潛山地層欠平衡取心技術(shù)在乍得H區(qū)的應(yīng)用

王俊明

(中油長城鉆探工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

引 言

H區(qū)是中石油乍得項(xiàng)目部的重點(diǎn)區(qū)塊之一，該區(qū)塊設(shè)計(jì)取心總進(jìn)尺為245 m。乍得H區(qū)潛山地層埋藏淺，地層壓力系數(shù)低，裂縫發(fā)育程度高，導(dǎo)致鉆井液安全密度窗口窄，三開初期井眼內(nèi)涌入大量原油。為了減少鉆井過程中對地層的傷害，最大限度地保護(hù)油氣層，有效提高鉆速和降低成本，決定在該區(qū)塊采取欠平衡鉆井。欠平衡鉆井對于取心施工的影響是雙重的:一方面欠平衡鉆井有利于提高取心的機(jī)械鉆速，延長取心鉆頭的使用壽命，獲得的巖心也更完整地保留了地層的原始數(shù)據(jù)，為分析地層的物理特性提供了更準(zhǔn)確的地質(zhì)資料;另一方面欠平衡鉆井為取心施工帶來了新的困難。針對乍得地區(qū)潛山地層物性特點(diǎn)，開發(fā)了適用于潛山地層的欠平衡鉆井取心工具。

1 主要技術(shù)難點(diǎn)

(1)欠平衡內(nèi)防噴裝置影響投球操作。由于在欠平衡鉆井中，鉆具內(nèi)都裝有內(nèi)防噴裝置(鉆具止回閥、旁通閥)，受其影響，不能像常規(guī)取心工具一樣在取心前進(jìn)行投球，必須在常規(guī)取心工具基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。

(2)潛山地層可鉆性差。潛山地層主要為中、酸性侵入巖，巖性堅(jiān)硬，可鉆性差，鄰井取心單筒進(jìn)尺不超過4 m鉆頭磨損就非常嚴(yán)重，機(jī)械鉆速迅速降低，最后只能割心起鉆。

(3)潛山地層裂縫發(fā)育。根據(jù)潛山巖性發(fā)育特征，中、酸性侵入巖屬于較好的儲(chǔ)集巖，有利于裂縫發(fā)育，即潛山地層為破碎地層，巖心散碎，成柱性差。取心鉆進(jìn)過程中，破碎的巖心進(jìn)入到巖心與內(nèi)筒環(huán)形空間內(nèi)，增加后續(xù)巖心進(jìn)筒阻力，當(dāng)阻力增大到一定程度時(shí)，機(jī)械鉆速迅速降低，巖心無法進(jìn)入內(nèi)筒或破碎流失。

2 取心工具改進(jìn)

2.1 工具結(jié)構(gòu)

由于欠平衡鉆井取心的特殊性以及乍得H區(qū)塊的地質(zhì)特性，原有的常規(guī)取心工具已經(jīng)不能滿足取心施工的需要。通過分析總結(jié)鄰井取心的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對原有的CQY172-101取心工具做了改進(jìn)，形成了適用于欠平衡取心的新型取心工具——CQY172-101-QPH取心工具。該取心工具全長為10.35 m，單筒可取9.2 m巖心，巖心直徑為101 mm。新欠平衡取心工具主要由安全接頭、示壓報(bào)警裝置、投球接頭、旋轉(zhuǎn)總成、內(nèi)筒、外筒、扶正器、防堵心襯管、巖心爪、取心鉆頭等組成(圖1)。

圖1 欠平衡取心工具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 欠平衡投球接頭

采用自行研發(fā)的欠平衡投球接頭[1-3]成功解決了欠平衡取心無法投球的問題。欠平衡投球接頭主要由彈簧、投球控制器、小球和球座組成(圖2)。其工作原理為:取心鉆進(jìn)前調(diào)整排量，使得泵壓上升到一定程度，觸發(fā)欠平衡投球接頭的投球開關(guān)，使小球滾落，封閉內(nèi)筒，鉆井液從分流通道流入內(nèi)外筒環(huán)空。

