巖屑流量測量裝置發展現狀及前景展望

任忠宏 劉曉晨 萬 康 周見果 楊 麗 張明和 袁津華 寧文斌 李 晨

(①中國石油渤海鉆探第一錄井公司；②中國石油渤海鉆探職工教育培訓中心；③中國石油渤海鉆探泥漿技術服務分公司；④中國石油大港油田公司第五采油廠)

0 引 言

石油鉆井施工作業過程中，及時清除井眼巖屑對于預防鉆頭泥包及卡鉆等井下復雜情況十分重要。進行大位移井、大斜度井、水平井或叢式井等更復雜的施工作業時，如果井眼不清潔，則可能導致地層傷害、漏失以及非生產時間的產生，致作業風險和作業成本增加，同時井眼穩定性也會變差，進而需要起鉆并進行井眼清潔。在大斜度井段和水平井段中,巖屑的沉降是沿重力方向,而環空流速沿重力方向的分量很小甚至趨零,使鉆井液攜帶巖屑能力相應降低,導致巖屑易在下井壁沉積形成巖屑床,嚴重制約鉆井施工作業的安全和時效。在海上深水作業時，通過提高井眼清潔率和井底循環頻率來減少非生產時間，從而提高鉆井效率，是縮短鉆井時間的一種可靠手段[1-3]。通過對巖屑流量數據的監測，可幫助鉆井技術人員優化鉆井施工作業流程，提高鉆井施工效率，降低鉆井施工作業的風險和成本，同時可以間接判斷井眼的規則程度等。

1 巖屑流量測量裝置的作用

巖屑流量測量裝置作為一種為石油施工作業過程提供技術支持的設備，只有面向油氣勘探開發鉆井施工作業現場，才有立足之本。因此，在研發巖屑流量監測裝置之前，必須了解當前鉆井施工作業過程中的需求，以滿足這些需求為研發目標。從目前情況來看，測量裝置在鉆井施工作業現場主要有4方面作用。

1.1 井眼清潔程度識別

通過巖屑返出情況進行井眼清潔程度的識別是該項技術的關鍵。目前大多數油田的勘探開發進入中后期，復雜地層、復雜區塊、復雜井部署增多、大位移井、水平井、鉆井提速等諸多因素都增加了井眼清潔程度的識別難度，主要表現在：設計目的層埋藏深，增加了準確識別的難度；井的位移大，托壓嚴重，造成巖屑成型性差，從而造成返出巖屑數據失真；水平井鉆井工藝不完善，以及為追求鉆井提速，巖屑破碎嚴重，導致返出巖屑難以反映地層真實的巖屑情況。

1.2 井眼規則情況初步判斷

井眼的規則程度是影響固井質量的一個重要指標，通常情況下，需要鉆完井后進行測井作業測量井眼的情況，從而了解井徑的實際情況。這種方式時效性比較滯后，實時性較差。通過測量不同地層巖屑返出量的情況，間接判斷井眼的規則程度，可以達到快速高效識別井眼規則程度的目的。

1.3 復雜條件下地層的初步識別

一直以來，各個油田的勘探開發過程中，對地層認識不清的情況很多，尤其是老區深層，新區探井等，存在難以準確判斷地層的情況。結合其他參數，采用巖屑流量測量裝置在復雜條件下可間接初步判斷地層，為地層的準確識別提供幫助。例如，在施工作業過程中，通過巖屑流量測量裝置識別到某層段巖屑流量大于正常值，可以間接說明該層段巖屑膠結較為疏松，巖屑成形性較差，易破碎等。通過這些特性，結合其他參數，可準確識別地層巖性。

1.4 鉆井施工作業風險評估和預報

目前鉆井過程中，復雜工程事故已經成為影響鉆井提速增效的主要原因。在施工作業過程中，很多工程技術服務企業仍然沿用固有參數，同時結合人工干預的工程預警方式，風險評估及預報方式上沒有本質的變化。在勘探開發難度大、超深井、鉆速快、井下工況復雜的情況下，工程風險評估和預報及時率較差、準確率較低。盡管國內主流的綜合錄井儀在鉆井工程、氣體、鉆井液監測這3大類地面參數采集方面應用較好，但缺少更為智能的采集手段、采集設備及微機數據處理技術。將人工判斷鉆井工程異常轉為計算機軟件系統自動判斷，消除人為的不確定因素，巖屑流量測量裝置判斷方式不失為一種好的選擇，該裝置有助于降低鉆井工程事故，有利于提速增效[4]。

2 巖屑流量測量裝置發展現狀

2.1 國內發展現狀

近年來，隨著石油勘探開發進程的不斷深入，工程技術服務企業對井下安全越來越重視，對確保井下安全的設備需求越來越強烈。針對巖屑流量測量裝置，國內多個企業及科研院所從不同層面開展了巖屑流量測量裝置的研究，并申請相關專利，在產品研發方面獲得了可喜的成果。如中國電子科技集團公司第二十二研究所研發的無線巖屑流量測量裝置，經過數年的研究、測試及現場應用不斷完善，已具備工業應用水平；國內某科技公司對該類型產品進行研發，已經生產出工程樣機并在現場多口井進行了試驗，應用效果良好。其技術參數對比如表1所示。

