俄羅斯遠(yuǎn)東亞極地海域鉆井取心技術(shù)

王建寧　艾中華　劉　暢　沈海超　田院生　萬州亮（中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京　100026）

俄羅斯遠(yuǎn)東亞極地海域鉆井取心技術(shù)

王建寧艾中華劉暢沈海超田院生萬州亮
（中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100026）

鄂霍次克海位于俄羅斯遠(yuǎn)東，屬于亞極地氣候環(huán)境。在鉆井工程中降低取心作業(yè)時間、提高取心作業(yè)效率成為一個緊迫的課題。該地區(qū)取心地層中含有大量泥質(zhì)粉砂巖、硬質(zhì)夾層和礫石夾層，可鉆性差，機械鉆速低，取心難度大。通過優(yōu)選取心鉆頭、巖心爪和取心筒等關(guān)鍵工具，制定合理的施工方法，提高了取心作業(yè)效率，減少了下鉆次數(shù)。在3口探井的應(yīng)用中，取心作業(yè)時間均能控制在設(shè)計范圍之內(nèi)，確保了鉆井平臺能在安全窗口內(nèi)撤離井場，同時將取心收獲率保持在90%以上。該技術(shù)的成功應(yīng)用對同類區(qū)塊今后的取心作業(yè)有積極的指導(dǎo)意義。

亞極地； 海洋鉆井； 取心技術(shù)； 取心鉆頭； 鄂霍次克海

俄羅斯遠(yuǎn)東鄂霍次克海屬于亞極地環(huán)境海域［1］。從2005年起中國石化集團(tuán)承擔(dān)該海域薩哈林-3號項目的油氣勘探作業(yè)。該海域一年內(nèi)大部分時間被冰層覆蓋，每年海上鉆井作業(yè)窗口不到90 d［2-3］。取心作業(yè)效率直接影響到鉆井施工進(jìn)度。根據(jù)區(qū)域地層特點對井下取心鉆具、地面處理工具進(jìn)行了嚴(yán)格優(yōu)選，同時制定了合理的施工方案，最終提高了取心效率，節(jié)約了寶貴的施工時間。

1　遠(yuǎn)東亞極地海域鉆井取心的主要困難

（1） 亞極地海域狹窄的作業(yè)時間窗口對取心效率要求極高。如果取心作業(yè)時間過長就會影響到后續(xù)作業(yè)的完成。2011年12月“克爾斯卡婭”號自升式平臺就是由于在該海域作業(yè)時間超期，致使拖航時遭遇惡劣天氣而沉沒。為了提高取心效率，設(shè)計要求取心平均機械鉆速不能低于2 m/h且不能出現(xiàn)由于事故而導(dǎo)致的返工。否則后續(xù)的油氣測試將沒有時間進(jìn)行。

（2） 對取心收獲率的要求很高。由于該海域勘探程度較低，一般要求取心收獲率不低于90%并盡量保持巖心原始形態(tài)、防止斷心和沖蝕以利于地質(zhì)研究。

（3） 取心地層可鉆性差。取心層段埋藏較深，平均在3 000 m左右。巖性以致密性泥質(zhì)砂巖為主。地層研磨性較高，非均質(zhì)性較強，含有大量泥質(zhì)粉砂巖硬質(zhì)夾層和礫石夾層，對取心鉆頭的要求較高。取心時有可能遭遇堵心、卡心、卡鉆和鉆頭崩齒等問題。

（4） 井下復(fù)雜情況多。在?215.9 mm井段，鉆井液循環(huán)壓力高，正常鉆進(jìn)時可達(dá)17.4MPa，曾經(jīng)造成鉆具刺漏。地層溫度較高，預(yù)測超過120℃。以上2點對取心鉆具特別是取心內(nèi)筒的材質(zhì)提出很高要求。地層應(yīng)力狀態(tài)不理想，井壁容易產(chǎn)生剪切破壞致使井壁大量掉塊，該情況曾出現(xiàn)在V-3井?215.9 mm井段正常鉆進(jìn)過程中［4］。井壁失穩(wěn)掉塊會給取心作業(yè)帶來憋鉆、卡鉆等復(fù)雜情況［5］。

