薩哈林 NV3 井長筒取心技術(shù)

王建寧， 劉 暢， 艾中華， 沈海超， 陳保華， 萬州亮

(中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029)

王建寧， 劉 暢， 艾中華， 沈海超， 陳保華， 萬州亮

(中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029)

NV-3 井所在區(qū)塊屬于亞極地海洋環(huán)境，年鉆井時(shí)間窗口十分狹窄。該井在取心鉆井時(shí)，面臨取心段長、時(shí)間緊等困難。為提高 NV-3 井的取心作業(yè)效率、縮短取心作業(yè)時(shí)間，根據(jù)該井所處地層的實(shí)際地質(zhì)特點(diǎn)，制訂了長筒取心作業(yè)方案，優(yōu)選了取心鉆頭、巖心爪、取心筒等關(guān)鍵工具和裝置，設(shè)計(jì)了取心筒組合方式，提出了能保證施工安全的關(guān)鍵技術(shù)措施，建立了取心內(nèi)筒倒旋圈數(shù)和鉆具安全提升高度計(jì)算公式。應(yīng)用表明，建立的計(jì)算公式符合實(shí)際情況，選擇的長筒取心工具和采用的技術(shù)措施效果良好，取心平均機(jī)械鉆速達(dá)到8.4 m/h，平均巖心收獲率達(dá)到99.9%。這說明，長筒取心技術(shù)可有效克服亞極地海域時(shí)間窗口狹窄的束縛，能顯著提高取心效率。

長筒取心 鉆井 亞極地 NV-3井 薩哈林

NV-3井位于俄羅斯薩哈林島大陸架維寧區(qū)塊。該區(qū)塊屬于亞極地高寒海洋環(huán)境，每年作業(yè)期僅3個(gè)月，作業(yè)窗口十分狹窄[1-2]。NV-3井是該區(qū)塊勘探期的最后一口探井，其取心段較長，常規(guī)取心作業(yè)難以滿足要求，宜采用長筒取心技術(shù)。但截至目前，國內(nèi)外專家對長筒取心技術(shù)的研究都有很強(qiáng)的針對性，現(xiàn)有技術(shù)都不太符合該區(qū)塊的地質(zhì)情況，如在內(nèi)筒懸掛絲扣倒旋圈數(shù)方面缺乏對溫度的考慮，對中途接立柱也無具體上提高度的計(jì)算。為此，筆者結(jié)合該區(qū)塊的實(shí)際情況，通過優(yōu)選長筒取心鉆具、制訂詳細(xì)施工方案、建立內(nèi)筒倒旋圈數(shù)和鉆桿上提高度的計(jì)算公式等措施來提高取心作業(yè)效率，確保 NV-3井取心作業(yè)按期順利完成，收獲巖心112.50 m，平均巖心收獲率99.9%。

1 NV-3 井概況及取心技術(shù)難點(diǎn)

1.1 基本情況

NV-3 井所在水深24.00 m，設(shè)計(jì)井深3 832.00 m，垂深3 691.00 m，最大井斜角21.5°，為避開淺氣層，該井井眼軌道設(shè)計(jì)為“J”形。該井設(shè)計(jì)在3個(gè)層段進(jìn)行取心(見表1)，計(jì)劃取心236.00 m。

NV-3 井的取心層段以致密性泥質(zhì)砂巖為主，地層研磨性強(qiáng),且有泥質(zhì)粉砂巖硬質(zhì)夾層和礫石夾層。設(shè)計(jì)要求取心作業(yè)用時(shí)不超過20.7 d，巖心收獲率在97%以上,并做到卡準(zhǔn)層位完成“穿鞋戴帽”。

1.2 取心技術(shù)難點(diǎn)

常規(guī)取心作業(yè)每次只能取心鉆進(jìn)18.00 m，導(dǎo)致整體作業(yè)耗時(shí)超過設(shè)計(jì)時(shí)間，因此不適合在NV-3井使用。長筒取心作業(yè)每次取心鉆進(jìn)50.00～60.00 m，取心效率是常規(guī)取心技術(shù)的2.5～3.0倍，且更有利于保持巖心的原始狀態(tài)[3]。因此，長筒取心技術(shù)是NV-3井的首選。

