半潛式平臺大直徑三筒取心技術(shù)

張寶林 閆園園 石利星 李石磊 王雨 王兵爽

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

在國內(nèi)，常規(guī)取心技術(shù)已經(jīng)非常成熟，從單筒，雙筒一直到三筒取心，內(nèi)筒從鋼質(zhì)逐漸變?yōu)椴Ａт?，鋁合金內(nèi)筒等，從常規(guī)取心發(fā)展到密閉取心和定向取心，以保證在不同巖性的地層，都能夠達(dá)到很高的收獲率。但是隨著油田的不斷開發(fā)，老油田再次進行升級改造，這就要求再次進行取心作業(yè)重新對地層進行分析。因此，相同條件下獲得的巖心越多，直徑越大，提供有價值數(shù)據(jù)越多。大直徑三筒連續(xù)取心技術(shù)的應(yīng)用能很好地解決以上問題，進而保證獲得更加完整的地質(zhì)資料，為地層研究奠定基礎(chǔ)。

目前大直徑取心技術(shù)在南海東部已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但主要是以單筒和雙筒為主，三筒取心技術(shù)并未進行過應(yīng)用。隨著鉆井“提速增效”在各大油田的廣泛實施，鉆井取心的提速逐漸成為工作重點，三筒取心技術(shù)作為縮短取心工期的一個重要工藝措施而被提出并應(yīng)用。通過分析單雙筒取心和常規(guī)長筒取心技術(shù)，總結(jié)大直徑三筒連續(xù)取心技術(shù)。通過對現(xiàn)有的取心工具進行研究分析，研制出適合大直徑三筒連續(xù)取心配套的差值短節(jié)和配套配件，保證取心順利進行。

1 取心目的、井況及取心難點

1.1 取心目的

升級A勘探區(qū)塊油藏控制儲量，擴大探明儲量規(guī)模；實施鉆井取心，落實內(nèi)部隔層穩(wěn)定性及橫向變化；落實A勘探區(qū)塊油藏是否有氣頂。

1.2 取心井況

作業(yè)井1 005～2 606 m為裸眼段，取心開始位置2 606 m，巖性主要以泥巖、砂巖發(fā)育為主，造斜點在1 008 m，造斜率2 （°）/30m，從1 417 m開始穩(wěn)斜，井斜17°，井深2 410 m左右發(fā)育一條斷層。

1.3 取心技術(shù)難點

（1）在A區(qū)塊并沒有進行過三筒取心作業(yè)，只進行過雙筒取心，具體數(shù)據(jù)見表1，所以對于大直徑三筒取心并沒有成功經(jīng)驗可以作為參考。

表1 A區(qū)塊大直徑取心數(shù)據(jù)Table 1 Large-diameter coring data of block A

（2）地層泥巖、砂巖、生屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、泥頁巖等多種巖心交叉存在，夾層較多、不均質(zhì)性較強，取心鉆進時的機械鉆速很不穩(wěn)定。

（3）1 600 m左右的裸眼段，井斜較大，工具外徑大，剛性強，與?311.15 mm井眼環(huán)空間隙較小，摩阻高，下鉆困難。

（4）取心工具外徑大，鉆頭附近鉆井液沖刷巖心，巖心變細(xì)，再加之大直徑巖心筒與井環(huán)空小造成的抽吸力大，容易使卡箍式巖心爪失效，從而給割心帶來問題。

（5）大斜度井井壁與鉆具摩擦力較大，由此引起井口鉆壓與井底鉆壓不一致。

（6）在斜井中，由于取心工具軸線與重力線方向構(gòu)成的夾角較大，在重力的作用下，取心工具躺臥在井眼邊，由此一方面容易造成井眼低邊形成巖屑床，導(dǎo)致摩阻增大，造成取心工具遇卡現(xiàn)象，另一方面取心工具的內(nèi)巖心筒因重力的作用而下垂，與取心工具的外筒內(nèi)壁相接觸，取心鉆進時，內(nèi)巖心筒隨外筒一起旋轉(zhuǎn)，直接影響取心效果。