（5） 低溫環(huán)境下海霧嚴(yán)重。亞極地環(huán)境下，作業(yè)期間海面平均溫度低于5℃，造成大霧天氣超過三分之一。高鹽高濕的霧氣給平臺甲板上巖心處理設(shè)備帶來嚴(yán)重影響。電氣設(shè)備易發(fā)生短路等安全故障。

2　遠(yuǎn)東亞極地海域鉆井取心技術(shù)措施

根據(jù)前期已有的少量鉆探經(jīng)驗，結(jié)合目前鉆井取心技術(shù)的發(fā)展實際，摸索出一套適合于亞極地海域窄時間窗口下高效取心作業(yè)措施。

2.1取心工具的優(yōu)選和配置

2.1.1鉆頭

區(qū)域內(nèi)地層非均質(zhì)性嚴(yán)重，縱向上巖性多變［6］。泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、硬質(zhì)泥巖和礫巖互層頻繁。根據(jù)已有鉆井經(jīng)驗，優(yōu)選使用切削齒尺寸適中、吃入地層能力強、機械強度高、機械鉆速優(yōu)越、適用于中硬且有一定研磨性致密地層、同時適應(yīng)硬夾層和礫石夾層的取心鉆頭。為此，對國內(nèi)外6家生廠商15種型號的取心鉆頭進(jìn)行了甄別優(yōu)選。最終選定了?215.9 mm FC3743型PDC鉆頭作為本區(qū)域主力取心鉆頭，并在實際中取得了較好效果。

2.1.2巖心爪

卡箍式巖心爪由于結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，所以事故率最低。該區(qū)域地層完整性較好、幾乎無破碎，屬于卡箍式巖心爪的適用范圍。最終優(yōu)選卡箍巖心爪型號為H27X06CC，巖心爪和縮徑套配合錐面的錐度為1∶5。該型巖心爪內(nèi)壁正常敷焊有16條粒度為25目的碳化鎢顆粒摩擦條，整體摩擦因數(shù)為0.6。在進(jìn)行長筒取心時，可將摩擦條數(shù)提高到22條，摩擦因數(shù)可達(dá)到0.82，完全有能力鎖緊長達(dá)60 m的砂巖巖心。巖心爪在懸垂時上端自由空間小于10 mm保證了巖心上行時巖心爪不會被頂翻，利于順利鉆進(jìn)。

2.1.3取心筒

取心外筒選用鉻錳合金鋼材質(zhì)，強度高，對內(nèi)筒保護(hù)能力好。外筒外徑171.45 mm，最低可承受20 kN·m扭矩。在選擇取心內(nèi)筒時對玻璃鋼、塑料、鋁制和鋼制等材料進(jìn)行了逐個分析，最終選擇了鋁制材料內(nèi)筒。鋁制內(nèi)筒有材質(zhì)輕、耐高溫、承重能力強、易切割和摩擦因數(shù)小等優(yōu)點。在3口井的取心實踐中均未發(fā)生堵心、卡心和管內(nèi)折心等問題，表明鋁制內(nèi)筒收心能力強、性能穩(wěn)定、適合高機械鉆速取心作業(yè)。

2.1.4安全接頭和懸掛裝置

安全接頭主要作用是當(dāng)取心外筒在井下被卡時，可倒開安全接頭提出內(nèi)筒和巖心，增加取心的成功率。對于18 m以下的中、短取心作業(yè)選用常規(guī)墊圈調(diào)節(jié)式懸掛裝置。即當(dāng)內(nèi)筒下入后，需上提鉆具出井口檢查內(nèi)筒和鉆頭內(nèi)臺肩的距離，再視情況增減懸掛接頭處的墊圈，以達(dá)到內(nèi)筒和外筒相互獨立的目的。對于18 m以上的長筒取心，由于大鉤高度限制，內(nèi)筒一旦安裝完畢就不能再將鉆具提出井口。因此就需選用內(nèi)嵌式懸掛裝置，即內(nèi)筒先通過可調(diào)螺紋懸掛于安全接頭內(nèi)部，安全接頭再和外筒通過粗螺紋連接。內(nèi)筒安裝好后，根據(jù)公式（1）［7］計算出內(nèi)筒最終自由伸長量再使用“T”型把手將內(nèi)筒上旋至安全高度。此方法成功在NV-3井中使用。