但對于NV-3井，長筒取心技術(shù)也面臨如下難點(diǎn)：1)如何在泥質(zhì)粉砂巖硬質(zhì)夾層和礫石夾層中避免鉆頭崩齒或磨損；2)如何避免堵心，并保證超長巖心柱安全承托；3)如何保證井下鉆具活動(dòng)自由，避免變形卡鉆；4)如何精確控制下鉆時(shí)內(nèi)筒懸掛絲扣的倒旋圈數(shù)和接立柱時(shí)鉆具的安全上提高度。

要解決上述技術(shù)難點(diǎn)，保證該井順利完成取心作業(yè)任務(wù)，就必須做好取心工具的優(yōu)選、關(guān)鍵技術(shù)措施的制訂和相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算等工作。

2 取心工具及關(guān)鍵技術(shù)措施

2.1 主要取心工具

NV-3 井長筒取心作業(yè)中要用到的主要工具有取心鉆頭、巖心爪、取心內(nèi)筒、取心外筒和懸掛裝置等。

2.1.1 取心鉆頭

根據(jù)已建立的地層可鉆性剖面，NV-3井取心段地層以致密性泥質(zhì)砂巖為主，研磨性較強(qiáng)且具有泥質(zhì)粉砂巖硬質(zhì)夾層和礫石夾層,硬度為5.5左右，屬于中硬地層。據(jù)此，優(yōu)選了FC3743型七刀翼PDC取心鉆頭，如圖1所示。該鉆頭外徑215.9 mm，內(nèi)徑101.6 mm，通高370.0 mm。

選擇FC3743型七刀翼PDC取心鉆頭的原因是：鉆頭冠狀切削齒尺寸適中，強(qiáng)度高，吃入地層能力強(qiáng)，相比于普通PDC鉆頭機(jī)械鉆速可提高25%以上；對硬質(zhì)夾層和礫石夾層也有很強(qiáng)的適應(yīng)能力；鉆頭使用螺旋形保徑齒，可以改善鉆頭受力狀態(tài)，從而有更好的保徑作用；鉆頭噴嘴稍稍向外，可避免鉆井液沖蝕巖心，提高了巖心的保真性，同時(shí)也有利于攪動(dòng)巖屑上返。

2.1.2 巖心爪

巖心爪用于卡住并割斷巖心、在起鉆時(shí)承托已割取的巖心柱。長筒取心時(shí)巖心柱長達(dá)50.00 m以上，因此要求巖心爪有足夠的強(qiáng)度。NV-3 井選用了新式EXC型卡箍巖心爪。該巖心爪內(nèi)敷焊有22片由20～30目鑄造碳化鎢顆粒制成的摩擦條,來增大摩擦系數(shù)以承托超長巖心柱。巖心爪和縮徑套配合錐面的錐度為1∶5。巖心爪在自由狀態(tài)時(shí)內(nèi)徑比巖心直徑小2 mm左右。EXC型卡箍巖心爪和縮徑套的配合如圖2所示。

2.1.3 取心筒

NV-3 井選用了 HD-XO 型取心外筒。該取心外筒采用35CrMo合金鋼制成，外徑171.45 mm，內(nèi)徑136.53 mm，單根長7.92 m。選擇該外筒的原因是：強(qiáng)度高，不易變形，對內(nèi)筒的保護(hù)效果好，兩端帶有重型螺紋，便于在硬質(zhì)夾層和礫石夾層增加鉆壓和扭矩。

NV-3 井選用了鋁合金取心內(nèi)筒。該取心內(nèi)筒外徑120.65 mm，內(nèi)徑107.95 mm，單根長度9.14 m。該內(nèi)筒具有材質(zhì)輕、強(qiáng)度好和易切割等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.4 懸掛裝置

