H1井頁(yè)巖地層密閉取心技術(shù)實(shí)踐

黃 召 ，肖喬剛 ，葉俊放 ，謝中成，嚴(yán)維鋒

（1.西南石油大學(xué)，成都 610500；2.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335；3. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，上海 200335；4. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司工程技術(shù)研究院，上海 200120）

H1井頁(yè)巖地層密閉取心技術(shù)實(shí)踐

黃 召1，2，肖喬剛3，葉俊放4，謝中成1，2，嚴(yán)維鋒2

（1.西南石油大學(xué)，成都 610500；2.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335；3. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，上海 200335；4. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司工程技術(shù)研究院，上海 200120）

H1井是中海油在某區(qū)塊作業(yè)的第一口頁(yè)巖氣預(yù)探井，完鉆井深3001m。該井共進(jìn)行5回次密閉取心作業(yè)。針對(duì)頁(yè)巖地層巖性致密，地層傾角大，巖石可鉆性差等問(wèn)題，采用優(yōu)選密閉取心方式、優(yōu)選密閉液及取心鉆頭、優(yōu)化鉆具組合、合理控制取心鉆進(jìn)參數(shù)、精細(xì)化操作等技術(shù)措施，成功解決了頁(yè)巖地層取心過(guò)程中出現(xiàn)的地層傾角大、地層破碎、取心鉆進(jìn)機(jī)械鉆速低、易堵心等問(wèn)題，密閉取心進(jìn)尺32.83m，取心收獲率高達(dá)98%，大大提高了頁(yè)巖地層鉆井取心效率。

頁(yè)巖地層；密閉取心；取心收獲率

鉆井取心是獲得地層原始標(biāo)本的唯一途徑，是了解地層巖性和儲(chǔ)層特性資料的最直接最可靠的手段[1-2]。密閉取心能夠在巖心形成過(guò)程中用密閉液把巖心保護(hù)起來(lái)，避免巖心受鉆井液濾液浸泡和污染，所取得的地質(zhì)資料能夠客觀真實(shí)地反映地層情況。本文針對(duì)H1井鄰井中頁(yè)巖破碎地層取心遇到的問(wèn)題，通過(guò)密閉工具選擇、優(yōu)化取心鉆頭及鉆具組合、優(yōu)選密閉液、完善取心工藝和加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，使收獲率保持在80% ～ 100%之間，平均達(dá)98%，密閉率為93.8%，圓滿完成了地質(zhì)任務(wù)，為本地區(qū)頁(yè)巖地層密閉取心作業(yè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)[3]。

1 H1井概況

H1井是中海油部署的第一口頁(yè)巖氣預(yù)探井，完鉆井深3001m，主要目的是為取全、取準(zhǔn)地質(zhì)資料，落實(shí)大隆組和孤峰組頁(yè)巖發(fā)育、分布及含氣性等情況。該井鉆遇地層及巖性自上而下依次為第四系砂泥巖；新近系泥巖與粉砂巖；古近系泥巖與不等厚互層細(xì)砂巖；白堊系浦口組泥巖及泥質(zhì)膠結(jié)砂巖；三疊系南陵湖組灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r；三疊系和龍山組泥質(zhì)灰?guī)r和含泥灰?guī)r；三疊系殷坑組泥質(zhì)灰?guī)r及硅質(zhì)巖；二疊系大隆組硅質(zhì)泥巖及硅質(zhì)頁(yè)巖；二疊系龍?zhí)督M灰?guī)r、泥巖、碳質(zhì)泥巖與粉砂巖；二疊系孤峰組碳質(zhì)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖；二疊系棲霞組粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖[4]。

根據(jù)地質(zhì)要求，H1井密閉取心層位主要位于二疊系大隆組、孤峰組，取心井段位于8-1/2"井段，計(jì)劃密閉取心60m。實(shí)際在二疊系大隆組、孤峰組，共進(jìn)行5次密閉取心作業(yè)，密閉取心總進(jìn)尺32.83m，累計(jì)巖心長(zhǎng)度32.18m。

2 密閉取心作業(yè)難點(diǎn)