從兩個產品的技術特點不難看出，二十二所的巖屑流量測量裝置各個方面的性能更加成熟，適用范圍更廣，測量符合率更高，尤其是采用的無線傳輸方式，降低了作業人員的勞動強度，無需增加作業人員即可完成該裝置的現場安裝、調試，既為錄井企業開辟了一條增收的途徑，又為地質工程一體化服務和鉆井施工作業提速增效提供了有力的技術支撐，得到了工程技術服務企業和油氣開發企業的認可。

表1 巖屑流量測量裝置技術參數對比

2.2 國外典型產品功能

國際上該技術比較成熟的公司有Geolog公司、Schlumberger公司，這兩家公司都開發了相應的巖屑流量測量裝置，并作為一項單獨的業務為顧客提供技術服務(單獨收費)，也可以與現場錄井技術服務相結合。該項技術服務應用效果顯著，得到了客戶的認可，成為高風險鉆井施工作業必選項之一。

2.2.1 Geolog公司Drill clean裝置

Geolog公司的巖屑流量測量裝置Drill clean為井筒清潔程度提供了一種有效的、低成本的解決方案，以監測井筒的穩定性和鉆井時巖屑清潔的有效性，特別是在大角度、水平和大位移延伸的井中，通過一種復雜的專有軟件測量巖屑流量來實現，與Geolog專家一起監控和溝通，實時反饋井眼清潔程度，預防工程事故的發生，從而減少了昂貴的鉆井非生產時間(NPT)。其技術特點包括：

(1)裝置包含稱重傳感器部件，安裝在鉆井施工作業各個振動篩的尾部。當巖屑落在測量裝置上，稱重傳感器可以獲得相應的數據。采集端獲得信號，通過一系列的計算做出判斷。

(2)提前識別井眼垮塌問題，也就是提前掌握井徑變化情況。

(3)通過泵入高密度鉆井液、倒劃眼、短起下等措施提高監測效率。

(4)進行地層異?？紫秹毫ΡO測。

(5)預防井下巖屑過多造成的鍵槽卡鉆。

(6)為鉆井施工作業提供優化方案。

Geolog公司的巖屑流量監測裝置在陸地、近海平臺作業已成功用于2000多口井，并且被許多操作者認為在水平和延伸的井段施工中是必不可少的設備，可以多個振動篩同時監測。目前巖屑流量監測技術服務可以監測大多數振動篩，無需對鉆井施工作業現場的振動篩進行改造，數據可以通過指定接口進行實時監測瀏覽。

2.2.2 Schlumberger公司Clear裝置

該公司研發的Clear裝置能夠監測井眼清潔率和井壁穩定性，提供實時數據，幫助井隊不斷提高鉆井效率，減少非生產時間的產生。通過實際和理論進行對比，該服務能夠盡早地檢測到由于井眼不清潔而造成的井壁失穩和返出過量等問題。其技術特點包括：

(1)有多個傳感器和數字信號：Clear裝置包含巖屑流量計(CFM)和稱重托盤，位于振動篩的尾部。當巖屑落在篩布上時，流量計能夠監測這一情況，巖屑堆積在托盤上，通過應變儀進行稱重，數字信號被傳送到采集系統，并完成相應的計算功能。在可調整預設周期的最后階段，稱重托盤向下傾斜，將巖屑清除后恢復水平位置，以便對后續巖屑繼續稱重。鉆機用壓縮空氣為啟動控制裝置提供動力，且該設備不會堵塞振動篩通道。

(2)Clear裝置符合歐盟的ATEX指令標準，并通過了CE和國際電工委員會(IECEx)認證。

(3)Clear裝置能夠測量的數據包括：振動篩處濕巖屑的總重、干巖屑總重、巖屑體積、干巖屑的理論體積、巖屑流速、基于一定鉆速時的巖屑理論流速。

(4)實時數據儀表盤：由Clear裝置提供的綜合、實時鉆井液信息包含了鉆井參數、巖屑地質情況、鉆井液性能以及隨鉆測井和測斜數據。這些數據可以通過儀表盤清晰地呈現出來，無論是在井場或是在遠程辦公室，工程師均可通過該儀表盤獲取所需信息，使作業人員對井眼清潔狀況進行有效判斷，從而減小井壁失穩的風險。

(5)智能化分析服務：Clear服務技術除了能夠提供簡潔清晰的儀表盤及CFM設備之外，還能提供先進的智能分析服務，即通過對井眼清潔進行專家級的評估解釋，進行層次分析，總結經驗教訓，并為后續工作的最優方案設計提供有效的經驗依據。自動化的解決方案在提高數據質量的同時，還能夠減少作業人員勞動強度。