常規(guī)取心懸掛裝置在調(diào)節(jié)內(nèi)外筒相對長度時(shí)，需要卸開安全接頭增減墊圈來調(diào)節(jié)。為了提高作業(yè)效率，NV-3井選用了新型懸掛裝置。該裝置上部通過絲扣連接在安全接頭內(nèi)部，調(diào)整內(nèi)外筒相對長度時(shí)僅需旋轉(zhuǎn)這一絲扣即可。安全接頭和懸掛總成如圖3所示。

在NV-3井取心作業(yè)時(shí)，控制內(nèi)筒使其距離鉆頭內(nèi)腔上沿約15 mm，操作時(shí)先旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒到底，然后計(jì)算倒旋圈數(shù)，并進(jìn)行倒旋。計(jì)算公式為：

(1)

式中：N為取心內(nèi)筒倒旋圈數(shù)；αAl為鋁合金線彈性系數(shù)，取值23.6×10-6/℃[4]；αFe為鉆具鋼材線彈性系數(shù)，取值11.8×10-6/℃；Tf為油藏溫度，℃；Ts為地表溫度，℃；Lin為鋁合金內(nèi)筒總長，m；ΔG為取心鉆進(jìn)時(shí)內(nèi)筒和鉆頭的預(yù)留間隙，mm；ΔA為調(diào)整螺紋的螺距，mm。

2.1.5 巖心箝和巖心車

NV-3井長筒取心中選用的巖心箝如圖4所示。巖心箝是長筒取心的必備工具，在巖心出井時(shí)，起到分割內(nèi)筒并封堵筒內(nèi)巖心的作用。

由于 NV-3 井選用的巖心內(nèi)筒為鋁合金材質(zhì)，筒體相對較軟，所以內(nèi)筒在井口分割后，如果采用常規(guī)方法甩下鉆臺容易破壞巖心[5]。為此，專門設(shè)計(jì)了巖心車來保護(hù)巖心。巖心車長10.5 m，鋼制槽體，內(nèi)寬120 mm，槽深100 mm，壁厚8 mm，下端安裝有滑輪以便于在甲板上移動(dòng)。

2.2 取心筒組合方式

為避免長筒取心鉆具在井下彎曲，從而造成巖心破壞或卡鉆事故， NV-3 井取心作業(yè)時(shí)，在每根取心外筒上均安放1只穩(wěn)定器。穩(wěn)定器的使用從整體上增加了鉆具的強(qiáng)度，提高了鉆具的居中度，減小了鉆頭的側(cè)向力，有利于在21.5°左右井斜角情況下穩(wěn)斜鉆進(jìn)。穩(wěn)定器外徑215.1 mm，單只長度1.22 m。取心筒配合穩(wěn)定器組合序列如圖5所示(本例為6節(jié)取心筒)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)措施

NV-3井應(yīng)用一次6筒的長筒取心技術(shù)，這在薩哈林島維寧區(qū)塊還是第一次，無經(jīng)驗(yàn)可借鑒。經(jīng)過論證和計(jì)算，制訂了具體的技術(shù)措施，主要從技術(shù)準(zhǔn)備、取心下鉆、鉆進(jìn)作業(yè)、中途接立柱、割心起鉆等幾方面入手,保證 NV-3 井長筒取心作業(yè)順利進(jìn)行。

2.3.1 技術(shù)準(zhǔn)備

NV-3 井取心作業(yè)的主要準(zhǔn)備工作為：檢查內(nèi)、外取心筒和巖心爪的完整性；對所有鉆具進(jìn)行通徑；合理安排方余，以盡量減少取心過程中接立柱的次數(shù)。

2.3.2 取心下鉆

NV-3 井取心下鉆注意事項(xiàng)：1)在下鉆途中必須分段循環(huán)，防止鉆井液常時(shí)間靜止變稠，憋漏地層甚至憋爆內(nèi)筒[6]；2)取心鉆具通過套管鞋時(shí)應(yīng)控制下入速度在0.1 m/s左右,且不能旋轉(zhuǎn),以防止附近的水泥塊脫落；3)裸眼段遇阻時(shí)不能劃眼，應(yīng)下入常規(guī)鉆頭進(jìn)行通井；4)裸眼段下鉆速度應(yīng)控制在0.3～0.5 m/s，以防止壓力激動(dòng)。

