页岩油气已成为非常规油气资源的重要组成部分，但页岩储层致密、渗透性低，规模开发主要依靠水平井钻井技术与多级压裂完井技术。“十三五”期间，中国石油川南页岩气区水平井完钻井数量由2016年的60口井增加至2020年的327口井。川南页岩气水平井钻井过程中累计52套旋转导向工具发生卡钻埋井，其中打完立柱在井底倒划上提钻具卡钻占比达60.5%，起钻过程中因遇阻卡钻占比27.9%，前者主要与硬脆页岩结构性大掉块有关，后者主要与井底岩屑床沉积有关^[1-2]。

国内外学者针对井壁掉块、岩屑床沉积等问题，开展了井眼清洁监测与评价的研究与应用。1970年，L. W. Cooper等人^[3]应用声波监测返砂管线中岩屑的质量，但该技术只适用于气体钻井，不适于水基/油基钻井液环境。20世纪90年代起，随着大斜度井、水平井的广泛应用，国内外学者们相继建立了一系列适用于大斜度井与水平井井眼清洁的经验模型^[4-5]与理论模型^[6-8]；并且，随着计算机技术的发展，国外油服公司开始利用已建立的井眼清洁模型开发井眼清洁监测软件，以实现井眼清洁程度的定性预判，包括哈里伯顿公司Landmark软件的WellPlan模块、斯伦贝谢公司Drilling Office软件的Hydraulics模块和SPT Group的Drillbench软件等^[9]。同时，钻井液当量循环密度（ECD）监测^[10-12]、摩阻与扭矩监测^[13-15] 结果也用来间接计算分析井眼清洁程度，但ECD监测与摩阻扭矩监测结果只能定性判断井眼清洁程度，计算分析结果与实际工况存在一定误差。2000年以来，斯伦贝谢和Geolog公司开展了井底返出岩屑定量监测的研究，研制出岩屑称重装置与配套软件系统，首次实现了井眼清洁程度的定量化计算评价^[9]。

笔者结合国内外井眼清洁监测与评价技术现状，研制了岩屑返出量监测装置，研究了岩屑采集数据处理方法，形成了水平井井眼清洁定量化监测评价技术，现场应用后能够预防卡钻复杂风险。

1.   岩屑返出量监测装置

为了测量岩屑返出量，设计了一种岩屑返出量监测装置，主要由称量系统、数据发送系统、控制系统、动力系统和支撑防护系统组成（见图1）。

图  1  岩屑返出量监测装置结构示意

Figure  1.  Structure of the cuttings return monitoring device

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称量系统是整个装置的核心，由秤盘、称重机构和翻转机构组成，可以实时称量秤盘上岩屑的质量。数据发送系统将实时测量得到的岩屑数据通过无线发射端口以一定频率发送到数据采集软件。控制系统主要由控制箱和远程控制软件组成，控制箱内有启动、制动和复位按钮，并通过无线发射端与远程控制软件相连接，远程控制软件可以实现装置的远程操控及装置工作状态的校验。动力系统包括翻转气缸、气缸翻转臂与接气管线，整个装置采用气压驱动，工作气体来自于井场空气压缩机。动力系统为翻转机构提供动力，控制秤盘的工作状态。支撑防护系统为整个装置提供支撑与保护，确保整个装置平稳地固定在振动筛的出砂口，同时满足现场HSE管理要求。

岩屑返出量监测装置安装在振动筛出砂口处，当岩屑流经振动筛并逐渐堆落在监测装置上时，质量传感器对岩屑质量进行监测，待达到一定监测时间或岩屑质量达到传感器预设的质量阈值时，监测装置自动将岩屑倾倒掉，并在恢复工作状态时将称量值自动清零；称量得到的岩屑质量数据通过无线传输方式发送到数据处理系统。

2.   岩屑采集数据处理方法

岩屑返出量监测装置采集的岩屑数据，经过干湿岩屑质量转换、倾倒时段漏接岩屑补偿、细碎岩屑补偿及质量体积转换后，可以得到准确的实际返出岩屑体积；根据监测井段的井眼直径、进尺和井径扩大率，可以计算得到监测井段的理论岩屑体积；将实际返出岩屑体积与理论岩屑体积进行对比，得到监测井段的岩屑返出率。

