水平井岩屑体积平衡计算方法研究与应用

0 引 言

井眼清洁是水平井钻井面临的主要问题之一。岩屑体积平衡是指钻井过程中地面返出和井下产生的岩屑(或掉块)体积大小关系。钻进过程中需要确定合理的钻井参数和操作流程确保岩屑(包括井壁掉块)及时返出环空,使实际返出和理论产生的岩屑实现体积平衡,提高井眼清洁效率,降低由于岩屑床和掉块导致的井下风险^[1]。目前钻井现场常用掉块尺寸、形状和含量以及钻柱提放过程中井眼畅通性等信息评价岩屑体积平衡情况,确定与井眼清洁有关的最佳钻井参数和钻井操作时机,由于基本依赖专家经验,主观性大,不能提供客观的实时信息。

现有技术能够实时测量岩屑返出实时信息的手段主要有随钻环空压力测量短节和科里奥利流量计^[2],前者是利用实时井底压力数据分析返出岩屑数量,因成本高而未大范围应用;后者是利用科里奥利流量计测量的井口返出的钻井液和岩屑混合物的质量分析返出岩屑数量,但是返出岩屑质量相对于钻井液质量较小,导致岩屑流量精度不足。本文研究基于岩屑流量的岩屑体积平衡计算方法,建立了水平井岩屑体积平衡分析方法,实现水平井井眼清洁现场施工参数和措施优化,帮助现场钻井工程师识别井下风险,减少非生产时间发生。

1 岩屑流量测量方法

钻井过程中由于岩屑流量相对于钻井液流量较小,在钻井液中测量岩屑流量存在精度不足问题。因此,岩屑流量测量系统必须在振动筛出口位置,但是振动筛环境污浊、高频振动以及有限的空间限制了机械装置安装。同时,所有机械设备必须符合高等级的防爆要求。机械装置必须与振动筛留有余地,以便钻井液工程师清洁、维护和更换振动筛。根据上述情况本文设计了一种岩屑流量计可以实时测量井筒返出岩屑流量。

如图1所示,在振动筛岩屑出口下方安装岩屑流量计,岩屑流量计的岩屑盘收集返出的岩屑,岩屑流量计安装在高度和前后位置可调的底座之上,以适应不同钻机类型和振动筛维护。电子部件和传感器集成安装到保护罩内,以便满足现场防爆要求。

当岩屑盘收集岩屑的时候,锁紧机械构件防止岩屑盘旋转,此时安装在岩屑盘下面的重力计连续测量岩屑盘上面岩屑重量增加值。在达到设定的重量阈值时(与重力计最大量程有关,本装置设置阈值为40 kg),岩屑盘快速向下翻转倾倒岩屑,然后向上翻转回到原始位置,继续采集新的岩屑。

岩屑流量计控制系统采用气压驱动,气源由钻机系统提供。在岩屑盘向下翻转直至恢复原位期间,岩屑不能落入岩屑盘,将导致不能采集岩屑。此时,需要根据机械钻速理论计算未采集岩屑数量,用以解决装置倾倒岩屑造成岩屑测量间断问题,保证岩屑流量测量连续性。对于不能倾倒充分的岩屑,可以通过岩屑盘翻转回原始位置后自动“清零”的方式去除残留岩屑对测量结果的影响。

2 岩屑体积平衡计算

2.1 理论岩屑体积计算

一般来说,除裂缝、溶洞性地层外,钻进单位进尺产生的岩屑体积是一定的。根据参考文献给出的岩屑体积计算方法^[3],钻进过程产生的岩屑体积与井深、井眼直径、地层孔隙度、机械钻速有关,计算出的体积是岩石骨架体积,由于井场测量(测井或录井手段)的岩屑密度为体积密度,实际计算的岩屑体积是岩屑的总体体积。为了能将任意深度的理论体积和实际体积对比,同时考虑井眼扩大的影响,建立了任意井段产生的岩屑体积计算方法,公式如下:

V_理论= πd2(1+θ)4×(h-h₀)

式中:V_理论为产生的理论岩屑体积,m³;d为井眼直径,m;θ为井眼扩大率,%;h₀为起始井深,m;h为钻达井深,m。

2.2 实际岩屑体积计算

由于振动筛对于细碎岩屑不能完全清除和岩屑表面吸附钻井液的影响,需要对测量的岩屑重量进行钻井液吸附影响和细碎岩屑校验,然后利用岩屑密度将岩屑重量转换为岩屑体积。

钻井液吸附影响校验:当钻井液性能、地层发生变化时,捞取岩屑湿样样品进行室内称重W₁(g),岩屑清洗干净烘干后称重W₂(g),定义单位岩屑重量校正系数(无量纲)为μ= W2W1。

细碎岩屑校验:对于易造浆地层或PDC钻头下细碎岩屑,由于颗粒较小不能被振动筛清除,需要根据钻井液中岩屑的体积百分含量ω(%)^[3]、钻进每米所用时间t(min)、排量Q(m³/min)进行校验,计算未能测出的细碎岩屑重量。

利用邻井测得的相应层位的地层体积密度将测量的每米岩屑重量转换为每米岩屑体积 ημρ(其中η为测量的每米岩屑重量,kg;ρ为平均地层体积密度,kg/m³);每米未被振动筛清除的细碎岩屑体积为ωQt。因此h₀h井段实时测量的岩屑体积V_实际(m³)如下式所示:

V_实际= ∑i=h0h( ηiμiρi+ω_iQ_it_i)

3 水平井岩屑体积平衡分析方法

3.1 水平井岩屑体积平衡影响因素

最佳的岩屑体积平衡关系是地面返出和井下产生岩屑(或掉块)体积相等。目前钻井现场主要从利用排量足够和流变性良好的钻井液携带岩屑、通过高速旋转破坏岩屑床、建立倒划眼起钻和短起下钻制度以及利用高效固相控制设备清除岩屑等方面及时清除环空岩屑,确保最佳的岩屑平衡关系。如图2所示,影响岩屑体积平衡的现场容易控制的因素包括排量、转速(顶驱或转盘转速,简称为转速)、机械钻速、钻井液性能、井斜角、起下钻时机、拉划次数和循环时间;不容易控制的因素包括钻杆偏心、岩屑尺寸和密度。在正常钻进情况下通过对转速、排量、钻井液性能等参数进行优化,可以在不影响生产时效的前提下实现井下岩屑及时返出,但是现场受钻井设备性能指标限制和考虑井下安全,施工参数往往无法达到理想值;在井下异常时通过对起下钻(短程起下钻)时机、拉划次数和循环时间进行调整,利于提高岩屑返出效果,降低由井眼清洁不良导致的井下风险,但要影响生产时效。因此,现场需要根据岩屑流量数据提供岩屑体积平衡实时信息,帮助分析岩屑体积平衡状态,通过优化参数或操作等手段降低井下风险,实现水平井钻井时效最大化。

3.2 水平井岩屑体积平衡分析流程

水平井岩屑体积平衡分析是利用深度与返出岩屑体积关系进行岩屑体积随钻跟踪^[4],通过实际和理论岩屑体积关系判断岩屑床、井壁稳定情况,结合立柱岩屑返出情况对拉划次数、循环时间、起下钻和打稠塞等操作随时进行决策。如图3所示,首先利用工程录井数据获取深度数据,实时计算岩屑体积数据得到整米实际和理论岩屑体积数据^[5]:当实际岩屑体积大于理论岩屑体积时表明当前钻井参数能够破除井筒中原有的岩屑床或井壁存在掉块;当实际岩屑体积小于理论岩屑体积时表明井筒中存在岩屑床,钻井液携岩能力差,新破碎的岩屑不能充分及时返出,原有岩屑床无法破除;仅当实际岩屑体积等于理论岩屑体积时表明井眼清洁良好。

