鋁合金中筒取心技術(shù)在哈薩克斯坦烏里赫套油田的應(yīng)用

蘇 洋

（中國石油長城鉆探公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦124010）

烏里赫套油氣田位于哈薩克斯坦西部的濱里海盆地東緣凹陷構(gòu)造帶讓爾卡梅斯東部隆起梯階扎納諾爾大地構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)于1983年。1988 年由蘇聯(lián)國家資源儲量委員會確認(rèn)的初步探明地質(zhì)儲量為天然氣398.2 億立方米,凝析油1162 萬噸,原油650 萬噸。為了開發(fā)該區(qū)塊石炭系油藏，需要開展油藏精細(xì)評價(jià)和油氣儲量計(jì)算等前期地質(zhì)工作，必須獲取豐富的油藏巖性實(shí)物資料，并由中哈長城鉆井公司通過競標(biāo)承鉆，在該區(qū)塊先后部署6 口探井進(jìn)行取心作業(yè)。

取心工具采用長城鉆探工程技術(shù)研究院自行研制的CQY 型鋁合金中筒取心工具，目前已在烏里赫套油氣田完成3 口探井的取心施工作業(yè)，累計(jì)取心進(jìn)尺994.02m，累計(jì)心長977.05m，平均巖心收獲率98.29%，平均單筒進(jìn)尺17.18m。

1 地質(zhì)特征及取心技術(shù)難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)特征

烏里赫套油氣田勘探潛力集中在石炭系KT I 和KT II 油層組，巖性主要為灰?guī)r。該區(qū)井底壓力高、硫化氫氣體含量高，80 年代前蘇聯(lián)在該區(qū)塊鉆井發(fā)生過嚴(yán)重的井噴事故。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

1.2.1 高壓、高礦化度，高酸性氣體，井控風(fēng)險(xiǎn)大。KTI 油層組主要為氣層，井底壓力大，硫化氫含量高，容易對工具造成腐蝕；KTI段上部鹽層溶解和硬石膏吸水膨脹所帶來的井眼失穩(wěn)，以及鹽、石膏對泥漿性能的破壞給鉆井帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 KT II 段取心巖心直徑小，單筒進(jìn)尺長。KT II 油層組在四開之后，井眼尺寸為6 寸井眼，采用的小井眼取心工具所取巖心直徑為66mm，使用中筒取心單筒進(jìn)尺為18m，細(xì)長的巖心容易發(fā)生斷裂和破碎，導(dǎo)致后續(xù)巖心進(jìn)筒困難，從而增大發(fā)生堵心和磨心的幾率，影響收獲率。

1.2.3 周期緊，任務(wù)重。烏里赫套油氣田單井設(shè)計(jì)取心進(jìn)尺400 米，其中KTI 和KTII油層組各取心200 米，共部署取心井6 口，每口井取心周期一個(gè)月。在安全施工并保證收獲率的前提下，實(shí)現(xiàn)快速高效的鉆井取心，成為整個(gè)取心施工項(xiàng)目最大的挑戰(zhàn)。

2 取心工具及鉆頭的選型

2.1 CQY 型取心工具

CQY 型取心工具是長城鉆探工程技術(shù)研究院自行研制的自鎖式取心工具，目前有CQY133 -66A ( 適 用 于6″ 井 眼)、CQY172 -101A、CQY180-105A 和CQY194-115A 等型號，單筒取心進(jìn)尺可達(dá)9m，對接后均可實(shí)現(xiàn)雙筒取心（進(jìn)尺18m） 和長筒取心（進(jìn)尺27m），除使用鋼制內(nèi)筒外，還可使用配套的鋁合金內(nèi)筒及玻璃鋼內(nèi)筒，可根據(jù)地質(zhì)分析要求進(jìn)行整體或定位切割取樣，以便于巖心的保存和運(yùn)輸。

