0 引 言

在钻井施工特别是大斜度井、水平井钻井施工作业过程中,井眼的清洁情况是影响钻井施工安全和钻井时效的重要因素。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,严重制约了钻井施工作业的安全和时效^[1,2,3,4]。对井眼清洁程度进行有效的监测,是清除滞留岩屑、防止产生岩屑床的必要条件。目前钻井施工大多采用环空当量密度(ECD)间接评价井眼清洁状态^[5,6,7],技术难度大,对现场作业人员要求较高,不利于现场的推广应用。为此,科研工作者提出了岩屑流量测量井眼清洁状态的方法,通过对比实际返出岩屑量和理论计算岩屑量评价井眼清洁程度。研制无线岩屑流量测量装置对优化钻井、提高钻井效率具有重要意义。

1 行业现状

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,斯伦贝谢公司开展的CLEAR业务(Hole cleaning and wellbore risk reduction service)所使用的岩屑流量测量设备(图1)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,预测可能发生的井壁坍塌等井眼失稳事故风险,还能预测由于井眼净化不良可能引起的其他事故风险,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。此外,Gerhard Thonhauser等人也进行过岩屑流量监测产品的研究和试验^[8]。目前国内尚无类似成熟产品的应用资料。

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图1   斯伦贝谢公司CLEAR岩屑流量测量装置

   

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,为了将无线传感器技术应用于岩屑流量测量装置的设计研发中,开发研制了无线岩屑流量测量装置工程样机,并进行了现场适应性试验。结果表明,该样机能够很好地监测岩屑返出量,同时降低了系统的复杂性和现场的安装难度。

2 设计思路和测量原理

无线岩屑流量测量装置安装于振动筛出砂口下方,通过接砂盘接收落下的岩屑。接砂盘下方安装有4个称重传感器,实时测量岩屑质量。当接砂盘内的岩屑达到预定量,或者经过预定的测量周期后,翻转接砂盘将岩屑倒出,然后将接砂盘复位。测量装置将采集的数据以无线方式实时发送至监测软件,监测软件通过计算单位时间内岩屑增量获得单个振动筛的岩屑流量。一般钻井现场使用两到三个振动筛,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:

f_i= ΔMiΔt

f_real= ∑i=1nf_i

式中:f_i为第i个测量单元测量的岩屑流量,kg/min;ΔM_i为单位时间内测量的岩屑增量,kg;Δt为测量时间间隔,min;f_real为实际测量的总岩屑流量,kg/min。

除了测量实际岩屑流量,还需计算理论岩屑流量。理论上岩屑流量是机械钻速、井眼横截面积以及岩石密度三者的乘积,即:

f_theo=ρvS=ρvπd²/4

式中:f_theo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为钻头直径,m。

实际测得的岩屑流量还会受到众多钻井工程因素的影响,如吸附在岩屑上的钻井液、细小岩屑透过振动筛网进入泥浆罐未到达测量系统等。因此,正常返砂情况下,实测的岩屑流量应为理论岩屑流量乘以一个修正系数,即:

f_real=af_theo

上式中a为与钻井条件相关的修正系数。在岩屑上返正常且钻井条件不变的情况下,该系数应是稳定的,通过该系数的异常变化可判断返砂是否正常,进而判断井眼清洁情况。

3 系统组成

无线岩屑流量测量装置由测量单元、无线通信单元、监测软件组成(图2)。测量单元位于钻井液出口区的振动筛下方,主要功能是采集岩屑质量数据。无线通信单元包括测量单元上的无线模块和连接在采集计算机上的主节点,实现测量单元与岩屑流量监测软件之间的数据通信以及控制指令下发。监测软件对采集的数据进行处理,同时也可通过数据插件获取综合录井仪的相关数据进行综合分析。监测软件和主节点可设置于录井仪器房内。

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图2   无线岩屑流量测量装置框图

   

3.1 测量单元

测量单元主要由接倒砂装置、称重传感器、采集控制电路和供电电源组成。

3.1.1 接倒砂装置

接砂部分由接砂盘和导流槽组成,通过导流槽将振动筛返出的岩屑导流到接砂盘内进行称重(图3a)。

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图3   接倒砂装置示意图

   

