基于井下多點(diǎn)壓力測量和數(shù)據(jù)驅(qū)動的實(shí)時井眼清潔監(jiān)測新方法

張菲菲 李白雪 于 琛 陳 俊 彭 濤 王 茜

1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2.長江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中國石油渤海鉆探工程技術(shù)研究院 4.中國石油渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程公司 5.中國石化江漢油田公司石油工程技術(shù)研究院

0 引言

井眼清潔不充分會導(dǎo)致一系列的鉆井問題，如卡鉆、鉆速降低和當(dāng)量循環(huán)密度增加等。在長水平井和大位移井中與井眼清潔相關(guān)的問題尤其嚴(yán)重。目前國內(nèi)外對井眼清潔的研究重點(diǎn)仍為瞬態(tài)巖屑運(yùn)移實(shí)驗(yàn)研究與模型優(yōu)化[1-6]，主要通過實(shí)驗(yàn)或理論模型分析不同鉆井條件下巖屑床高度（或巖屑濃度），這些研究可分為三類：①基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的巖屑運(yùn)移經(jīng)驗(yàn)公式研究[4,7-8]；②基于守恒定律的力學(xué)模型推導(dǎo)[5]；③基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值分析[9]。但業(yè)界一直缺乏能直接測量井眼環(huán)空內(nèi)巖屑分布的相關(guān)技術(shù)。

雖然井眼內(nèi)的巖屑無法直接測量，但由于巖屑對環(huán)空流動壓力有重要影響，從理論上講可以通過井眼內(nèi)環(huán)空流動壓力的變化來間接地獲得巖屑分布情況（這也是現(xiàn)場通過ECD變化來粗略評價井眼清潔狀況的理論基礎(chǔ)）。因此，如果能研究清楚井眼內(nèi)巖屑對環(huán)空壓力的影響機(jī)理，就可以在鉆井過程中通過實(shí)時測量全井眼壓力分布間接得到井眼內(nèi)真實(shí)的巖屑分布情況[10-11]。

隨著MWD、LWD、SWD、智能鉆桿等隨鉆測量技術(shù)的發(fā)展，井下隨鉆測量參數(shù)越來越多。目前，使用最廣泛、最可靠的全井眼多點(diǎn)測量方式是智能鉆桿（也稱有線鉆桿或有纜鉆桿）。智能鉆桿通過把電纜嵌入鉆桿內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息和電能的傳輸，并在鉆桿上安裝傳感器實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、振動等參數(shù)的測量。該技術(shù)已經(jīng)被BP、Equinor ASA等部分國外石油公司在重點(diǎn)海洋鉆井項(xiàng)目中應(yīng)用[12-16]。在陸地鉆井中還未大規(guī)模使用，尤其在國內(nèi)還沒有成規(guī)模使用。限制智能鉆桿廣泛應(yīng)用的因素主要有兩點(diǎn)：①智能鉆桿的使用及維護(hù)成本過高；②現(xiàn)有對智能鉆桿測量數(shù)據(jù)的分析主要依賴人工，沒有充分挖掘出測量數(shù)據(jù)的價值，使得該技術(shù)在一般鉆井施工中大規(guī)模應(yīng)用的性價比較低。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)井眼清潔分析單純依賴?yán)碚撃Ｐ偷娜毕荩苊夂徒鉀Q大位移井及長水平井的井眼清潔不充分問題，同時提高智能鉆桿測量數(shù)據(jù)的利用價值，推動該類技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的發(fā)展及應(yīng)用，本研究通過與國外成規(guī)模使用智能鉆桿的挪威國家石油公司（Equinor ASA）合作，提出了一種利用井下多點(diǎn)壓力測量數(shù)據(jù)來定量評價井眼清潔狀態(tài)的方法。首先研究鉆井過程中井眼內(nèi)巖屑對環(huán)空壓力的影響機(jī)理，建立了基于井眼壓力的巖屑分布反演理論；然后，將機(jī)器學(xué)習(xí)與鉆井水力學(xué)模型相結(jié)合，得到可以根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動修正的智能鉆井水力學(xué)模型，結(jié)合智能鉆桿的實(shí)時多點(diǎn)測量數(shù)據(jù)來評估巖屑引起的井眼壓力變化；其中，井下實(shí)時多點(diǎn)壓力測量 數(shù)據(jù)是通過沿管柱測量（ASM）獲得，ASM實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是有線鉆桿，通過鉆桿上安裝的傳感器收集沿著鉆柱的環(huán)空和內(nèi)部壓力、溫度、旋轉(zhuǎn)和三軸振動測量值，測量數(shù)據(jù)以高速傳輸?shù)降孛鎇17]，采用多點(diǎn)分布傳感器的方式，便可以獲得更加詳細(xì)的井下信息，最后通過測量的實(shí)際壓力來反演計(jì)算井下實(shí)時巖屑分布情況。最終，將上述兩部分綜合得到了基于全井眼壓力測量數(shù)據(jù)的井眼清潔定量分析方法，技術(shù)的總體流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)總體流程圖