（7）割心時操作比較困難，一方面半潛式鉆井平臺存在升沉現(xiàn)象會給割心帶來困難，另一方面巖心直徑大，軸向抗拉強度比普通巖心大。

（8）采用大直徑三筒取心，對現(xiàn)場工藝參數(shù)和出心措施的控制要求高?，F(xiàn)場工程師在調(diào)整作業(yè)參數(shù)時必須要考慮到井型和作業(yè)平臺為半潛式平臺，會對取心作業(yè)參數(shù)的影響，同時在出心時必須考慮到巖心直徑和自重的問題，避免在井口分段巖心時造成巖心滑落。

2 取心技術(shù)方案

2.1 優(yōu)選取心工具

針對取心地層特性，井眼軌跡和甲方對巖心直徑的要求等技術(shù)難點以及對取心作業(yè)的影響，優(yōu)選得到大直徑取心工具。

大直徑保形取心工具與常規(guī)取心工具最主要差異是采用了內(nèi)壁摩阻更小的鋁合金內(nèi)筒，其摩阻是常規(guī)鋼內(nèi)筒的十分之一，對于易吸水膨脹和破碎性巖心可以有效減小巖心進入內(nèi)筒的阻力，減小發(fā)生堵心的可能。

內(nèi)筒的特殊扣型可以在內(nèi)筒較薄的情況下保證內(nèi)筒扣連接的強度。

考慮大直徑取心筒鋼性大、狗腿度大和取心筒與井眼環(huán)空間隙小等問題，設(shè)計制造了替代取心工具扶正器的差值短節(jié)，在保證三筒取心長度的方案下，緊鄰鉆頭上部安裝取心扶正器，取心工具上其他位置的扶正器均用差值短節(jié)代替，使取心工具具有很好的穩(wěn)斜功能，增強了鉆頭工作的穩(wěn)定性，又能減小取心工具的鋼性，成功減少鉆井作業(yè)復(fù)雜情況的發(fā)生，提高井下作業(yè)的安全性。

差值短節(jié)是在鋼管本體加焊3條耐磨帶制成，耐磨帶20 mm×20 cm，有一定的防磨效果，其主要有配長、保持原扶正器長度和減小取心工具鋼性的作用［1-4］。

2.2 優(yōu)選取心鉆頭

考慮泥巖和砂巖互層，并且加雜灰?guī)r以及裸眼段中狗腿等難點，對取心鉆頭進行了針對性選擇以適應(yīng)該井取心作業(yè)。

（1） 設(shè)計選用比金剛石和巴斯拉切削齒更大、吃入地層更深的、更易于排屑的PDC取心鉆頭；

（2） 優(yōu)化布齒方式，選取8刀翼取心鉆頭，增加旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，利于巖心成形，同時提高切削部分的切削強度；

（3） 增強內(nèi)外保徑的強度，減少灰?guī)r取心作業(yè)過程中巖層對取心鉆頭外錐和保徑的異常損害；

（4） 采用新型專利切削齒，減少切削齒邊緣破裂的概率，使切削齒維持長時間自銳和鉆進速度，提高其在夾層多的復(fù)雜地層中的鉆進能力［2］。

2.3 取心工藝措施

（1） 取心鉆具組合。由于該井為定向井，存在井斜大、摩阻高、工具鋼性強等難點，特對取心工具本身以及整個取心鉆具組合進行新的優(yōu)化。

取心工具大部分的扶正器被換作差值短節(jié)，提高取心工具在井底的穩(wěn)定性，在浮閥上面（距離取心工具上的扶正器距離大約27 m）安裝一個?302 mm鉆井扶正器，同時減少鉆鋌的使用量有助于減小扭矩、防止井壁黏卡。

?309 mm取心鉆頭+?203 mm高強度取心工具（上端扣型630）+浮閥（閥瓣式，無承托環(huán)）+?302 mm穩(wěn)定器+?203.2 mm鉆鋌+JAR/FJ+?127 mm 無磁鉆桿+?127 mm鉆桿。