圖2 投球接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 防堵心襯管

針對潛山地層易堵心的情況，設(shè)計(jì)了防堵心襯管[4-6]，防堵心襯管在破碎地層取心有特殊的作用，可承受2次堵心而不需要起鉆。將雙層鋁合金襯管用銷釘固定在取心內(nèi)筒下部，根據(jù)乍得H區(qū)潛山地層性質(zhì)，內(nèi)層襯管用6根銷釘固定，外層襯管用8根銷釘固定。當(dāng)發(fā)生堵心時(shí)，內(nèi)襯管受力達(dá)到一定程度時(shí)，銷釘剪斷，巖心及內(nèi)襯管上行，新形成的巖心進(jìn)入外襯管內(nèi)部。再次發(fā)生堵心時(shí)，外層襯管銷釘剪斷，雙層襯管同時(shí)上行。相對于常規(guī)取心工具，防堵心襯管大幅增加了易堵心地層的單筒進(jìn)尺，節(jié)省了起下鉆時(shí)間，也在一定程度上提高了取心收獲率。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 防堵心襯管結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 示壓報(bào)警裝置

如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)第3次堵心，則容易發(fā)生磨心，使巖心丟失，因此設(shè)計(jì)了示壓報(bào)警裝置[7-8]。示壓報(bào)警裝置是一種發(fā)現(xiàn)堵心和避免巖心損失的取心輔助設(shè)備，主要由阻流塊、銷釘和剪切活塞組成(圖4)。當(dāng)防堵心襯管失效后，發(fā)生第3次堵心時(shí)，取心內(nèi)筒受力迅速增加，剪切活塞上行，剪斷銷釘，使阻流塊彈出，從而使泵壓升高，取心工程師根據(jù)泵壓信號決定停止取心作業(yè)，割心起鉆。

圖4 示壓報(bào)警器結(jié)構(gòu)示意圖

3 潛山地層專用鉆頭的研制

乍得H區(qū)潛山地層多為花崗巖，質(zhì)地極其堅(jiān)硬，普通PDC取心鉆頭單筒進(jìn)尺都在4 m以下，使用孕鑲或表鑲鉆頭會(huì)大大降低機(jī)械鉆速，進(jìn)而影響取心收獲率。因此，專門研制了適用于潛山地層的QS215-101PDC 取心鉆頭[9-10](圖5)。

圖5 取心鉆頭

QS215-101取心鉆頭外徑為215.9 mm，內(nèi)徑為101.0 mm。其特點(diǎn)如下。

(1)減少切削齒數(shù)量，增加切削深度，采用優(yōu)質(zhì)復(fù)合硬質(zhì)合金作為切削齒，提高機(jī)械鉆速。

(2)改變原有切削齒布置方法，使其成為自扶式取心鉆頭。

(3)為增加穩(wěn)定性，使井眼和巖心規(guī)則，用鑲裝齊平的硬質(zhì)合金作低摩擦保徑齒。

該取心鉆頭相對于普通取心鉆頭不但機(jī)械鉆速有所增加，而且持久力更強(qiáng)，完全能滿足單筒9 m以上進(jìn)尺的要求(表1)。

由表1可知，使用潛山專用PDC鉆頭后，機(jī)械鉆速、取心收獲率和鉆頭壽命都有大幅增加。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 取心施工的技術(shù)措施

(1)為保證取心過程中鉆井設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，取心前需要對鉆井設(shè)備及儀表進(jìn)行檢修保養(yǎng)。

表1 PDC鉆頭使用效果

(2)取心前認(rèn)真檢查欠平衡取心工具，著重檢查投球接頭、防堵心襯管及示壓報(bào)警裝置。

(3)下鉆至全封閘板上部，迅速打開全封閘板，接入鉆具下鉆，下鉆操作要平穩(wěn)，禁止用取心鉆頭劃眼或強(qiáng)行下鉆。下鉆至井底開泵循環(huán)清洗井底，校正指重表和方入。

(4)取心鉆進(jìn)前使用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速引心，引心30 cm后逐漸加壓至設(shè)計(jì)鉆壓鉆進(jìn)，注意控制機(jī)械鉆速。