1 井眼清潔對壓降的影響

鉆井過程中，井眼內(nèi)的巖屑對井眼壓力分布有重要影響[10]，巖屑顆粒影響井眼內(nèi)流動壓降的原因總結(jié)如下：①巖屑與鉆井液混合改變了井眼中流體的密度；②巖屑床或巖屑丘的形成減少了井眼環(huán)空的有效流通面積；③巖屑顆粒改變了流動的摩擦系數(shù)。本研究使用含巖屑流體與不含巖屑流體的壓降的比值（SF）來表示巖屑對流動壓降的影響。為方便分析，將流體靜壓從流動壓降中減去，以消除流體重力的影響，即

式中ΔPc、ΔPnc、ΔPhyd分別表示有巖屑情況、無巖屑情況、純鉆井液的靜止壓力梯度，Pa/m；SF表示相同等效流動速度下，巖屑引起的壓力損失與純鉆井液流動引起的壓力損失之比，可以用來表示巖屑對井眼壓力的影響。

本研究的目的是找到SF與巖屑體積濃度之間的關(guān)系，然后從壓力數(shù)據(jù)中獲得井眼清潔的情況。然而，在相同的巖屑濃度值下，有許多因素會影響SF。為了充分研究巖屑濃度與SF之間的關(guān)系，收集了大量與巖屑運(yùn)移和井眼壓力測量有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括不同井斜角、不同種類及大小的巖屑、不同密度和性能的鉆井液和鉆井施工中常用的流速、轉(zhuǎn)速、鉆速等參數(shù)，如表1所示。

表1 收集參數(shù)表

圖2顯示了井斜角介于30°～90°范圍內(nèi)且機(jī)械鉆速為15 m/h時，不同類型的鉆井液流體在不同轉(zhuǎn)速情況下巖屑濃度和SF的關(guān)系。圖3為使用不同粒徑巖屑進(jìn)行測試時的SF和巖屑濃度之間的關(guān)系。由圖2可知流速一定時，巖屑濃度隨井斜角的增加而增加，SF值的變化趨勢與其不同；而井斜角一定時，SF值隨平均流速的減小而增大，SF值與巖屑濃度關(guān)系密切。

圖2-a中有鉆桿旋轉(zhuǎn)時SF測試結(jié)果略高于無鉆桿旋轉(zhuǎn)時的結(jié)果。在低流速、低傾角時（如0.57 m/s、30°），巖屑分布狀態(tài)為堆積沙丘，導(dǎo)致混合密度較高，流動截面積較小，SF值較高。隨著流速增加，松散的巖屑更有可能被流體懸浮。隨著井斜角的增加，松散的巖屑成為固定的巖屑床。巖屑分布狀態(tài)的變化改變了井眼內(nèi)流體的平均密度和有效流動面積，從而影響SF的值。

圖2-b為非牛頓流體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其變化趨勢與用水做鉆井液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。但由于非牛頓流體具有較高的黏度，在相同的條件下使得非牛頓流體的SF值小于水的SF值。從以上結(jié)果可以看出，巖屑對井眼壓力的影響取決于許多因素，如井斜角、流體性質(zhì)、流速、轉(zhuǎn)速等。在給定情況下，利用巖屑濃度反演SF值時，應(yīng)考慮所有重要影響因素。

由圖3可知大小不同的巖屑在特定井斜角下，SF值與巖屑濃度關(guān)系密切，此處成正比的趨勢很明顯，這使得在給定條件下，建立由SF值反演巖屑濃度的數(shù)學(xué)模型成為可能。這種從井眼壓力反演巖屑分布狀態(tài)的方法被稱為壓力驅(qū)動的井眼清潔模型。