2.3.3 鉆進(jìn)作業(yè)

取心鉆進(jìn)中要均勻送鉆，無特殊情況下不停泵、不停轉(zhuǎn)、鉆頭不提離井底。鉆進(jìn)過程中密切注意泵壓變化，如出現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)割心起鉆[7]。

2.3.4 中途接立柱

在 NV-3 井長筒取心過程中，如何做到井口接立柱后繼續(xù)鉆進(jìn)而不拔斷巖心或?qū)ζ湓斐蓚κ茄芯康闹攸c(diǎn)。為此，提出了接單根時(shí)鉆具安全提升最大高度的概念，其目的是確認(rèn)從正常鉆壓到鉆具自由懸重時(shí)可實(shí)現(xiàn)的最大上提距離，以此確定能否完成坐卡瓦接立柱作業(yè)。鉆具安全提升最大高度的計(jì)算式為：

(2)

式中：ΔL為鉆具安全提升最大高度，m；F為正常取心時(shí)的鉆壓，N；E為鉆具材料的彈性模量，此處取2.08×1011Pa[8]；L1為井內(nèi)鉆桿本體總長，m；S1為鉆桿本體橫截面面積，m2；L2為井內(nèi)鉆桿接頭總長，m；S2為鉆桿接頭橫截面面積，m2；L3為井內(nèi)加重鉆桿本體總長，m；S3為加重鉆桿本體橫截面面積，m2；L4為井內(nèi)加重鉆桿接頭總長，m；S4為加重鉆桿接頭橫截面面積，m2；L5為井內(nèi)鉆鋌總長，m；S5為鉆鋌橫截面面積，m2；K為安全系數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中取值0.8。

經(jīng)計(jì)算，在75 kN鉆壓下， NV-3 井首層取心鉆進(jìn)時(shí)安全上提最大高度為22.0 cm，最后一次取心時(shí)安全上提最大高度為25.6 cm。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐，在精細(xì)操作情況下，坐卡瓦的條件為鉆具上下活動(dòng)15.0 cm，在上述2個(gè)安全上提高度之內(nèi)，正常操作可確保巖心的完整性。

2.3.5 割心起鉆

取心鉆至預(yù)定井深后必須注稠漿，將井下徹底循環(huán)干凈,以免起鉆時(shí)巖屑下行造成卡鉆。割心后上提鉆具4.0～9.0 m，然后緩慢下放至離井底約0.5 m，驗(yàn)證有無掉心，但不能觸底,以防頂松巖心爪。起鉆過程中，無特殊情況不能旋轉(zhuǎn)鉆具,以防巖心落井。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

根據(jù)實(shí)鉆地質(zhì)需要，NV-3 井最終在1個(gè)層位(屬于上達(dá)吉組)取心，井眼直徑215.9 mm，取心工具連續(xù)下井3次，共取心鉆進(jìn)112.60 m，收獲巖心112.50 m，平均巖心收獲率為99.9%,取得很好的效果。3次取心數(shù)據(jù)見表2。

為驗(yàn)證技術(shù)可靠性，第一次取心僅下井5節(jié)取心筒(設(shè)計(jì)最多為6節(jié))，平均井斜角21.6°。取心鉆具組合為：φ215.9 mm取心鉆頭+φ171.45 mm取心筒組合+φ171.45 mm安全接頭組合+φ165.1 mm鉆鋌+震擊器+φ165.1 mm鉆鋌+φ139.7 mm加重鉆桿+φ139.7 mm鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓20～80 kN，排量12～25 L/s，轉(zhuǎn)速50～90 r/min。鉆井液密度1.23 kg/L，漏斗黏度54 s，API濾失量4.8 mL。該段頂部3.5 m以泥巖為主，之后過渡為泥質(zhì)砂巖和砂巖，地層壓實(shí)性強(qiáng),但該次取心成功取到蓋層和儲(chǔ)層的過渡段巖心，且?guī)r心收獲率達(dá)到99.8%,平均機(jī)械鉆速達(dá)到7.0 m/h。

