易受到泥浆、岩屑、振动筛筛网清洗水等各种污染物的污染。为了保证岩屑称重仪长期稳定运行，必须选择耐腐蚀、易加工、具备一定重量的材质。

图1 岩屑称重仪现场安装

在大量现场试验验证的基础上[4]，研制了专用的岩屑称重仪，岩屑称重仪由4个悬臂梁式压力传感器组成，配合4路成熟的信号放大器及称重信号转换系统，实现岩屑质量的测量，每个测量臂的精度为±50 g,整台称重仪的精度为100 g，称重仪最大量程为400 kg，误差为±0.1%FS（满量程），测量时间间隔可根据现场情况3～5 s可选。

2.2 泥浆吸附系数

进行实际返出岩屑流量计算前，先求得泥浆吸附系数（μ）进行干湿岩屑的质量误差校正，其方法是在振动筛出口处用托盘接适量湿岩屑称重，假设为a，再将岩屑清洗至表面无污物，烘干后称重为b，则泥浆吸附系数μ=b/a。由于钻井液性能不同、固液吸附能力不同，因此泥浆吸附系数也不同，所以当钻井液性能发生变化时，应重新求取泥浆吸附系数（岩屑干湿校正系数）[5]。

2.3 实际累计返出岩屑体积

岩屑流监测利用岩屑称重仪从起始井深进行测量返出岩屑质量累加到结束井深，得到某一井段实际累计返出的岩屑质量。根据岩屑体积密度、泥浆吸附系数将实际累计返出的岩屑质量转换成实际累计返出的岩屑体积，即

式中：Va表示实际累计返出岩屑体积，m3；h0表示初始井深，m；h表示结束井深,m；mi表示测量的累计岩屑质量，g；μi表示对应井段的泥浆吸附系数；ρci表示对应井段岩屑体积密度,g/m3。

2.4 理论累计返出岩屑体积

井眼在理想状态下是规则的圆柱体，根据圆柱体的体积计算公式，利用钻头直径、岩石体积密度、井眼扩大率（通过邻井测井资料获取）、开始监测时井深、结束监测时的井深等相关参数，可以得到理论累计应返出岩屑的体积[6]，即

式中：Vt表示理论累计返出岩屑体积,m3；d表示钻头直径,m；θ表示井眼扩大率；h0表示初始测量井深,m；h表示结束测量井深,m。

2.5 岩屑流参数校正和计算图版的建立

测量前利用测量的起始井深、结果井深、钻头尺寸、井眼扩大率、泥浆吸附系数、岩屑体积密度等参数，建立岩屑体积流量参数校正和计算图版[7-11]，如图2所示。根据建立的图版、测量相应井段实际累计返出岩屑体积与理论累计返出岩屑体积的比，可以得到井眼岩屑返出率和井眼体积平衡关系。

图2 岩屑体积流量参数校正和计算图版

3 现场应用试验

3.1 井眼清洁监测

长宁26H井是川渝地区的一口大偏移距水平页岩气井，设计井深4 325 m，完钻井深4 450 m，水平段长1 700 m，最大井斜91.37°。随钻岩屑返出流量监测从三开2 222 m开始至4 450 m结束，当钻进至2 929 m时，随钻监测实际返出岩屑体积量持续减少，如图3红色标注“1”及表1所示。此时钻时较快，岩屑返出率持续降低，环空岩屑滞留量超过14%。当钻进至3 009 m时，返出率减少至85.136 8%，具有较高的卡钻风险。建议停钻，增加划眼、循环时间以提升井眼净化。实施后岩屑返出率逐步恢复至正常范围（图3红色标注“2”），有效避免了潜在的卡钻风险，保障了井筒安全。

图3 2 800～3 200 m井段岩屑返出体积平衡曲线

表1 2 982～3 013 m岩屑返出率数据

3.2 井壁失稳监测

随钻监测至井段3 229～3 450 m时，岩屑返出率由100%最高增加至200%。随着水平段的延伸以及少量新生掉块的持续产生，低密度的钻井液难以将掉块从井底环空彻底返出。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。当钻井液密度增加时，实际岩屑返出体积逐渐增加。岩屑返出率基本稳定在115%～120%，此时,转盘40 r/min,排量34.5 L/s,工程参数基本稳定。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，建议实施后岩屑和掉块及时返出，如

图4 3 298 m井壁剥落掉块图

全井累计提供井眼异常预报3次，其中井眼清洁异常预报2次、掉块异常预报1次，避免了3次潜在卡钻风险，未发生卡钻等复杂事故，保障了井筒安全，钻井施工得以顺利完成。

4 结论

利用专用的岩屑流量测量设备、配套的采集处理技术，在建立岩屑体积测量参数校正和计算图版的基础上，实现了随钻监测井筒内岩屑实时返出状况，及时为钻井工程提供准确的岩屑流量服务，对避免因井眼不清洁和井壁不稳定造成的工程事故，具有积极的预防作用，弥补了井筒岩屑流监测技术空白。

1）通过现场试验，验证了该测量系统的软硬件能够满足随钻监测井筒岩屑流返出状况，为钻井工程提供及时、准确的井眼清洁和井壁稳定情况服务。

2）进一步完善了单立柱岩屑流评价方法，为下一立柱安全钻进的可行性提供技术支持。单立柱返出率即每钻进一个立柱，立即对该立柱井段进行一次岩屑返出率统计分析。在水平段，当钻时小、钻速相对较快、钻井液携岩效率不变时，岩屑和掉块难以及时返出，单立柱岩屑返出率存在不足的情况。结合2口井现场试验情况，综合衡量钻井时效与井眼清洁情况，得出当单立柱岩屑返出率低于80%时，井眼清洁不良；高于115%时，井眼存在井壁失稳，介于二者之间时，为安全钻进状态。

3）水平井钻井施工过程中，随着井斜不断增加进入水平段后，当钻井液携岩能力不足时，岩屑可能在井底堆积形成岩屑床，对钻井施工造成卡钻风险，所以及时清除环空岩屑对于安全、高效钻井十分重要。

4）通过现场试验可以看出，当钻时小、钻速较快时，在钻井液携岩效率一定的情况下，单位时间内返出的岩屑相对减少，造成井底产生的岩屑不能及时返出；当岩屑滞留量逐渐增加时，井眼清洁变差，卡钻风险等级升高。钻井过程中应该平衡钻时与井眼清洁之间的关系，适当控制钻时，增加接立柱时循环、划眼时间，进而提升井眼净化能力，在井眼清洁程度良好的情况下高效钻进。