2 壓力驅(qū)動的井眼清潔模型

巖屑濃度和SF并不是一對一的關(guān)系，僅使用SF反演巖屑濃度是不現(xiàn)實(shí)的。由于巖屑濃度和SF之間的關(guān)系復(fù)雜，研究基于物理規(guī)律的力學(xué)模型難度很大。因?yàn)橛袑?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來開發(fā)基于回歸方法的預(yù)測模型變得很有吸引力。

回歸的目的是歸納和總結(jié)數(shù)據(jù)中所包含的規(guī)律性，然后利用SF和其他輸入?yún)?shù)建立數(shù)學(xué)模型來預(yù)測巖屑濃度。首先，確定模型的輸入?yún)?shù)，包括平均流速(vF)、井斜角(I)、轉(zhuǎn)速(RPM)、鉆速(ROP)、相對顆粒密度(ρr)、等效流體黏度(μe)，輸出為巖屑體積濃度(Cc)；然后，選擇合適的模型訓(xùn)練方法來擬合數(shù)據(jù)集；最后，利用新的數(shù)據(jù)對訓(xùn)練后的模型進(jìn)行評估。根據(jù)具體需要，本研究選用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法[21]來建立預(yù)測模型。常用的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法有許多種，如回歸分析、基于決策樹的方法、支持向量機(jī)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法等。因?yàn)榭捎玫臄?shù)據(jù)集有限，小數(shù)據(jù)集需要低復(fù)雜度（或高偏差）的模型來避免模型與數(shù)據(jù)的過擬合。因此，本研究選用低復(fù)雜性和強(qiáng)先驗(yàn)的廣義線性回歸方法[22]。為了避免過擬合，在算法中采用了彈性網(wǎng)正則化技術(shù)[23]。需要指出的是，讀者可以嘗試任何其他能夠提供可靠模型的訓(xùn)練算法。為了提高訓(xùn)練模型的準(zhǔn)確性，在訓(xùn)練過程中采用了5倍交叉驗(yàn)證方法[24]，并使用均方誤差（MSE）來評價模型擬合的效果，如下式所示：

式中yi表示巖屑濃度實(shí)測值，無量綱；表示模型預(yù)測巖屑濃度值，無量綱；n表示數(shù)據(jù)總量，無量綱。

使用表1中收集的數(shù)據(jù)，訓(xùn)練完成后模型的MSE為0.05。為了檢驗(yàn)是否存在過擬合問題，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)繪制在一起，進(jìn)行可視化比較。結(jié)果如圖4所示，訓(xùn)練后的模型捕捉了實(shí)際數(shù)據(jù)的總體趨勢，沒有過擬合問題。

圖4 壓力驅(qū)動的井眼清潔模型的驗(yàn)證圖

本研究提出的壓力驅(qū)動的井眼清潔模型基礎(chǔ)是巖屑對井眼壓力的影響，具體通過不含巖屑條件下的理論井眼壓力與實(shí)測井眼壓力的差得到前文討論的SF，然后反演巖屑濃度。為保證模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，在應(yīng)用中需滿足以下條件：①必須能夠準(zhǔn)確計(jì)算無巖屑條件下的理論井眼壓力；②應(yīng)充分考慮引起井眼壓力損失變化的其他因素，避免得出誤導(dǎo)性結(jié)果。

模型具體實(shí)現(xiàn)流程如下：首先，將井眼信息（井眼軌跡和井身結(jié)構(gòu)）、鉆柱信息（鉆柱設(shè)計(jì)和傳感器位置）、實(shí)時井深和鉆頭深度輸入到井眼網(wǎng)格劃分算法中。然后，該網(wǎng)格劃分算法根據(jù)傳感器的位置將井眼劃分為多個子區(qū)域（子區(qū)域是兩個相鄰傳感器之間的井段），并根據(jù)井斜角、環(huán)空內(nèi)徑和外徑的變化為每個區(qū)域生成多個網(wǎng)格。

為了考慮沿井眼的環(huán)空幾何尺寸隨鉆頭深度和井深變化的動態(tài)變化，本研究提出了一種實(shí)時井眼網(wǎng)格劃分方法。該井眼網(wǎng)格模型還可用于確定每個傳感器沿管柱的實(shí)時位置，并將整個井眼劃分為多個子段，以評估壓力變化。同時，將傳統(tǒng)鉆井水力模型與機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，開發(fā)了一種能夠自動校準(zhǔn)的自修正鉆井水力模型（下節(jié)詳述）。采用井眼網(wǎng)格模型和自修正模型滿足第一個方面的要求：實(shí)時準(zhǔn)確計(jì)算兩個測點(diǎn)之間的理論壓降。