H1井取心層位在大隆組、孤峰組頁(yè)巖氣層，大隆組、孤峰組以碳質(zhì)硅質(zhì)巖、碳質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖為主，地層破碎，平均地層傾角高達(dá)到50～ 60°。地層巖性變化快，夾層多，該地區(qū)取心作業(yè)主要存在以下困難[5-6]：

（1）取心層段地層傾角大，影響巖心的形成和入筒；

（2）碳質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖極為破碎，破碎的巖心進(jìn)內(nèi)筒后成不規(guī)則分布，卡心、堵心概率風(fēng)險(xiǎn)高；同時(shí)，頁(yè)巖地層巖性硬脆、層理發(fā)育、對(duì)流體敏感度強(qiáng)，地層破碎易導(dǎo)致泥漿浸入巖心，影響巖心密閉率；

（3）所鉆地層時(shí)代老，地層硬，可鉆性差，研磨性強(qiáng)，機(jī)械鉆速低，導(dǎo)致磨心，取心鉆頭損傷嚴(yán)重導(dǎo)致單筒進(jìn)尺少，從鄰井取心鉆進(jìn)情況來(lái)看，機(jī)械鉆速0.5～ 1m/h；

（4）從施工情況來(lái)看，構(gòu)造地應(yīng)力對(duì)地層的擠壓作用影響較大，地層垮塌嚴(yán)重，地層破碎，取心下鉆遇阻嚴(yán)重，取心鉆進(jìn)扭矩變化大，易堵心。

3 主要技術(shù)措施

針對(duì)該地區(qū)取心作業(yè)難點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)有針對(duì)性地采用以下技術(shù)措施。

3.1 密閉取心工具選擇

3.1.1 密閉取心主要工具

結(jié)合鄰井取心鉆進(jìn)情況，針對(duì)頁(yè)巖地層及巖性特征，采用自鎖式割心方式的川式MQX194-120密閉取心工具。MQX194-120型密閉取心工具由內(nèi)筒、外筒、上接頭組、密封頭組、平衡活塞、鉆頭及密封圈、巖心爪組合件等部件組成。

密封活塞通過(guò)銷釘固定在取心鉆頭進(jìn)口外，內(nèi)筒與鉆頭的配合面上裝有密封圈，內(nèi)筒在井口灌滿密閉液。平衡活塞置于限位接頭之上，形成密閉區(qū)，結(jié)構(gòu)組成見圖1。

圖1 MQX194-120密閉取心工具結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 密閉取心基本原理

先在內(nèi)筒內(nèi)裝滿配制好的密閉液，在鉆進(jìn)前，通過(guò)剪斷銷釘，提前流出一定量的密閉液排擠鉆井液；取心鉆進(jìn)時(shí)，隨著巖心的不斷形成，巖心上頂內(nèi)筒活塞，進(jìn)入內(nèi)筒，同時(shí)巖心又?jǐn)D壓內(nèi)筒中的密閉液使之不斷流出，一部分均勻附在巖心表面，另一部分繼續(xù)排擠鉆井液鉆進(jìn)，鉆進(jìn)結(jié)束后，起鉆到地面出心。

3.1.3 密閉取心工具特點(diǎn)

內(nèi)筒上部采用浮動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)使得工具密閉區(qū)內(nèi)外的壓力始終保持平衡，以消除井眼液柱壓力對(duì)工具密封性的影響。此外，該工具還有一些特點(diǎn)：

（1）具有良好的密閉性：巖心存放于內(nèi)筒，內(nèi)外筒環(huán)形空間進(jìn)行泥漿循環(huán)，上接頭組開有泥漿流道使內(nèi)外筒隔離，避免巖心與泥漿的接觸；

（2）能夠避免巖心污染：巖心內(nèi)筒裝載密閉保護(hù)液，隨取心鉆進(jìn)密閉液及時(shí)地包裹巖心四周進(jìn)入內(nèi)筒，避免鉆井液污染和巖心中地層流體的外溢；

（3）取出巖心完整性：機(jī)械鉆速快，巖心直徑可達(dá)120mm，單筒取心長(zhǎng)度8.8m，收獲率可達(dá)95%以上，密閉率85%以上，取得巖心比較完整；針對(duì)頁(yè)巖地層硬脆、層理發(fā)育及易斷裂的特點(diǎn)，采用鋁合金內(nèi)筒，內(nèi)壁光滑能夠減少巖心進(jìn)筒的阻力，降低“堵心”的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 優(yōu)化取心鉆頭