式中，H為手柄上旋高度，mm； aA1為鋁的線彈性系數(shù)，取值23.6×10-6/℃； aFe為鉆桿線彈性系數(shù)，1/℃； Ts為地表溫度，℃；Tf為油藏溫度， ℃； Lin為鋁制內(nèi)筒總長，m； ?G為鉆進(jìn)時內(nèi)筒和鉆頭的安全間隙，mm。

2.1.5鉆具組合方式

為提高鉆具的穩(wěn)定性和取心質(zhì)量，減少井下事故。推薦使用剛性扶正器。取心工具在井下的狀態(tài)是一個壓桿穩(wěn)定問題，只有增加外管扶正器后才有利于增大臨界鉆壓［8］。特別要求在定向井中扶正器數(shù)量應(yīng)與外筒數(shù)量一致。較為密集的扶正器的使用有利于“雙筒單動” 避免外筒彎曲對內(nèi)筒造成干擾，有利于穩(wěn)斜鉆進(jìn)，便于卡準(zhǔn)層位和精確計算地層厚度。此外，扶正器的使用還有利于PDC取心鉆頭受力均勻，延長鉆頭使用壽命，有利于井眼造型并降低割心起鉆難度。

2.2地面工具的選擇

2.2.1巖心保護(hù)槽

所有出井巖心都要使用氣動絞車甩下鉆臺。但亞極地海域氣象條件不穩(wěn)定，陣風(fēng)可達(dá)15 m/s以上。此過程中如果不對巖心做必要保護(hù)就容易產(chǎn)生磕碰，影響巖心應(yīng)力研究。為此設(shè)計使用了巖心鋼制保護(hù)槽。巖心內(nèi)筒出轉(zhuǎn)盤后既被固定在保護(hù)槽內(nèi)然后再送下平臺。保護(hù)槽兩端均安裝有滾輪，利于在甲板上移動。

2.2.2氣動鋸的使用

由于區(qū)域內(nèi)海霧嚴(yán)重，巖心的切割選擇使用了氣動鋸。僅需1根軟管連接平臺氣源即可。切割巖心快捷高效，且避免了大霧天氣下電器短路故障。

2.3取心作業(yè)施工方法

2.3.1取心前準(zhǔn)備

井眼規(guī)則、井壁穩(wěn)定是取心作業(yè)的第一道保障。取心前最后1次起鉆應(yīng)通暢無阻，鉆井液性能穩(wěn)定并循環(huán)干凈，井壁無坍塌掉塊。所有計劃下井鉆具均使用通徑規(guī)通過，確保鉆具內(nèi)部無任何阻擋投球下落的障礙物。取心鉆頭無論新舊，下井之前都要重新檢查切削齒和噴嘴的完整性。巖心爪要張弛適度，內(nèi)敷摩擦條完好。取心外筒和內(nèi)筒確認(rèn)無變形無裂痕。懸掛軸承轉(zhuǎn)動靈活。方余配置合理。

2.3.2取心下鉆

裸眼中下鉆速度控制在0.5 m/s左右，防止壓力激動，遇阻超過3 t時必須通井。在造斜段、高狗腿段和套管鞋附近控制下鉆速度不大于0.3 m/s，且不得旋轉(zhuǎn)防止鉆出新眼或剝落套管鞋附近水泥塊。下鉆距井底約9 m時，緩慢開泵并逐步提高到正常排量以清井。投入鋼球，用65%～70%正常排量推動鋼球入位，最終緩慢旋轉(zhuǎn)下放鉆具到井底。下鉆過程中操作要平穩(wěn)柔和，不猛放猛停，避免井下壓力震蕩，防止不必要的井下事故。

2.3.3取心鉆進(jìn)