另外，研究提出了一種壓力變化評估方法，用來分析井眼縮徑、井眼擴(kuò)徑、井漏、井眼清潔不足等不同因素引起的井眼壓降變化。該算法考慮了由不同因素引起的壓力變化模式的差異，以及對操作參數(shù)（如流量）和時間變化反應(yīng)的差異。例如井眼擴(kuò)徑時，井下流體過流面積擴(kuò)大，流速隨之減小，壓降變?。欢矍鍧嵅蛔銜r會造成巖屑堆積，形成的過流面積減小，壓降則相對增大。而且，井徑變化所引起的影響位置相對固定，不會隨測深變化；而巖屑引起的壓力變化位置會隨著巖屑在井眼環(huán)空內(nèi)的運(yùn)移而發(fā)生變化。通過分析壓力異常的模式及時間和其他操作參數(shù)的關(guān)系來獲得壓力異常的原因，從而判斷壓力變化是否由巖屑引起。該模型用于滿足第二方面的要求：找出無巖屑條件下理論壓力與實(shí)測壓力差異的原因。最后，利用上述基于壓力驅(qū)動的井眼清潔模型，在給定的井眼和流動條件下，從SF反演出巖屑濃度。反演流程如圖5所示。

圖5 模型的總體工作流程圖

3 智能鉆井水力模型

傳統(tǒng)鉆井水力學(xué)模型的推導(dǎo)和建立過程中均做了大量的假設(shè)，可能與實(shí)際情況存在差異，另外，輸入?yún)?shù)與實(shí)際的井下條件也存在一定的差異，因此，目前還沒有能夠在任何應(yīng)用場景中均能準(zhǔn)確計(jì)算井眼壓力的完美模型。

為了提高井眼壓力計(jì)算的準(zhǔn)確性，本研究將傳統(tǒng)鉆井水力模型與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，建立了復(fù)合鉆井水力模型。在傳統(tǒng)水力學(xué)模型中，采用廣義冪律模型方法，僅考慮穩(wěn)態(tài)條件和不可壓縮鉆井液流體。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以覆蓋大多數(shù)常用的流變模型，如賓漢塑性模型、冪律模型和屈服冪律模型。同時還考慮了環(huán)空偏心距的影響。廣義雷諾數(shù)定義為[25-26]：

式中deff表示偏心環(huán)空的有效直徑，m；v表示平均流速，m/s；n'和K'表示廣義冪律模型的參數(shù)，其中n'表示流性指數(shù)，無量綱；K'表示稠度系數(shù)，Pa·sn，對應(yīng)的常用流變模型詳細(xì)取值方法可以在本文文獻(xiàn)[25]中找到；ρ表示流體密度，kg/cm3；dw表示井眼直徑，m；dh表示水力直徑，m；ds表示鉆柱直徑，m；ω'表示環(huán)空的偏心系數(shù)，無量綱；λ表示流體速度最大的徑向位置，無量綱；σ表示，無量綱；e表達(dá)偏心度，無量綱。

式中R'表示環(huán)空的偏心系數(shù)，無量綱。

利用式（6）可得到井眼內(nèi)流體流動壓力梯度：

式中ff表示摩擦系數(shù)；xc表示引入的修正系數(shù)。對于層流，摩擦系數(shù)通過得到，對于紊流，有許多常用的經(jīng)驗(yàn)公式來獲得摩擦系數(shù)[10,25]。本研究采用式（7）中的經(jīng)驗(yàn)公式，其中ε表示壁面粗糙度。

這些經(jīng)驗(yàn)公式大多是在實(shí)驗(yàn)室條件下得到的，現(xiàn)場應(yīng)用證明，沒有經(jīng)驗(yàn)公式可以適用于所有的實(shí)際鉆井條件。在實(shí)際工程中，較為現(xiàn)實(shí)的方法是將水力模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，利用實(shí)際測量數(shù)據(jù)來調(diào)整水力模型以提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。換句話說，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法根據(jù)具體應(yīng)用條件來定制水力模型的摩擦系數(shù)。采用水力模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合的方法，采用實(shí)測數(shù)據(jù)反算模型參數(shù)，在一定程度上降低了模型參數(shù)對具體地層、巖性、井型、井徑、溫度等計(jì)算參數(shù)的依賴，從而增強(qiáng)了模型的拓展性。同時，同一區(qū)塊反算模型參數(shù)可定制個性化參數(shù)庫，同類井應(yīng)用時直接調(diào)用參數(shù)庫模型參數(shù)用于井眼壓力計(jì)算。