2.1   干湿岩屑质量转换方法

岩屑由钻井液循环带出井筒，钻井液会吸附在岩屑表面形成一层液膜。这层液膜会降低岩屑在钻井液中运移的阻力，有利于岩屑的返出（尤其是使用油基钻井液时），但是吸附在岩屑表面的钻井液会使监测装置称得的岩屑质量偏大，这个质量称为湿岩屑质量，湿岩屑质量需要转换为实际地层的干岩屑质量才能参与实际返出岩屑体积的计算。因此，定义了干湿质量转换系数的计算方法：

式中：$\alpha$为干湿质量转换系数；${m}_{\mathrm{d}}$和${m}_{\mathrm{w}}$分别为干岩屑质量和湿岩屑质量，kg。

测量岩屑干湿质量转换系数时，首先对采集的湿岩屑样品进行称重，用柴油清洗岩屑表面吸附的钻井液与泥质，然后用酒精清洗掉岩屑表面的柴油，最后将岩屑烘干进行称量。需要注意的是，钻井液在岩屑表面的吸附受多种因素的影响，如钻井液黏度与固相含量、岩屑颗粒的尺寸（比面积）、地层岩石的孔渗性质等，当这些参数值发生变化时，需要对干湿质量转换系数进行及时测量更新。

2.2   倾倒时段漏接岩屑补偿方法

由于岩屑返出量监测装置的秤盘容积有限，称量一定时间或者秤盘上岩屑达到一定质量后需要倾倒岩屑。秤盘倾倒岩屑时振动筛返出的岩屑会被漏接，因此需要对这段时间内的岩屑数据进行补偿。倾倒时段漏接岩屑的质量可通过振动筛上返出岩屑的质量流量求出。倾倒前与倾倒后岩屑质量流量的平均值可近似认为倾倒时段的岩屑质量流量，其乘以倾倒所用时间即为一次倾倒漏接岩屑的质量。某单位长度倾倒时段漏接岩屑质量可通过累计该单位进尺内每次倾倒漏接的岩屑质量得到。

2.2.1   定时倾倒模式

第i单位进尺第j次倾倒前、倾倒后岩屑质量流量分别为：

该次倾倒漏接岩屑的质量为：

第i单位进尺倾倒时段漏接岩屑的质量为：

式中：${{Q}_{{\rm{m}}1,ij}}$和${{Q}_{{\rm{m}}2,ij}}$分别为第i单位进尺第j次倾倒前和倾倒后的岩屑质量流量，kg/s；${m}_{1ij}$和${m}_{2ij}$分别为第i单位进尺第j次倾倒前一次和倾倒后一次称得的岩屑质量，kg；${{m{'}}_{ij}}$为第i单位进尺第j次倾倒漏接的岩屑质量，kg；${{m{'}}_{i}}$为第i单位进尺倾倒时段漏接岩屑的质量，kg；$t$和${t}^{{'}}$分别为秤盘称量时间和倾倒时间，s；${t}_{i}$为第i单位进尺钻时，s。

2.2.2   定量倾倒模式

第i单位进尺第j次倾倒前、倾倒后的岩屑质量流量分别为：

该次倾倒漏接岩屑的质量为：

第i单位进尺倾倒时段漏接岩屑的质量为：

式中：$m$为设定的每次称量的岩屑质量阈值，kg；${m}_{i}$为秤盘称量得的第$i$单位进尺的岩屑质量，kg；${t}_{1ij}$和${t}_{2ij}$分别为第i单位进尺第j次倾倒前一次和倾倒后一次的称量时间，s。

如果是该单位进尺内最后一次倾倒岩屑，则默认前一次称量的岩屑流量为本次倾倒的岩屑流量。值得注意的是，利用平均流量法计算累计实际返出岩屑质量时，需要等待秤盘下一次倾倒岩屑时，才能计算出上一次倾倒时段漏接的岩屑质量。

2.3   细碎岩屑补偿方法

岩屑尺寸随着井深增加而逐渐变小，尤其是对于页岩地层大位移水平井，PDC钻头的研磨破岩作用、偏心钻柱对岩屑床的挤压作用、岩屑运移过程中颗粒间的碰撞与摩擦作用，以及岩屑与钻柱和井壁的碰撞作用，都会使返出岩屑中存在许多粒径小于振动筛筛孔的细碎岩屑。这部分岩屑随钻井液通过振动筛筛孔进入钻井液罐中，未被岩屑返出量监测装置称量，因此需要进行数据补偿。

细碎岩屑的质量可以通过现场试验测量得到。首先通过沉积法或离心法取样测量通过振动筛的钻井液中的细碎岩屑质量分数，再利用录井数据中获得的当前钻井液排量、密度和钻时等数据，即可计算出细碎岩屑的质量：