樹心時要控制鉆壓在1～1.5 t，轉(zhuǎn)數(shù)不超過50 r/min，樹心約0.4 m左右。樹心質(zhì)量關(guān)系到最終的巖心收獲率。取心鉆進(jìn)的前2～3 m調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)以達(dá)到最大機械鉆速。對于?215.9 mm井段，在避免憋鉆、跳鉆前提下，控制鉆壓在7 t左右，排量控制在25 L/min以內(nèi)，轉(zhuǎn)數(shù)控制在80～90 r/ min。取心過程中要送鉆均勻，不能停轉(zhuǎn)停泵，更不能隨意將鉆具提離井底。連貫穩(wěn)定的鉆進(jìn)參數(shù)有利于PDC鉆頭壽命的延長［9］，也利于在本區(qū)域礫石層中鉆進(jìn)。每鉆進(jìn)0.5 m記錄1次鉆進(jìn)參數(shù)，以便了解井下情況、判斷參數(shù)的優(yōu)劣。

2.3.4割心起鉆

割心起鉆是取心作業(yè)的第一步，司鉆動作要更加謹(jǐn)慎。鉆至割心深度后打高黏鉆井液清井、錄取砂樣。停止轉(zhuǎn)動，上提鉆具使巖心爪下行抓緊巖心，超拔3 t，拔斷巖心。如果巖心未斷則適當(dāng)加大排量，最大超拔到5 t并穩(wěn)住直到巖心拔斷。此過程中不得頻繁上下活動鉆具避免巖心爪功能失效造成巖心落井。巖心割斷后上提3 m，再下放到距井底0.5 m以檢驗是否有巖心落井，但不得故意觸碰井底。之后起鉆，起鉆過程中盡量不要旋轉(zhuǎn)，如果遇阻超過15 t可適當(dāng)以低轉(zhuǎn)數(shù)劃眼通過，并保持排量直到巖屑出井。起鉆速度控制在0.5 m/s左右，避免井底抽汲。

3　應(yīng)用效果

（1）SA-1井位于阿達(dá)博金區(qū)塊，水深76 m，是區(qū)域內(nèi)一口重點探井，完鉆井深3 067 m。在下努托瓦組和奧克貝凱組各取心1次，取心井眼直徑為215.9 mm。采用優(yōu)選的?215.9 mm FC3743型PDC取心鉆頭、H27X06CC型巖心爪和鋁制內(nèi)筒。此井取心難度較大，實際取心地層傾角達(dá)到15°，鉆井液密度1.78～1.79 g/cm3。實際取心效果較好，平均機械鉆速為5.2 m/h，取心收獲率達(dá)到99.3%，比計劃節(jié)約時間1.8 d。取心情況見表1。

表1　SA-1井取心數(shù)據(jù)

取心鉆具組合為：?215.9 mm取心鉆頭+ ?213 mm扶正器+ ?178 mm取心筒+懸掛總成和安全接頭+ ?165.1 mm 鉆鋌+ ?165.1 mm振擊器+ ?127 mm 加重鉆桿+ ?127 mm 鉆桿。取心鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓2～9 t， 泵壓12～15 MPa，排量平均為1 400 L/ min，頂驅(qū)轉(zhuǎn)數(shù)為50～65 r/min。

（2）NV-1井是NV油田的發(fā)現(xiàn)井，水深40 m，完鉆井深3 252 m。實際取心2層，分別為上努托瓦組和下達(dá)吉組。仍采用?215.9 mm FC3743型PDC鉆頭、H27X06CC型巖心爪和鋁制內(nèi)筒，取心機械鉆速達(dá)到9.1 m/h，取心收獲率為91.23%，比計劃節(jié)約時間2.5 d。取心數(shù)據(jù)見表2。

表2　NV-1井取心數(shù)據(jù)

取心鉆具組合為：?215 mm取心鉆頭+ ?213 mm扶正器+ ?178 mm取心筒+懸掛總成和安全接頭+ ?215.9 mm鉆鋌+振擊器+ ?127 mm加重鉆桿+ ?127 mm鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓4.5～5.5 t，平均泵壓3.45 MPa，平均排量為890 L/min，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速為50 r/min，扭矩為6.5～13 kN·m，鉆井液密度1.3 g/cm3。