3.2.1 取心鉆頭選型

本井取心井段巖性主要為頁(yè)巖，在保證取心收獲率的同時(shí)，如何有效提高取心機(jī)械鉆速是本井取心技術(shù)關(guān)鍵。根據(jù)鄰井資料分析，本井優(yōu)選復(fù)合片直徑為13mm帶水眼式專用于頁(yè)巖取心的PDC取心鉆頭，鉆頭型號(hào)為CQP566MB和復(fù)合片直徑為10mm的GC315B。（圖2、圖3）

圖2 CQP566MB鉆頭

圖3 GC315B鉆頭

3.2.2 鉆頭設(shè)計(jì)制作

鉆頭設(shè)計(jì)制作方面，主要關(guān)注以下五個(gè)方面：（1）選用優(yōu)質(zhì)復(fù)合片，優(yōu)化布齒方式，增加旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，提高整個(gè)切削部分的切削效率，采用單錐設(shè)計(jì)，提高機(jī)械鉆速；（2）鉆頭保徑使用金剛石切削齒，加強(qiáng)鉆頭使用壽命；（3）采用水眼方式的流道設(shè)計(jì)，該類取心鉆頭水眼直徑為8mm，共8～ 9個(gè)水眼，可便于堵漏操作，并減小液流對(duì)巖心的直接沖刷，在巖心爪座堵死鉆頭內(nèi)保徑上部臺(tái)肩時(shí)，能夠保持一定的流道面積，不會(huì)堵死流道；（4）當(dāng)鉆頭在破碎地層時(shí)，能在鉆頭的頭部形成密閉液相對(duì)封閉區(qū)，隔離鉆井液對(duì)巖心的接觸，利于密閉液在巖心表面形成保護(hù)膜；（5）高精度的內(nèi)部加工使巖心爪座與鉆頭內(nèi)表面精密配合，保證了巖心不受鉆井液污染。

3.3 優(yōu)選密閉液

根據(jù)取心井段的巖性和井溫的不同，優(yōu)選適應(yīng)于硬地層、破碎地層、松散軟等地層使用的密閉液，含有三種主要成分（氯化石蠟、過(guò)氯乙烯樹脂、重晶石粉）性能穩(wěn)定，在-30℃至180℃，能保持液態(tài)，三種成分充分混合成膠體溶液狀，能粘附在巖心表面形成保護(hù)層，從而達(dá)到密閉巖心的效果。試驗(yàn)證實(shí)，在壓力為8.0～ 15.0MPa，溫度低于180℃條件下，密閉液不會(huì)侵入到巖心內(nèi)部，也不與巖心成分發(fā)生任何化學(xué)作用，同時(shí)具備安全、環(huán)保的有關(guān)規(guī)定。

3.4 密閉取心現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

3.4.1 取心鉆具組合設(shè)計(jì)

H1井為直井，為保證巖心順利入筒，同時(shí)有高的取心機(jī)械鉆速，8-1/2"（φ215.9mm）井眼取心鉆具組合設(shè)計(jì)如下：8-1/2"（φ215.9mm）PDC取心鉆頭+MQX194-120密閉取心工具+6-1/2"（φ165.1mm）浮閥+6-1/2"（φ165.1mm）鉆鋌12根+6-1/2"（φ165.1mm）（震擊器+撓性短節(jié)）+5"（φ127mm）加重鉆桿14根+5"（φ127mm）鉆桿。

3.4.2 取心工具準(zhǔn)備檢查及下鉆

（1）取心前檢查指重表靈敏針、泥漿泵等鉆井設(shè)備，確保鉆進(jìn)時(shí)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好，避免取心鉆進(jìn)中檢修設(shè)備。井隊(duì)人員了解密閉取心工作原理、操作規(guī)程、注意事項(xiàng)、取心層位地質(zhì)情況，熟悉掌握提前制定的密閉取心各項(xiàng)技術(shù)措施；