根據(jù)設(shè)計的取心鉆具組合進行管柱力學(xué)模擬分析，如圖1所示，在滑動鉆進、倒滑眼、空轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)鉆進、上提、下放等6種工況下對管柱進行了屈曲分析。可以看出：在6種工況下管柱受拉力均小于材料的抗拉應(yīng)力極限，所受壓力均小于管柱的螺旋彎曲極限、正弦彎曲極限和自鎖極限，無屈曲風(fēng)險。

如圖2所示，計算了管柱在滑動鉆進、倒劃眼、空轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)鉆進、上提、下放等6種工況下所受的側(cè)向力?？梢钥闯觯赫w管柱所受側(cè)向力極小，2 750 m處上提、下放時管柱所受側(cè)向力驟增，起下鉆過程中應(yīng)注意平穩(wěn)操作。

圖1 屈曲分析圖（無屈曲風(fēng)險）［6］Fig. 1 Buckling analysis diagram (no buckle risk)

圖2 側(cè)向力圖［6］Fig. 2 Lateral force diagram

圖3、圖4、圖5分別計算了下放、上提、旋轉(zhuǎn)鉆進時管柱的受力情況。從圖中可以看出：管柱在3種工況下所受周向力、徑向力、扭力、剪切力、軸向力、屈曲力、撓性力、三軸等效應(yīng)力，均遠(yuǎn)小于材料的屈服強度。

圖3 下放工況受力分析結(jié)果［6］Fig. 3 Force analysis result in the operational mode of lowering

因此，由圖2可以得知取心鉆具組合在上提，下放均需要勻速通過2 750 m卡點，不能猛剎猛放，這樣容易造成管柱被卡，同時也容易造成井壁出現(xiàn)鍵槽。通過圖1、3、4、5可以看出，取心鉆具組合各項數(shù)據(jù)均在規(guī)定的范圍內(nèi)，其不影響正常的取心鉆進，證明此鉆具組合優(yōu)選正確，適合本次取心作業(yè)［6］。

圖4 上提工況受力分析結(jié)果［6］Fig. 4 Force analysis result in the operational mode of lifting

圖5 旋轉(zhuǎn)鉆井工況受力分析結(jié)果［6］Fig. 5 Force analysis result in the operational mode of rotary drilling

（2） 取心鉆井液。由于該井井斜較大、取心工具與井眼內(nèi)徑之間的環(huán)空間隙較小并且取心時鉆井液排量較小，不利于巖屑排除，因此，需要對全面鉆進時的鉆井液進行適度調(diào)整來滿足取心的要求。將濾失量由原6 mL/30 min降低至4 mL/30 min，降低巖心吸水膨脹率和提高濾餅質(zhì)量，穩(wěn)固井壁，降低取心時的風(fēng)險系數(shù)。漏斗黏度由原60 s降低到50 s，降低鉆井液固相含量，實現(xiàn)降低鉆井液對取心工具的沖蝕，同時降低取心作業(yè)時的泵壓，給取心作業(yè)留足可操作的窗口。密度按照原鉆井液1.14 g/cm3控制。

（3） 取心鉆進參數(shù)。取心參數(shù)的設(shè)定主要綜合考慮半潛式平臺自身的特性（升沉）、井眼軌跡、井眼摩阻和地層特性等難點。

①鉆壓。定向井取心時由于存在摩阻，因此在施加鉆壓時井口鉆壓并不等于鉆頭鉆壓，因此需要提前計算摩阻大小，然后結(jié)合現(xiàn)場扭矩情況適時地改變鉆壓［2-5］。

②排量。取心排量的設(shè)定一方面要滿足取心的需求，另一方面要能滿足攜砂、井眼穩(wěn)定和冷卻鉆頭的需求。并且在斜井中井眼底端的巖屑不易排出，現(xiàn)場經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)排量，在取心鉆進2 m時確定了正常鉆進時排量在 16～18 L/s［2-5］。

③轉(zhuǎn)速。在取心鉆進時要根據(jù)井下情況適時調(diào)整轉(zhuǎn)速，該井在取心作業(yè)時出現(xiàn)頻繁憋扭現(xiàn)象，因此，在保證取心鉆進時效和井下安全的情況下，正常取心鉆進時轉(zhuǎn)速控制在較低狀態(tài)，一般控制在55 r/min較為合適。