式中：${{m}_{{\rm{s}}}}$为某单位进尺内返出细碎岩屑的质量，kg；$\omega$为返出钻井液中的细碎岩屑质量分数；${\rho }_{\mathrm{m}}$为钻井液密度，kg/m³；$Q$为钻井液排量，m³/s；$t$为该单位进尺的钻时，s。

随着井深增加，以及钻井液排量、密度和机械钻速等钻进参数的变化，钻井液中的细碎岩屑含量会发生变化。因此，当井深增加一定长度或钻进参数发生变化时，要重新测量返出钻井液中的细碎岩屑质量分数，更新单位进尺细碎岩屑质量。若井眼经过易造桨地层，井壁的黏土矿物也会进入钻井液中，会使测量的细碎岩屑质量偏大，这时候需要结合地质信息进行修正。

2.4   实际返出岩屑体积计算方法

岩屑返出量监测装置测量得到的是岩屑的质量，但现场习惯上使用岩屑的体积来分析岩屑的返出情况，因此需要将岩屑的质量转换为体积。地层的密度可从邻井的测井资料中获得，结合前面的分析，可以得到实际返出岩屑体积的计算公式。

定时倾倒模式下，第$i$单位进尺返出岩屑的体积为：

定量倾倒模式下，第$i$单位进尺返出岩屑的体积为：

因此，定时倾倒模式下，整个监测井段累计实际返出岩屑的体积为：

定量倾倒模式下，整个监测井段累计实际返出岩屑的体积为：

式中：${V}_{i}$为第$i$单位进尺返出岩屑的体积，m³；${V}_{\mathrm{a}}$为监测井段累计实际返出岩屑的体积，m³；${\rho }_{\mathrm{c}i}$为第i单位进尺地层视密度，kg/m³；${H}_{1}$和${H}_{2}$分别为监测井段开始井深和结束井深，m。

2.5   理论岩屑体积

理论岩屑体积是指理论上钻头破碎岩石所产生岩屑的体积。一般来说，除了钻遇裂缝、溶洞型地层以外，钻头钻进单位进尺产生的岩屑体积是确定的，因此可以通过钻头移动的距离及钻头直径来计算理论岩屑体积。由于地层自身性质、钻头侧向切削及钻井液冲刷的缘故，实际井眼直径通常稍大于钻头直径，因此计算理论岩屑体积时还需要考虑井径扩大率。井径扩大率在钻进时无法知道，但可以参考邻井的井径测井数据获得。综合以上分析，可以得到监测井段理论岩屑体积的计算公式：

式中：${V}_{\mathrm{t}}$为监测井段理论岩屑体积，m；${D}_{\mathrm{b}}$为钻头直径，m；$\theta$为井径扩大率。

2.6   岩屑返出率

岩屑返出率定义为某段井眼的实际返出岩屑体积与理论岩屑体积之比：

式中：$R$为岩屑返出率。

岩屑返出率可以直观表征某一井段的井眼清洁程度，现场应用时，一般用单位进尺返出率、立柱返出率或累计返出率来表示。单位进尺返出率和立柱返出率分别表示某一单位进尺和某一立柱井段的岩屑返出率，累计返出率表示某一井段累计实际返出岩屑的体积与该井段理论岩屑体积的比。单位进尺返出率和立柱返出率可以看作是岩屑的瞬时返出率和阶段平均返出率，而累计返出率可以反映某个井段岩屑的整体返出情况。由于单位进尺返出率变化幅度比较大，现场一般根据立柱返出率来判断当前正钻井段岩屑返出情况及岩屑返出率变化趋势，从而及时调整施工措施，优化钻进参数。

3.   井眼清洁状态分析与评价方法

对岩屑数据与工程录井数据进行处理与计算，可以得到实际返出岩屑的体积与返出率。通过判断实际返出岩屑的体积与理论上钻头产生的岩屑体积是否达到平衡，可以定量地判断井下岩屑返出与井壁稳定状况，为钻井液排量、转速、机械钻速等钻进参数的确定与优化提供指导，具体分析评价及技术措施决策流程如图2所示。

图  2  井眼清洁状态分析评价及技术措施决策流程

Figure  2.  Flow of analysis and evaluation of hole cleanliness and technical measure decision