倒砂部分采用曲柄连杆机构,由气缸驱动(图3b),接砂测量状态下,砂盘在水平位置,气缸活塞杆处于自由状态,对接砂盘施加恒定的作用力,不影响岩屑称重。倒砂时,气缸收缩,活塞杆拉动接砂盘旋转倒砂。翻转轴位于砂盘重心线附近,负载力矩较小,0.4 MPa的动力气即可驱动。翻转到位时挡块与立柱产生碰撞,起到震落岩屑的作用。完成倒砂后,气缸的活塞杆推出,将接砂盘推到接砂状态。

驱动接砂盘倒砂和复位所用压缩空气量很小,气源可由小型空压机提供,也可由综合录井仪的空压机提供,测量单元内部装有空气净化和干燥装置。

测量单元内部还安装有感应接砂盘位置的传感器,用于监测接砂盘的位置。

3.1.2 称重传感器

称重传感器安装在接倒砂装置的下方,岩屑质量由4支低功耗电桥式拉压力传感器测量。该传感器精度高、抗偏载侧向能力强、线性好(图4),采用电压驱动方式,输出的差压信号由仪表放大器放大后经过A/D转换由单片机采集。

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图4   称重传感器标定曲线

   

3.1.3 采集控制电路

采集控制电路开发基于MSP 430超低功耗单片机,实现数据采集和系统控制功能(图5)。其采集的数据包括称重传感器、电池电量、动力气压力、接砂盘位置感应传感器。数据通过串口方式发送至无线通信模块。

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图5   采集控制电路功能模块

   

接砂盘倒砂和复位控制由单片机控制低功耗电磁阀驱动气缸完成。

单片机程序可随时接收监测软件下发的控制信号,灵活设置倒砂时间间隔。非循环状态下,可通过监测软件远程关闭传感器及信号调理电路的供电,降低系统功耗,延长电池的作业时间。

3.1.4 电源

测量单元的耗电单元包括传感器、采集控制电路和无线通信模块。系统功耗较低,采用锂电池供电方式,电池输出电压3.5~4.2 V。电池与所有电路安装于防爆接线盒内。所有电路均采用低功耗元件和设计,倒砂采用气动方式不消耗电量,测量单元连续作业时间不低于1个月。

采用无线通信和电池供电,大幅降低了测量单元的质量、体积,简化了系统的外部连接,测量单元仅需外接一根动力气管线,便于现场安装和运输。

3.2 无线通信模块

测量单元与监测软件之间采用无线通信方式。测量单元的无线模块通过串口方式获取单片机的采集数据,然后通过无线方式把数据发送至主节点。主节点再通过USB接口把数据发送到采集计算机上的监测软件,监测软件以相同的方式将控制信号发送至测量单元。同一个无线主节点可对应多个测量单元^[9]。数据采集和控制信号全部无线化传输,无需任何线缆连接,能够简化现场布线,提高安装效率,可以更好地适应目前快节奏的钻井施工作业。无线传输距离达500 m(无遮挡),可有效覆盖整个井场。

3.3 监测软件

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、无线通信设置等。

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。

4 现场试验

无线岩屑流量测量装置在濮阳县某井进行了现场试验,试验目的是验证该装置的现场适应性。

试验中测试了一台无线岩屑流量测量装置(图6),现场使用两台振动筛,在其中一台下安装了该装置,在不影响钻井施工作业的情况下,两人即可快速完成安装工作。通过试验,充分验证了技术方案的可行性,实时采集的数据曲线能够直观地反映返屑量(图7),可以满足岩屑流量在线监测和钻后分析。试验中也发现了一些环境适应性问题,如减震措施不足等,并作出相应的改进。

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图6   无线岩屑流量监测装置

   

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图7   无线岩屑流量测量装置现场试验曲线

   

5 应用前景

岩屑流量测量能够实时测量返砂效率,监测返屑异常、掉块,预防卡钻、井壁坍塌事故,提高钻井施工安全性;能够帮助钻井工程师选择优化钻井参数,减少循环和起下钻时间,从而提高钻进时效,降低钻井成本。

面对大位移井钻井技术的不断发展,岩屑流量测量研究具有切实的应用价值,鉴于目前仅完成了无线岩屑流量测量装置工程样机制作及初步试验,后

续还有很大的研究拓展空间,如融合岩屑流量监测数据和综合录井仪数据、研究解释评价算法、提高预警的准确性等。笔者希望能与行业专家多沟通交流,多听取各方意见,进一步完善样机的性能,力争早日实现产品量产,以便更好地为油气勘探开发服务。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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