（2）將密閉取心工具平穩(wěn)吊至鉆臺(tái)，檢查內(nèi)外筒彎曲變形情況、各部位絲扣完好，球座光滑完好，分水接頭水眼暢通，巖心爪狀態(tài)，取心鉆頭完好，水眼、排屑槽，內(nèi)外徑標(biāo)準(zhǔn)等[2]；

（3）取心工具下鉆。下鉆過(guò)程要求操作平穩(wěn)，不猛剎、猛頓，防止鉆具劇烈擺動(dòng)，嚴(yán)禁用密閉取心鉆頭劃眼，以防提前剪斷活塞銷釘，導(dǎo)致密閉取心失敗；

（4）下鉆至最后一單桿時(shí)，開始循環(huán)，先以小排量低泵壓循環(huán)，待鉆井液返出井口后，再以大排量充分循環(huán)，期間加入示蹤劑，并在取心前測(cè)量各種工況下摩阻。

3.4.3 取心鉆進(jìn)

（1）取心鉆頭到底前，停止循環(huán)，緩慢下放鉆具到底，靜壓30～ 80kN，剪斷活塞銷釘，并靜止 30～ 60s；

（2）緩慢上提鉆具，鉆壓顯示為10～ 20kN時(shí)，開啟泥漿泵、平穩(wěn)啟動(dòng)頂驅(qū)，進(jìn)行樹心，樹心鉆壓控制在鉆壓10～ 20kN，轉(zhuǎn)速45r/min之內(nèi)，排量16～ 18L/s，樹心0.3m后，調(diào)整至正常取心鉆進(jìn)時(shí)鉆井參數(shù)。鉆壓控制在30～ 50kN，轉(zhuǎn)速55～ 60r/min，排量 16～ 20L/s；

（3）取心鉆進(jìn)過(guò)程中，要求“均勻送鉆”，嚴(yán)禁溜鉆，如需增加鉆壓，須緩慢增加，切忌“一次到位”；

（4）整個(gè)取心鉆進(jìn)過(guò)程中，要求不停泵、不停轉(zhuǎn)，鉆頭不準(zhǔn)提離井底。防止泥漿破壞井底巖心密閉保護(hù)區(qū)。密切關(guān)注各項(xiàng)取心參數(shù)，防止堵心、卡心和磨心，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)割心起鉆。

3.4.4 割心

確保取心收獲率的關(guān)鍵是割心層位的選擇，應(yīng)選擇在巖性均質(zhì)的泥巖井段進(jìn)行割心。在該段割心便于拔心，又有利于保護(hù)本筒含油巖心免遭鉆井液污染和保證下筒巖心頂部不會(huì)遭鉆井液長(zhǎng)期浸泡。割心操作上要注意：割心前，應(yīng)適當(dāng)恢復(fù)鉆壓；割心時(shí)不停泵，當(dāng)轉(zhuǎn)盤停穩(wěn)后，緩慢上提鉆具割心；開始上提鉆具要慢，上提最大拉力不超過(guò)原懸重150kN；若割不斷，不能硬拔，可采用磨，輕微上提并開轉(zhuǎn)速等方法將巖心割斷。

3.4.5 起鉆及出心

（1）割心完成后，起鉆過(guò)程中，按規(guī)定及時(shí)向井內(nèi)灌注鉆井液；

（2）起鉆操作要求平穩(wěn)，不能猛剎猛放，防止巖心落井；

（3）當(dāng)取心工具起鉆至井口后，打好安全卡瓦，從懸掛接頭處將扣卸掉，卸平衡活塞時(shí)，注意防止工具內(nèi)密閉壓力傷人；

（4）出心時(shí)要緩慢均勻用力頂巖心，防止將巖心破碎弄亂。取樣結(jié)束前巖心不能與水及其他污染物接觸。

4 實(shí)際效果

H1井共計(jì)進(jìn)行5回次密閉取心作業(yè)，優(yōu)選了取心工具及施工參數(shù)、強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，密閉取心達(dá)到理想效果。取心總進(jìn)尺32.83m，累計(jì)巖心長(zhǎng)度32.18m，取心收獲率高達(dá)98%；取出巖心具有良好的密閉性，密閉率達(dá)到93.8%；平均機(jī)械鉆速較高，平均機(jī)械鉆速為1.27m/h，圓滿完成了地質(zhì)取心任務(wù)；該井密閉取心相對(duì)于該井常規(guī)取心方式，單趟取心進(jìn)尺及取心收獲率高，取心機(jī)械鉆速也大大提高。