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根据现场经验，定义井眼清洁标准为岩屑返出率95%～105%。岩屑返出率为95%～105%，认为井眼清洁程度良好，只需要每柱钻完后及时循环即可。岩屑返出率小于95%，说明部分岩屑在井筒中发生滞留，有可能沉积形成了岩屑床，需要结合摩阻扭矩进行判断。如果岩屑在井筒中沉积成床，应按照现场实际情况采取增加排量、提高转速、降低钻速或增加循环时间等措施；如果岩屑床依然存在，则需要进行短起下等机械操作辅助破除岩屑床。岩屑返出率大于105%，存在以下2种可能：一是之前沉积的岩屑床发生破坏，岩屑开始运移返出；二是井壁失稳产生掉块，此时需要结合现场观察，确定是否存在掉块。

存在掉块的情况下，需要监测和记录掉块的形态、大小及对应的迟到井深，进而确定井壁失稳机理及应对措施。掉块按形态大致分为裂片状、角状和板状等3种类型^[16]，不同掉块形态对应不同的井壁失稳机理。裂片状掉块通常是由于在坚硬地层采用欠平衡钻井或者机械钻速过快导致，这时需要适当提高井底压力，降低机械钻速。角状掉块通常是井壁岩石发生剪切破坏产生的，这时需要在安全钻井液密度窗口范围内提高钻井液密度，以保证钻井液对井壁提供足够的支撑。板状掉块通常来自于水平井段，井眼轴线与地层近似平行，如果地层本身存在弱面，钻柱转速过大和钻柱振动都可能使井壁发生顺层垮塌，产生板状掉块，采取控制钻柱转速、减少倒划眼和略微提高钻井液密度等措施，可以起到一定的减缓作用。

4.   现场应用

水平井井眼清洁定量化监测评价技术在川南地区现场应用4井次，累计预警井眼清洁异常状态20余次，有效预防了井眼清洁事故的发生。L203HX-X井是部署在泸州区块一口页岩气水平井，设计井深5 736 m，造斜点井深2 000 m，水平段长1 550 m，入靶点（A点）测深4 129 m。该井钻进至A点后，摩阻扭矩明显增加，钻时增长，推测井底存在岩屑床。根据现场要求，从井深4 272 m处开始进行岩屑返出量监测，实时分析岩屑返出情况，优化施工措施与钻进参数。

监测井段4 272～5 250 m井眼直径为215.9 mm，根据邻井测井资料，井径扩大率取5%，所钻地层龙马溪组岩石平均密度为2 560 kg/m³，每柱一更新岩屑干湿质量转换系数，定时测量细碎岩屑质量，从工程录井数据中实时调取排量、钻井液密度及钻时等数据。基于上述数据，实时跟踪计算监测井段实际返出岩屑的体积、理论岩屑体积和岩屑返出率。

该井4 272～5 250 m井段岩屑累计理论体积、累计实际返出体积与累计体积差值随深度的变化情况如图3所示，可以看出从井深4 530 m开始岩屑累计实际返出体积小于累计理论体积，累计返出率降至100%以下。分析认为，随着水平段增长，井底岩屑运移难度增加，岩屑存在沉积。监测井段的岩屑返出率达到96.44%，说明井眼清洁状态总体较好。

图  3  岩屑体积随钻跟踪图

Figure  3.  Tracing curves of cuttings volume while drilling

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监测井段立柱返出率变化情况统计结果表明，立柱返出率总体保持在85%～105%。其中，4 272～4 588 m井段立柱返出率波动剧烈，平均立柱返出率为98%；4 588～4 814 m井段立柱返出率较为稳定，保持在96%左右；4 814～5 250 m井段立柱返出率存在较小幅度波动，平均立柱返出率为93%。立柱结束井深为4 409，4 588，5 046和5 133 m的立柱返出率较低，接立柱时摩阻较大，判断井底岩屑沉积成床，及时提醒井队采取增加拉划与循环时间、降低钻速等措施后，返出率增大，避免了井眼清洁事故。

5.   结论与建议

1）建立了岩屑干湿质量转换系数方法、倾倒时段漏接岩屑补偿方法和细碎岩屑补偿方法，推导了实际返出岩屑体积计算方法。

2）建立了基于实际返出岩屑体积与理论岩屑体积对比的井眼清洁分析评价流程，给出了不同井眼清洁状态下的针对性施工措施。

3）水平井井眼清洁定量化监测评价技术主要根据井底岩屑返出率对井眼清洁状态进行监测评价，对于井深较大的水平井井段，岩屑返出率监测评价存在一定的滞后性。建议后续结合ECD、摩阻、扭矩、大钩载荷等参数进行研究，实现井眼清洁多参数多角度实时监测与分析，提高井眼清洁状态评价及异常情况预警的准确性。