2.2 CQY 型取心工具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.2.1 中長筒取心單筒進(jìn)尺多，純鉆時(shí)間長，軸承的靈活耐用對取心工具的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起著極其重要的作用。CQY 型取心工具采用開放式潤滑懸掛軸承，通過懸掛軸承使內(nèi)筒懸掛于外筒安全接頭，實(shí)現(xiàn)內(nèi)筒和外筒的連接。軸承采用開放式結(jié)構(gòu)，泥漿介質(zhì)可以流過軸承腔對軸承進(jìn)行清洗并對滾珠進(jìn)行潤滑，保證軸承的靈活性，實(shí)現(xiàn)了取心過程中外筒旋轉(zhuǎn)而內(nèi)筒相對靜止的雙筒單動功能。

2.2.2 CQY 型取心工具還具備調(diào)節(jié)內(nèi)筒總成長度和防止內(nèi)筒軸向運(yùn)動的功能，這種功能的實(shí)現(xiàn)得益于心軸的使用。內(nèi)筒通過內(nèi)筒調(diào)長接頭連接到心軸，當(dāng)內(nèi)筒長度不合適時(shí)，固定住內(nèi)筒調(diào)長接頭，轉(zhuǎn)動心軸改變懸掛系統(tǒng)的長度，進(jìn)而調(diào)整內(nèi)筒總長，使鉆頭間隙得到調(diào)整。當(dāng)軸承失靈時(shí)，外筒的旋轉(zhuǎn)會將扭矩傳遞給心軸，可能會使內(nèi)筒和心軸之間發(fā)生軸向位移，導(dǎo)致內(nèi)筒長度的改變。為有效地約束內(nèi)筒的軸向運(yùn)動，在心軸和內(nèi)筒調(diào)長接頭上沿軸向各開了一道半合槽。內(nèi)筒在心軸上的位置調(diào)好后，在半合槽內(nèi)插入止動環(huán)，對緊帽和內(nèi)筒調(diào)長接頭施加正扣扭矩將止動環(huán)壓緊，即可有效地約束內(nèi)管的軸向運(yùn)動，防止內(nèi)筒倒轉(zhuǎn)，同時(shí)也防止止動環(huán)從槽中竄出落入環(huán)隙。

2.2.3 CQY 型取心工具采用上中下三套扶正短節(jié)，可以有效解決施加鉆壓后外筒發(fā)生彎曲的問題，保證取心工具在井下的穩(wěn)定性。與各型取心工具配套的優(yōu)質(zhì)鋁合金內(nèi)筒，內(nèi)壁摩擦系數(shù)小，非常有利于巖心的進(jìn)筒，尤其適于小井眼取心，可以減少巖心在內(nèi)筒中堵卡的幾率。鋁合金內(nèi)筒還具有抗拉強(qiáng)度高，耐腐蝕，易于切割和保存的優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足石炭系中硬及硬地層的取心技術(shù)要求。

2.3 CQY 型取心工具的選型

烏里赫套油氣田KT1 段為215.9mm 井眼，經(jīng)過探討，決定采用CQY194-115A 型鋁合金中筒取心工具在該層位進(jìn)行應(yīng)用。該型取心工具外筒外徑194mm，所取巖心直徑115mm，之所以采用該型取心工具，是因?yàn)槠渌〉?15mm 巖心具有較大的巖心直徑，較105mm 和101mm 巖心更易成型及保持完整；在條件允許的情況下，采用大直徑外筒也可以增加取芯筒的強(qiáng)度，CQY194 -115A 較CQY172-101A、CQY180-105A 型取心工具具有更強(qiáng)的抗拉和抗扭強(qiáng)度，提高了鉆井安全系數(shù)。

石炭系KTII 取心段為152.4mm 井眼，采用CQY133-66A 小井眼鋁合金中筒取心工具，該型取心工具外筒外徑133mm，巖心直徑66mm。其與CQY194-115A 型取心工具均具有20mm 的超級厚壁優(yōu)質(zhì)合金鋼外筒，是專為深井硬地層做出的高強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