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要求确定井眼清洁技术措施^[6]。

4 应用实例

四川威远区块页岩储集层层理发育、设计水平段长,水平井钻井过程井壁失稳和井眼清洁问题突出。根据现场应用需求,开展威远区块页岩气水平井岩屑体积分析技术现场应用试验。已在现场成功实施5口井,现场卡钻风险预报11次,其中井壁失稳诊断7次,岩屑床诊断4次,通过措施优化避免出现井下复杂2次,施工过程无卡钻事故发生。

威远区块XXX井是页岩气开发水平井,设计井深5 644.66 m,造斜点1 600.00 m,最大井斜角85.81°,水平段长2 105.72 m。邻井水平段施工过程中井壁失稳产生掉块造成井眼清洁不良,起钻过程中导致卡钻,被迫填井侧钻。该井从3 538.00 m进入水平段钻进至4 054.00 m过程中出现井口返出大量掉块,起钻过程异常情况,需要倒划起钻。鉴于邻井和本井异常情况,决定从4 054.00 m开始实施岩屑体积平衡监测,实时分析岩屑(掉块)返出情况,进行钻井施工优化,防止卡钻事故发生。现场利用本文建立的方法计算岩屑体积,其中分析井段基础参数如下:井径0.215 9 m,钻遇龙马溪组地层平均体积密度2 560 kg/m³,孔隙度20%,井眼扩大率10%,岩屑重量校正系数0.68,钻时和排量数据从工程录井参数实时截取,利用上述参数计算出岩屑体积。如图4所示,绿色曲线是理论岩屑体积,蓝色曲线是实测岩屑体积,红色曲线是岩屑体积差,从4 054.004 327.00 m井眼清洁良好,从4 327.00 m开始由于轨迹调整定向施工比例较高,导致实际返出岩屑体积小于理论岩屑体积,存在岩屑床,进行岩屑床风险提示。

如图5所示,红色表示每打完一柱岩屑返出率(每柱实际返出的岩屑与理论产生岩屑体积百分关系),绿色表示每打完一柱的岩屑滞留率(当岩屑返出率小于100%时,岩屑滞留率为100% 与岩屑返出率差值;通过统计立柱岩屑返出率可知,当岩屑返出率大于100%时,岩屑滞留率等于0),在 4 369.004 664.00 m井段岩屑返出率持续较低,返出率小于100%,接单根上提过程摩阻增大,井口返出少量掉块,判断井下岩屑床问题突出,提示现场钻井人员从4 664.00 m打完立柱增加拉划次数和循环时间清洁岩屑。根据实际情况在4 778.00 m实施了一次短起下钻,破除岩屑床,保证了钻进过程摩阻正常。后续施工过程中每打完一柱,持续优化拉划次数和循环时间,必要时制定短起下或起下钻作业,直至5 222.00 m由于地质原因提前完钻。施工期间井下无异常,表明岩屑体积平衡分析有助于水平井安全施工的可行性。

5 结论与认识

本文基于岩屑流量测量数据,研究水平井岩屑体积平衡计算方法,确立水平井岩屑体积平衡分析流程,解决了井眼清洁监测过度依赖专家经验,缺少实时数据支撑问题,实现了水平井钻井随钻岩屑体积跟踪,在研究和应用中取得了如下认识:

(1)设计的岩屑流量测量方法能够实现现场岩屑流量数据实时采集,是现场钻井工程人员分析井下井眼清洁情况的可靠手段。

(2)建立的岩屑体积平衡分析方法可以帮助诊断井下井眼清洁和井壁失稳问题,实现岩屑体积随钻跟踪,通过施工优化,提高井眼清洁程度,降低卡钻风险。

(3)下一步需要将岩屑体积平衡分析由整米数据向时间数据分析升级,并与工程参数结合,形成岩屑体积跟踪曲线,提高岩屑体积平衡监测的直观性。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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