另外，實(shí)時井下狀態(tài)監(jiān)測的主要挑戰(zhàn)是鉆井模型輸入?yún)?shù)的不確定性。隨著井深的增加，這些參數(shù)的不確定性增加。因此，通過減小井段的長度來減少輸入?yún)?shù)的不確定性，從而提高鉆井模型的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的鉆井水力分析或井眼清潔分析通常是將單個模型應(yīng)用于整個井眼進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)際井下條件存在較大差異。使用智能鉆桿數(shù)據(jù)的優(yōu)勢之一在于我們可以將整個井眼劃分為多個井段來減少鉆井模型需要覆蓋的井長，以此來提高鉆井模型的準(zhǔn)確度。

在模型實(shí)現(xiàn)過程中，沿著鉆柱的兩個測量點(diǎn)之間的每個分段都定制了一個水力模型，如圖6所示。針對劃分后的井段，再根據(jù)井斜角、井身結(jié)構(gòu)、鉆柱幾何形狀的變化，將每個分段劃分為多個網(wǎng)格。分段井眼網(wǎng)格劃分的原則是：所有參數(shù)(如井斜角、內(nèi)徑、外徑、井壁粗糙度)在一個網(wǎng)格內(nèi)是均勻的，每個網(wǎng)格都是一個計(jì)算單元，網(wǎng)格的最大長度要滿足在均勻假設(shè)之后保持這些參數(shù)準(zhǔn)確性的要求，例如，井斜角變化迅速的井眼造斜段或降斜段中的網(wǎng)格長度要比直井段的網(wǎng)格長度短。

圖6 井眼分段圖

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的復(fù)合水力學(xué)模型訓(xùn)練的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)選擇標(biāo)準(zhǔn)為：①壓力測量數(shù)據(jù)應(yīng)是在清潔井眼條件下獲得；②泥漿泵排量穩(wěn)定，凝膠效應(yīng)和加速效應(yīng)忽略不計(jì)；③每組數(shù)據(jù)集應(yīng)該至少取兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)，一個在靜態(tài)流動條件下的流速，以獲得流入的流體密度，另一個是在正常鉆井和循環(huán)條件下的流速。更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)有利于提高模型的精度。

利用實(shí)測數(shù)據(jù)訓(xùn)練水力模型的本質(zhì)問題是非線性回歸問題，即

式中zi表示訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的第i個測量數(shù)據(jù)；m表示訓(xùn)練數(shù)據(jù)的總數(shù)；h(x,yi)表示給定分段的水力模型（圖6）；yi表示模型的輸入?yún)?shù)向量；x表示需要調(diào)整的參數(shù)矢量。

yi的表達(dá)式為：

式中m表示給定子區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的個數(shù)，如圖6所示；Q表示排量，m3/s；ρf表示流入流體密度，kg/m3；R表示實(shí)際流體流變參數(shù)，如屈服值；o表示模型所需要的其他現(xiàn)場參數(shù)，如鉆柱偏心距，這些參數(shù)取決于所使用的水力模型。

修正參數(shù)矢量x表達(dá)式為：

引入多個校正因子的原因是為了提高模型的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，井眼類型可能不止一種，如裸眼井和套管井等。由于裸眼井段和套管井段的摩擦系數(shù)存在顯著差異，如果對整個井段使用一個校正系數(shù)，當(dāng)鉆頭深度發(fā)生變化時，模型預(yù)測將與實(shí)際值偏離。

研究采用Newton-CG方法[27]來最小化公式（8）中的目標(biāo)函數(shù)。訓(xùn)練后，將優(yōu)化后的水力模型應(yīng)用到鄰井或相似井中，進(jìn)行動態(tài)井眼壓力計(jì)算。通過壓力變化評估算法和壓力驅(qū)動的井眼清潔模型，分析計(jì)算和實(shí)測壓降的變化，實(shí)時給出沿井眼的巖屑分布和井眼清潔情況。

4 實(shí)例研究

選取1口大位移井的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的實(shí)例研究，分析巖屑在整個井眼內(nèi)的運(yùn)移和井眼壓力變化過程，并結(jié)合實(shí)際壓力測量值驗(yàn)證新提出的壓力驅(qū)動的井眼清潔分析模型。實(shí)例井A1井最大垂直井深為1 087 m，水平位移為4 500 m。該井的井身結(jié)構(gòu)如圖7所示。算例中集中分析4 300～4 500 m井段鉆井過程中的實(shí)時井眼清潔情況和井眼壓力。使用密度介于1.07～1.18 g/cm3的PDF-PLUS/KCl鉆井液，鉆桿外徑為127 mm。沿鉆柱均勻分布9個傳感器，將井眼劃分為9個子段，如圖8所示。