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

（1）頁(yè)巖地層取心，取心鉆頭的設(shè)計(jì)及選擇非常關(guān)鍵。選用優(yōu)質(zhì)復(fù)合片，優(yōu)化布齒方式，能夠提高整個(gè)切削部分的切削效率，采用單錐設(shè)計(jì)，提高機(jī)械鉆速；鉆頭保徑使用金剛石切削齒，能夠加強(qiáng)鉆頭使用壽命；選擇采用水眼方式流道設(shè)計(jì)的取心鉆頭，能減小液流對(duì)巖心的直接沖刷，防止巖心破碎；

（2）針對(duì)性的密閉取心工具設(shè)計(jì)及密閉液的優(yōu)選有助于提高取心進(jìn)尺及收獲率；

（3）非常規(guī)頁(yè)巖氣密閉取心參數(shù)的控制非常關(guān)鍵，優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)能夠減少取心過(guò)程中堵心情況發(fā)生，提高單筒進(jìn)尺及機(jī)械鉆速；此外，要求在取心前井壁穩(wěn)定無(wú)阻卡、掉塊，井底無(wú)落物和漏失等復(fù)雜情況，做好井眼充分準(zhǔn)備對(duì)于密閉取心十分重要；

（4）H1井的應(yīng)用表明，川式MQX194-120自鎖割心密閉取心工具適合在頁(yè)巖地層進(jìn)行密閉取心作業(yè)，為后續(xù)在該區(qū)進(jìn)行同類型井的密閉取心作業(yè)提供了重要的資料。

[1]胡學(xué)軍， 楊勝來(lái)， 李輝. 密閉取心降壓脫氣對(duì)巖心含水飽和度的影響[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004， 19（6）：27-30.

[2]成景民， 馮會(huì)斌， 王治中， 等. 深井灰?guī)r破碎地層取心技術(shù)及應(yīng)用 [J]. 鉆井工藝， 2006， 29（3）： 26-27.

[3]沈建中. 宣頁(yè)1井鉆井技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策[J]. 石油鉆探技術(shù)，2011， 39（3）： 41-45.

[4]徐建永， 武愛俊. 頁(yè)巖氣發(fā)展現(xiàn)狀及勘探前景[J]. 特種油氣藏，2010， 17（5）： 1-7.

[5]Matsutsuyu B. South Texas Eagle Ford Shale Geology – Regional Trends， Recent Learnings， Future Challenges//Developing Unconventional Gas Conference[C]. San Antonio， Texas， 2011.

[6]Porter D J. Eagle Ford Shale Task Force Report[R].Texas， USA ：Railroad Commission of Texas， 2013.

Practice of Sealed Coring Technology in Shale Formation of Well H1

HUANG Zhao1,2, XIAO Qiaogang3, YE Junfang4, XIE Zhongcheng1,2, YAN Weifeng2
（1. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Shanghai Branch of CNOOC, Shanghai 200335, China;3. Engineering Technology Branch of CNOOC Energy Development Co. LTD., Shanghai 200335, China;4. Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

Well H1, which was completed at well depth of 3001meters, is the fi rst shale gas exploration well in block X. Sealed coring operation has been conducted in this well for 5times. In view of the problems of tight shale formation, big angle of bedding, poor rock drillability, a series of technical measures have been taken such as optimization of closed coring method, optimization of sealing fl uid and coring bit, optimization make up of string, reasonably controlling of coring drilling parameters, taking ref i ning operations etc. These technical measures solved successfully the problem of big angle of bedding, broken formation, and low core drilling rate, easily jammed etc. The footage of sealed coring is 32.83meters and core recovery is 98%, which improved greatly core drilling eff i ciency of shale formation.

shale formation; sealed coring; core recovery

TE244

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.03.057

1008-2336（2017）03-0057-05

2016-07-18；改回日期：2017-04-28

黃召，男，1982年生，本科，工程師，現(xiàn)任中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司工程技術(shù)作業(yè)中心鉆井研究室主任。

E-mail：huangzhao@cnooc.com.cn。