（3）NV-3井是NV油田發(fā)現(xiàn)后的1口探邊井，完鉆井深3 832 m，最大井斜21.54°。取心層段為一層，位于上達(dá)吉組。取心鉆具共下井3次，鉆遇多個礫石層，且首次采用了長筒取心作業(yè)，即1次取心長度超過18 m。取心鉆具沿用優(yōu)選的?215.9 mm FC3743型PDC鉆頭、H27X06CC型巖心爪和鋁制內(nèi)筒。同時選用了巖心保護(hù)槽和氣動鋸。取心情況請見表3。

表3　NV-3井取心數(shù)據(jù)

該井取心鉆具結(jié)構(gòu)和SA-1井、NV-1井類似，只在取心筒之間均安裝有扶正器以提高鉆具的穩(wěn)定性，利于在斜井中穩(wěn)斜鉆進(jìn)。平均機械鉆速高達(dá)12m/h，取心收獲率也達(dá)到99.9%。該井實際收獲巖心長度112.5 m，但僅下井3次，比計劃節(jié)約用時14 d，給平臺按時拖離井場創(chuàng)造了條件。在上述3口井中，該井實際取心長度最長，節(jié)約施工時間也最多，表明亞極地海域取心技術(shù)的應(yīng)用越來越成熟。

4　結(jié)論

（1）在俄羅斯遠(yuǎn)東亞極地海域通過對取心工具的優(yōu)選和對施工措施的合理安排可節(jié)約施工時間，且取心層段越長、節(jié)約時間越明顯。

（2）所優(yōu)選的關(guān)鍵取心工具如?215.9 mm FC3743型PDC鉆頭、H27X06CC型巖心爪和鋁制內(nèi)筒等非常適合在該區(qū)域泥質(zhì)砂巖為主夾雜有泥質(zhì)粉砂巖硬質(zhì)夾層和礫石層的地層使用。配合合理的鉆進(jìn)參數(shù)，機械鉆速可達(dá)12 m/h，取心收獲率可保持在90%以上。

（3）巖心保護(hù)槽和氣動鋸的使用改善了巖心出井后的操作條件，保證了大風(fēng)和海霧等極端天氣下巖心和人員安全。

（4）根據(jù)區(qū)域地層實際，制定出了合理的鉆進(jìn)參數(shù)和操作注意事項。避免了井下事故的發(fā)生，保證了作業(yè)期間無中斷，無返工。

（5）通過鉆具優(yōu)選和合理鉆進(jìn)參數(shù)的制定切實提高了亞極地環(huán)境下海上鉆井取心效率，緩解了狹窄時間窗口對鉆井周期的制約。

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（修改稿收到日期2015-01-23）

〔編輯薛改珍〕

Drilling and coring technologies for polar offshore areas of Russia Far East

WANG Jianning, AI Zhonghua, LIU Chang, SHEN Haichao, TIAN Yuansheng, WAN Zhouliang
（International Petroleum Exploration & Production Corporation, SINOPEC, Beijing 100026, China）

Okhotsk Sea is in the Far East of Russia, belonging to sub-polar climate. Reducing coring time and improving coring efficiency during drilling operation has become an urgent topic. The coring formation in this area contains large amount of argillaceous siltstone, hard interbeds and conglomerate interbeds, resulting in poor drillability, low ROP and difficulty in coring. Through optimizing key tools like coring bit, core catcher and coring barrels and by formulating proper coring method, the efficiency of coring operation was improved and the number of drillings was reduced. In its application in three exploration wells, the coring time could be controlled within the designed range, which ensured that the drilling platform could move away from the wellsite within the safe window and also ensured that the core recovery was kept over 90%. The successful application of this technology provides positive guiding significance for coring operations in the similar blocks.

sub-polar region; offshore drilling; coring technology; coring bit; Okhotsk Sea

TE243

B

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0035 – 04

10.13639/j.odpt.2015.02.010

中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司項目“北維尼凝析氣田大位移井鉆完井技術(shù)研究”（編號：RS012009）。

王建寧，1981年生。2008年畢業(yè)于俄羅斯國立石油天然氣大學(xué)海洋鉆井專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海洋鉆井技術(shù)管理工作，工程師。電話：13269397382。E-mail：jnwang.sipc@sinopec.com。

引用格式：王建寧，艾中華，劉暢，等.俄羅斯遠(yuǎn)東亞極地海域鉆井取心技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：35-38.