圖7 A1井的井身結(jié)構(gòu)圖

圖8 傳感器分布和井眼分段圖

該井段在2020年7月12日17點(diǎn)至13日2點(diǎn)的鉆井過程中的實(shí)鉆參數(shù)，如圖9所示。

圖9 2020年7月12日—13日實(shí)鉆參數(shù)圖

相應(yīng)的各個傳感器位置處隨時間的壓力變化如圖10所示，其中，紅色虛線箭頭表示巖屑在井眼內(nèi)向上運(yùn)移過程。

圖10 2020年7月12日—13日傳感器位置處壓力圖

利用瞬態(tài)巖屑運(yùn)移與鉆井水力模型[28-29]，得到鉆進(jìn)過程中的動態(tài)巖屑分布及井眼壓力剖面，如圖11所示，其中顯示了4組結(jié)果：實(shí)際巖屑分布、懸浮巖屑分布、各分段的SF值以及提出的壓力驅(qū)動的井眼清潔模型反演出的各分段巖屑濃度。

圖11 案例的瞬態(tài)井眼清潔模擬圖

施工中在井深4 300 m前進(jìn)行了1次短起和充分的循環(huán)，因此在鉆進(jìn)的早期階段，除了少量巖屑床堆積在底部鉆具組合工具處，井眼的大部分是干凈的，SF值為1.0（圖11-a）；隨著鉆井的繼續(xù)進(jìn)行，新生成的巖屑被運(yùn)往地面（圖11-b～d）。巖屑在井眼中以兩種不同的方式運(yùn)輸：懸浮巖屑和沉積巖屑床。懸浮的巖屑比沉積的巖屑床移動快很多。如果巖屑濃度低于5%，則只有懸浮巖屑存在于該井段。圖中類似沙丘的巖屑波是鉆井循環(huán)交替造成的巖屑床堆積。從圖11中還可以看出，每個分段的SF值變化與實(shí)際巖屑分布一致。由于SF值是通過各分段兩端測量的壓力計(jì)算得到的，只能反映出巖屑引起的平均壓力異常。由于SF值是兩個相鄰傳感器之間壓降的反映，所以反演的巖屑濃度是特定井段平均井眼清潔情況的反映。很明顯，沿鉆柱測量的傳感器數(shù)量越多，測量結(jié)果越準(zhǔn)確，但也增加了成本。從該實(shí)例研究中可以看出，新提出的壓力驅(qū)動的井眼清潔模型對于井眼清潔監(jiān)測應(yīng)用是合理、準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

1）本研究針對困擾大位移井和長水平井施工的井眼清潔不充分難題，提出利用井下多點(diǎn)測量數(shù)據(jù)來評估鉆井過程中井眼內(nèi)實(shí)際巖屑分布和井眼清潔狀況的方法，實(shí)現(xiàn)鉆井過程中井眼內(nèi)真實(shí)巖屑分布的間接測量。

2）提出的壓力驅(qū)動的井眼清潔模型打破傳統(tǒng)多相流研究和建模方式，提出了通過流動壓力結(jié)合約束條件來反演流動特征的創(chuàng)新性方法。該成果可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)井眼清潔分析單純依賴?yán)碚撃Ｐ突虻孛嬲駝雍Y數(shù)據(jù)的缺陷，建立基于測量數(shù)據(jù)的井下巖屑分布和井眼清潔程度量化方法，為避免和解決大位移井及長水平井的井眼清潔不充分問題提供詳細(xì)的井下信息。

3）雖然目前智能鉆桿等沿井眼測量技術(shù)的使用成本較高，但隨著科技的發(fā)展和研究的深入，其成本將不斷降低。本研究提高了該類技術(shù)在實(shí)際鉆井施工過程中的實(shí)際意義，同時，為使用智能鉆桿等全井眼測量技術(shù)解決其他常見鉆井問題提供支撐，提高該技術(shù)的實(shí)用價值，有助于推動該技術(shù)在油氣行業(yè)的規(guī)模性應(yīng)用。

感謝挪威國家石油公司（Equinor ASA）對本研究的資金和技術(shù)支持。