(6)高效的鉆井液校正：由于巖屑泥包率易發生改變，選取當量干巖屑校正系數應用于這一易變的指標。濕巖屑的重量轉換為當量干巖屑，可以與已鉆地層的理論體積進行比較。

從Geolog和Schlumberger巖屑流量測量裝置的技術特點對比(表2)可以看出，兩個國外產品的技術各有特色，功能強大，技術含量高。

表2 Geolog和Schlumberger巖屑流量測量裝置技術特點對比

Geolog巖屑流量測量裝置針對施工作業現場的工程預警更突出，為施工作業提供了有力的技術支撐，實用性強；Schlumberger巖屑流量測量裝置對巖屑流量的評估更準確，測量符合率更高，各功能更簡潔，傳輸方式直觀可視，同時對裝置自身可自動產生故障報警信號，為操作人員提供裝置故障的預警信息，為裝置問題的及時解決提供了有力的保證。

3 巖屑流量測量裝置發展前景

巖屑流量測量裝置能夠實時測量巖屑返出效率，從而了解井眼的清潔情況；監測返出巖屑的異常、掉塊，預防卡鉆、井壁坍塌事故的發生；初步判斷井眼的規則程度；輔助判斷地層；幫助鉆井技術人員優選鉆井施工作業參數，減少循環和起下鉆的時間，提高鉆井施工作業的時效，降低鉆井施工作業成本，提高鉆井施工作業安全性，從而達到提速增效的目的。

隨著國內油氣田勘探開發進入中后期，大位移井、水平井作業不斷實施，巖屑流量測量裝置的應用價值突顯。鑒于目前國內外對該課題的研究及應用情況，后續研究還有很大的提升空間。例如，將巖屑流量測量裝置和綜合錄井儀技術、解釋評價技術等相結合，形成一種獨特的工程技術，服務于鉆井施工作業，更好地為油氣勘探開發服務。

3.1 向智能化方向發展

巖屑流量測量裝置和作業現場錄井技術相結合，將大量人工完成的錄井工作轉化為儀器自動完成，比如錄井技術中的巖屑撈取，自錄井技術發展以來，人工撈取巖屑仍然是主流，采集工的存在不但增加了錄井作業人工成本，還浪費了人力資源。我們可以借助巖屑流量測量裝置的發展，在現有巖屑流量測量裝置的基礎上，研發一種巖屑流量自動測量及巖屑自動撈取的一體機，使巖屑流量測量、巖屑撈取由人工向智能化發展，不僅可減輕作業人員勞動強度，還可以降低人工成本[6]?？陀^上講，當前巖屑流量測量裝置已經不適應錄井技術的智能化、自動化發展程度，需要加大投入進行研發，獲得技術突破。

3.2 向無線技術、網絡技術轉變

應用無線測量技術，如采用局域網絡完成傳感器、控制器等數據的采集和傳輸，這樣相鄰的幾個井場或一個大的叢式井平臺可以共用一個巖屑流量測量儀器房，或者與在用錄井儀器房共用一個空間，可減少施工作業所需空間，節約成本，實現信息化、智能化和遠程管理、遠程控制的網絡[7-8]。依靠無線傳輸方式，加快無線遠程巖屑流量測量裝置的發展，形成錄井公司基地和錄井作業現場的雙向無障礙溝通渠道，創建一種嶄新的工作模式；同時解決無線傳輸過程中信號干擾、屏蔽等問題，使無線傳輸的質量更有保障。

3.3 向標準化、模塊化發展

模塊及模塊化是標準化的一種新形式，是對傳統標準化理論的發展。模塊化生產是在多品種，少批量工業中組織高效設計、生產的一種現代化標準方法，是縮短產品設計與建造周期，提高經濟效益的好途徑。通過巖屑流量測量裝置前端數據采集模塊化處理，按照不同的功能模塊，統一標準化數據輸出，實現分段、標準間距、全井的清潔程度分析判斷，以及井眼情況、地層情況、特殊情況下的工程預警，實現巖屑流量測量裝置在鉆井作業現場的經濟效益最大化。

4 結束語

巖屑流量測量裝置是面向石油勘探開發過程為鉆井施工作業提供服務的一種設備。將巖屑流量測量裝置引入石油勘探開發領域，有利于提高鉆井施工作業現場工作效率，降低鉆井施工作業過程中的風險，彌補當前錄井技術面對的難題。目前國內巖屑流量測量裝置的應用還未受到施工方的重視，而且施工作業現場的條件也有限，應用困難重重[9]。但該裝置對施工作業安全和提速效果顯著，隨著國內外該項裝置技術的不斷完善，成功應用案例不斷增加，該裝置技術的優勢會不斷突顯，其推廣應用空間巨大，同時隨著國內外企業對巖屑流量測量裝置的研究不斷深入，諸如沖擊力傳感器稱重或PSD巖屑測量的應用，將可為錄井行業淘到另一桶金，促進錄井行業的健康發展。