2.4 取心鉆頭的選型

烏里赫套石炭系主要為灰?guī)r地層。從地震剖面圖可以分析出地層產(chǎn)狀平緩，KT1 油層組開始取心之前鉆時(shí)較快，從地質(zhì)所撈巖屑來看，灰質(zhì)含量較高，白云質(zhì)和泥質(zhì)含量少，可鉆性好，質(zhì)地均勻，據(jù)此選用布齒密度小、切削齒尺寸大、直通水眼的TKS 型6 翼刮刀式PDC 取心鉆頭。該型取心鉆頭的內(nèi)部增加了扶正結(jié)構(gòu)，使內(nèi)筒和鉆頭的軸線重合，減少了徑向偏差；在鉆頭的內(nèi)外側(cè)嵌裝柱狀熱穩(wěn)金剛石保徑齒，減少鉆頭內(nèi)外徑的磨損，從而加大了內(nèi)筒和鉆頭工作的穩(wěn)定性。

3 取心技術(shù)措施

3.1 準(zhǔn)備工作及要求

下鉆前要量取并調(diào)整鉆頭內(nèi)臺肩與卡箍座下端面的軸向間隙，正常間隙在8～13mm范圍之間。第一次取心作業(yè)下鉆之前必須對所有下井鉆具進(jìn)行通徑，所有鉆具必須能夠順利通過直徑為30mm 的鋼球。鉆鋌及加重鉆桿總重量應(yīng)不少于120 看kN。取心鉆頭下鉆到底后開泵循環(huán)一個(gè)遲到時(shí)間，將內(nèi)筒及井底異物沖洗干凈后投球，鋼球到底后泥漿改走內(nèi)外筒環(huán)空，泵壓略微升高，方可取心鉆進(jìn)。

表1 CQY 型取心工具現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 取心鉆進(jìn)參數(shù)

針對石炭系灰?guī)r地層可鉆性及膠結(jié)性較好的特點(diǎn)，從保護(hù)巖心和鉆井安全的角度，制定了低轉(zhuǎn)速、小鉆壓的取心技術(shù)方案。這樣可以減少巖心筒在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的離心力，降低取心工具承受的扭矩，提高安全系數(shù)。具體操作措施為：

3.2.1 在準(zhǔn)備工作做好以后，校準(zhǔn)指重表，鉆頭離井底一米左右時(shí)開泵（CQY194-115A 排量為18-24 L/s，CQY133-66A 排量為10-16 L/s），啟動轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60～70r/min，慢慢下放鉆具，以5-10kN 的鉆壓接觸井底，然后緩慢加壓到20kN。以20kN 鉆壓鉆進(jìn)0.3m 后，逐漸將鉆壓調(diào)整到30-50kN。鉆遇軟硬交錯(cuò)地層時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整鉆壓。打完進(jìn)尺后，剎住剎把，靜壓磨心，等鉆壓基本回零后，緩慢上提鉆具，靠內(nèi)筒底部卡箍座的限位作用迫使卡箍巖心爪抱死巖心將其拔斷。

3.2.2 起鉆過程中，要嚴(yán)格控制起鉆速度，在油氣層起下鉆速度不高于0.3 m/s，在裸眼井段不高于0.5m/s，在技術(shù)套管起下鉆速度極限0.6-0.8m/s。起鉆時(shí)，每起1 柱灌一次泥漿并在起下鉆時(shí)觀察井口泥漿返出的情況,預(yù)防抽吸引起井噴。