(5)取心鉆進(jìn)期間保證不倒泵、不停泵、不停轉(zhuǎn)盤、鉆頭不提離井底。取心鉆進(jìn)過程中要注意泵壓及機(jī)械鉆速的變化，判斷是否發(fā)生堵心、卡心和磨心。

(6)割心位置最好選在成柱性好，比較堅(jiān)硬的地層。

(7)起鉆要求平穩(wěn)操作，輕提，輕放，慢卸，禁止轉(zhuǎn)盤卸扣，起出取心工具時(shí)，要迅速關(guān)閉全封。

4.2 鉆井參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)潛山地層堅(jiān)硬、破碎、可鉆性差的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“二低一適當(dāng)”的鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選方案。

(1)低鉆壓。既可以使取心筒在井底保持良好的穩(wěn)定性，避免堵心、卡心等影響收獲率的情況出現(xiàn)，又可以控制機(jī)械鉆速，防止垮塌卡鉆的發(fā)生，保證取心鉆進(jìn)安全。

(2)低排量。為了減小泥漿對巖心的沖蝕，在不影響井下安全的前提下選用盡量小的排量。

(3)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速:取心鉆頭在適當(dāng)轉(zhuǎn)速下工作既有利于保護(hù)巖心，又可以保證適當(dāng)?shù)臋C(jī)械鉆速。

為了滿足上述要求，取心選用的鉆進(jìn)參數(shù)為:鉆壓為20～50 kN;轉(zhuǎn)速為65 r/min;排量為20 L/s。

4.3 應(yīng)用效果

采用CQY172-101-QPH型取心工具在乍得H區(qū)塊現(xiàn)場取心進(jìn)尺245.00 m，心長為232.88 m，平均巖心收獲率為95.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過甲方要求的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(收獲率為60.0%)。由于采用了欠平衡取心鉆進(jìn)技術(shù)并使用了新型潛山專用鉆頭，取心機(jī)械鉆速大大增加(表2)。

表2 H區(qū)各井取心數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(1)研制的CQY172-101-QPH型取心工具在乍得H區(qū)塊得到了成功應(yīng)用，不僅為油藏開發(fā)提供了可靠的巖心資料，而且為乍得H區(qū)塊進(jìn)行潛山地層欠平衡取心施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

(2)設(shè)計(jì)特殊地層的專用鉆頭，能有效地提高機(jī)械鉆速和巖心收獲率，縮短鉆井周期，降低生產(chǎn)成本。

(3)采用調(diào)節(jié)泥漿泵排量加壓釋放鋼球的原理研制了欠平衡投球接頭，打破了井口投球的局限。根據(jù)堵心時(shí)內(nèi)筒所受向上摩擦力轉(zhuǎn)化為剪切力的原理，設(shè)計(jì)了防堵心系統(tǒng)。

[1]Salman Zahid，Asif Khan.Applications of state of the art anti-jam coring system-a case atudy[C].SPE156208，2011:1-9.

[2]許俊良，宋淑玲，成偉.國外鉆井取心新技術(shù)二[J].石油機(jī)械，2000，28(10):53-57.

[3]陳平.鉆井與完井工程[M].北京:石油工業(yè)出版社，2005:112-114.

[4]陳曉彬.欠平衡鉆井取心技術(shù)在四川的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2010，33(5):118-119.

[5]劉清友，楊啟明，何霞，等.旋轉(zhuǎn)控制頭密封裝置研究[J]. 西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27(3):64-68.

[6]王宇.遼河古潛山欠平衡鉆井技術(shù)的應(yīng)用[J].特種油氣藏，2004，11(S0):61-64.

[7]李曉光，劉寶鴻，蔡國鋼.遼河坳陷變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕油藏成因分析[J]. 特種油氣藏，2009，16(4):1-5.

[8]周英操，高德利.欠平衡鉆井技術(shù)在大慶油田探井中的應(yīng)用[J]. 石油鉆采工藝，2009，24(4):118-121.

[9]劉乃震，朱世和，趙會(huì)民，等.遼河斷陷灘海區(qū)海月潛山帶地層關(guān)系與時(shí)代探討[J].中國地質(zhì)，2011，38(3):553-559.

[10]穆慶山.淺談欠平衡鉆井的工藝技術(shù)[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，22(7):218-219.