（4） 割心措施。由于半潛式鉆井平臺隨著海浪周期性的上下浮動，割心時對于過提噸位和鉆具上提距離的判斷有很大影響［2］。當(dāng)不關(guān)鉆具補償器進行割心作業(yè)時，其補償器變?yōu)閮δ芷鳎?dāng)上提一定噸位后，巖心突然拔斷，補償器瞬間釋放能量，容易造成氣缸損壞、油車跳繩等危險的發(fā)生。當(dāng)打開補償器割心時，井口提出鉆具的距離無法有效預(yù)測，其中有補償器的壓縮量對上提距離的影響，誤導(dǎo)取心工程師對距離上的判斷。因此，現(xiàn)場取心工程師要求關(guān)閉鉆柱補償器，消除由于補償器造成的影響，實現(xiàn)了割心過提參數(shù)的有效判斷和鉆柱上提距離的有效控制，最終過提8 t割心成功。

（5）異常情況處理。在斜井取心鉆進時容易出現(xiàn)扭矩過大、無進尺的情況，此時應(yīng)根據(jù)地層及工具特性做出恰當(dāng)分析和調(diào)整。在取心時出現(xiàn)了無進尺、扭矩過大和憋停的現(xiàn)象，主要是因為井底鉆屑排屑不干凈形成巖屑床堆積、地層砂泥巖交錯和半潛平臺升沉造成。當(dāng)出現(xiàn)鉆具憋停時，現(xiàn)場工程師通過給鉆具補償器進行充氣實現(xiàn)鉆具微量上體，鉆壓降低但不提離井底，最終實現(xiàn)鉆具激活，正常取心鉆進。為了降低頻繁憋扭現(xiàn)象的發(fā)生，同時清潔井底，取心工程師在保證巖心不受損的情況下加大排量將巖屑排出，解決了扭矩過大問題。

3 取心效果

分析總結(jié)此區(qū)塊疏松地層大直徑取心存在的主要技術(shù)難點，斜井的井身結(jié)構(gòu)特點，摸索總結(jié)出疏松地層斜井大直徑三筒取心技術(shù)，通過現(xiàn)場的技術(shù)分析，實現(xiàn)作業(yè)參數(shù)實時調(diào)整。

通過取心工具、鉆頭的優(yōu)選和技術(shù)方案設(shè)定，大直徑三筒取心取得了較好的效果，取心純鉆進時間8.52 h，平均鉆速6.49 m/h，該井作業(yè)結(jié)果遠(yuǎn)高于該區(qū)的雙筒取心數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表2和表3。

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1） 研究區(qū)域地質(zhì)特點，分析鄰井資料是優(yōu)選鉆頭、提高取心收獲率的重要因素；對比傳統(tǒng)取心，三筒取心作業(yè)時效提高了32.5%，節(jié)省了成本。

（2） 通過鄰井的地層劃分和巖性描述，根據(jù)錄井曲線和鉆臺儀表參數(shù)的變化準(zhǔn)確判斷、對作業(yè)參數(shù)進行及時調(diào)整，有效規(guī)避了井下的異常情況，保證取心鉆進的順利完成。

表2 作業(yè)井取心技術(shù)獲得的成果Table 2 Achievements of coring technology in the well in operation

表3 本區(qū)塊雙筒取心和三筒取心方案時效比較Table 3 Time ef ficiency comparison between double-barrel coring scheme and three-barrel coring scheme in this block

（3） 半潛式鉆井平臺進行長筒取心存在較高的風(fēng)險因素，在割心時要關(guān)閉鉆桿補償器，保證割心時不會因為鉆桿補償器的原因造成割心的失敗。

（4） 在定向井取心鉆進時要注意脫壓影響。

（5） 優(yōu)化后的取心工藝現(xiàn)場實施效果較好，在長裸眼井段連續(xù)取心作業(yè)中采用三筒，取得了100%的收獲率。

（6） 科學(xué)地論證了地層的可鉆性及井身條件，成功實施三筒取心作業(yè)，創(chuàng)大直徑長筒取心進尺最長的記錄。