在第一次成功取心的基礎(chǔ)上，第二次取心時(shí)取心筒增加為6節(jié)，取心層段以粉砂巖、砂巖為主，夾雜有礫巖層，井斜角為21.3°。雖然地層可鉆性較差，但取心成功率達(dá)到100%，且平均機(jī)械鉆速高達(dá)11.0 m/h，表明FC3743型七刀翼PDC取心鉆頭適合在礫石夾層中快速鉆進(jìn)。

根據(jù)氣測顯示和實(shí)際錄井結(jié)果，第三次取心在鉆進(jìn)2節(jié)之后認(rèn)為已鉆穿儲(chǔ)層，隨即決定起鉆。第三次取心層段以粉砂巖為主，下部為泥巖,井斜角為21.5°。該次取心鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)和鉆井液性能與前兩次相似，巖心收獲率100%,平均機(jī)械鉆速6.5 m/h。

現(xiàn)場應(yīng)用表明，長筒取心技術(shù)在 NV-3 井的應(yīng)用形成了“一高兩降”的技術(shù)特色，“一高”指平均巖心收獲率高達(dá)99.9%，“兩降”指降低了取心作業(yè)時(shí)間、降低了綜合作業(yè)成本。

4 結(jié)論及建議

1) FC3743型七刀翼PDC取心鉆頭對砂巖、泥巖和礫巖地層都有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并能保持較高的機(jī)械鉆速。

2) 在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)長筒取心技術(shù)的特點(diǎn)和地層情況提前制訂技術(shù)措施、優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)；作業(yè)過程中，要嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)規(guī)范和既定技術(shù)措施，不能猛提猛放，以防止井下抽汲、激動(dòng)和卡鉆，確保井下安全。

3) 建立的取心內(nèi)筒倒旋圈數(shù)和接立柱時(shí)鉆具安全上提最大高度的公式符合實(shí)際情況，成功指導(dǎo)了現(xiàn)場實(shí)踐。

4) 長筒取心技術(shù)非常適合在鉆井作業(yè)時(shí)間窗口狹窄的亞極地海域使用，對于其他海上地區(qū)和深井取心也有借鑒作用。

References

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[編輯 令文學(xué)]

Long Barrel Coring Technology for the Well NV-3 in SakhaLin Island

Wang Jianning, Liu Chang, Ai Zhonghua, Shen Haichao, Chen Baohua, Wan Zhouliang

(SinopecInternationalPetroleumExplorationandProductionCorporation,Beijing, 100029,China)

Well NV-3 is on the shelf of Sakhalin Island, Russia,a location characterized by a sub-Arctic offshore climate. Every year the drilling time window is very short due to the harsh conditions. Here the coring duration must be as short as possible. In order to improve the coring efficiency and reduce the coring time of Well NV-3, the long barrel coring technology was used based on the geological features of relevant formation. Under this scheme, key tools were selected, including coring bit, core catcher and coring barrel, to form an optimal coring barrel assembly. Further, key technical measures were proposed for ensuring the operation safety. Moreover, the formulas were established to calculate the number of reverse cycles and the safe lifting height of drill tools. Practical applications showed that the formulas were satisfactory to the practical conditions, and both the coring barrel assembly and technical measures were efficient, contributing average ROP of 8.4 m/h in coring operation and the recovery rate of the core up to 99.9%. Accordingly, the long barrel coring technology could overcome the limitations caused by the short drilling time window in the sub-Arctic offshore climate and greatly improve the coring efficiency.

long barrel coring; drilling; sub-Arctic; Well NV-3; Sakhalin Island

2014-11-08；改回日期：2015-05-02。

王建寧(1981—)，男，河北鹽山人，2005年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，2008年獲俄羅斯國立石油天然氣大學(xué)海洋鉆井專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事海洋鉆井技術(shù)管理工作。

?現(xiàn)場交流?

10.11911/syztjs.201503024

TE244

A

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