3.3 井下情況判斷原則

3.3.1 鉆頭剛接觸井底就有蹩跳現(xiàn)象，鉆壓增大而機(jī)械鉆速不隨之變快、泵壓也不增加，表示井底不干凈，不能取心。

3.3.2 在取心過程中如果進(jìn)尺明顯變慢，泵壓略有下降，可剎住滾筒，停止送鉆，觀察鉆時(shí)。若5 分鐘鉆壓不下降，說明巖心在內(nèi)筒中堵卡，應(yīng)盡快起鉆。如果鉆時(shí)變長，泵壓無變化，且伴有蹩跳現(xiàn)象，說明地層巖性發(fā)生變化，可繼續(xù)鉆進(jìn)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

通過使用CQY194 -115A 和CQY133 -66A 型取心工具，先后在烏里赫套油氣田完成了y-1、y-2、y-3 三口井的取心施工任務(wù)。累計(jì)取心進(jìn)尺994.02m，累計(jì)心長977.05m，平均巖心收獲率達(dá)到98.29%。由于取心技術(shù)措施合理、取心鉆頭選擇恰當(dāng)，大大縮短了鉆井周期，達(dá)到了甲方的要求，取心數(shù)據(jù)詳見表1。

5 結(jié)論與建議

5.1 長城鉆探工程技術(shù)研究院自行研制與開發(fā)的CQY 型取心工具具有結(jié)構(gòu)簡單，靈活性強(qiáng)，技術(shù)成熟、安全系數(shù)高的一系列優(yōu)點(diǎn)。通過優(yōu)選高強(qiáng)度取心工具，有效克服了烏里赫套油田石炭系井底壓力高，硫化氫含量高的鉆井難點(diǎn)。通過優(yōu)選取心鉆頭，制定合理的技術(shù)措施，快速高效的完成了烏里赫套油田前期石炭系大井段取心的任務(wù)，累計(jì)進(jìn)尺994.02m，平均收獲率達(dá)到98.29%。

5.2 CQY133-66A 型取心工具使用配套的優(yōu)質(zhì)鋁合金內(nèi)筒，內(nèi)壁摩擦阻力小，抗拉強(qiáng)度高，完全滿足石炭系小井眼中筒取心的技術(shù)要求，并具有易于切割和保存的優(yōu)點(diǎn)。長城鉆探公司已相繼與哈薩克斯坦國家石油公司，里海石油公司等各大石油公司簽署取心合作協(xié)議，使鋁合金中筒取心技術(shù)在該地區(qū)得到了成功的推廣應(yīng)用。

5.3 TKS 型6 翼刮刀式PDC 取心鉆頭對石炭系灰質(zhì)及白云質(zhì)灰?guī)r地層均具有很好的適應(yīng)性，平均每米鉆時(shí)15-25min。在y-1、y-2井使用的直通式水眼鉆頭，可以有效防止泥漿沖蝕巖心，但是對于巖心表面的巖屑清理效果欠佳，在較為疏松的地層出現(xiàn)了堵心現(xiàn)象。為解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)人員在鉆頭內(nèi)壁加開6 道水槽，縮短鉆頭內(nèi)壁與巖心接觸面的長度，并在y-3 井的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中取得了預(yù)期的效果，23 筒取心當(dāng)中僅有一筒因鉆遇泥巖發(fā)生堵心，有效解決了因泥漿不能及時(shí)清理巖屑而造成堵卡的問題。

5.4 通過在烏里赫套油氣田y-1、y-2、y-3 井的現(xiàn)場應(yīng)用取得的經(jīng)驗(yàn)，建議在即將進(jìn)行施工的y-4 井使用帶有內(nèi)腔水槽的PDC取心鉆頭進(jìn)行長筒取心技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速和單筒進(jìn)尺，節(jié)約鉆井成本。

[1]朱永宜. KZ 型單動雙管取心鉆具的研制與應(yīng)用.石油鉆探技術(shù)[J].2006.(34)3:20-22.

[2]劉志合，謝桂芳，王衛(wèi).SLYb-8100 型取心工具的研制與現(xiàn)場試驗(yàn)[J]. 石油機(jī)械,2002.（30）11:30-31.