天津東麗湖CGSD-01井取心問題及技術(shù)探索

杜垚森， 宋志彬， 和國磊， 馬漢臣， 許本沖， 陳浩文

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

地?zé)峋Y源是一種可再生的清潔型能源，也是一種契合國家環(huán)保政策并具有競爭力的新能源，地?zé)峋Y源的利用被逐漸地提上國家戰(zhàn)略層面[1-2]。天津東麗湖科學(xué)鉆探一井(CGSD-01井)的鉆井工作是由中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所承擔(dān)并實(shí)施的，該工程隸屬于“全國地?zé)豳Y源調(diào)查評價與勘查示范工程”。CGSD-01井位于天津東麗湖地區(qū)麗湖的西南方向，屬于天津潘莊凸起構(gòu)造區(qū)。該地?zé)峋哪康氖翘矫魈旖蚺饲f凸起構(gòu)造區(qū)霧迷山組二段地下熱水的溫度、富水程度、賦存條件和水化學(xué)特征，建立地?zé)豳Y源示范基地，為地?zé)豳Y源可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮指導(dǎo)示范作用。

鉆探取心是獲取水文地質(zhì)資料最直接、最有效的手段[3]。CGSD-01井全井取心37回次，主要取心工作量在三開鉆進(jìn)的薊縣系霧迷山組，三開取心21回次，三開井段井深2265～4051 m，通過分段取心獲取實(shí)物資料。但是在實(shí)際取心中存在回次取心率低的問題，無法達(dá)到取心要求，通過分析問題，不斷改進(jìn)取心方案，巖心采取率低的問題最終得到有效解決。

1 地層情況

天津地區(qū)地?zé)岚礋醿訋r性特征分為2種，即砂巖孔隙型熱儲和碳酸鹽基巖裂隙型熱儲。砂巖孔隙型熱儲位于新近系明化鎮(zhèn)組 、館陶組及古近系東營組地層；巖性以泥巖、砂巖、砂礫巖不等厚互層 ?；鶐r裂隙型熱儲位于奧陶系、寒武系、薊縣系霧迷山組灰?guī)r和白云巖地層，熱儲層溶洞裂隙發(fā)育，天津地?zé)峋@遇地層巖性變化大，易出現(xiàn)縮徑、掉塊、井漏、坍塌等井下復(fù)雜情況[4-6]。CGSD-01井三開設(shè)計井段在薊縣系霧迷山組地層，井深為1800～4000 m；實(shí)際三開鉆遇霧迷山組地層的井深為2265～4051 m，其中2265～3751 m為霧迷山組三、四段，主要由白云巖組成，夾雜少量泥巖、鈣質(zhì)泥巖和白云質(zhì)灰?guī)r，3751～4051 m為薊縣系霧迷山組二段，主要由白云巖組成，夾雜少量含砂泥巖，可鉆性等級5～6級。

2 井身結(jié)構(gòu)

CGSD-01井為設(shè)計井深4000 m的直井，根據(jù)地?zé)峋@井工藝和規(guī)范[7-11]及地質(zhì)設(shè)計要求，確定鉆井結(jié)構(gòu)如下。

(1)一開：設(shè)計鉆至1450 m館陶組底部，實(shí)際鉆至1468.5 m，井徑為?444.5 mm，下入?339.7 mm表層套管；

(2)二開：設(shè)計鉆進(jìn)至1800 m，見霧迷山組地層結(jié)束，實(shí)際鉆至2262.75 m，井徑為311.1 mm，下入?244.5 mm套管；

(3)三開：設(shè)計鉆進(jìn)至4000 m，進(jìn)入目的層一二段，實(shí)際鉆至4051.68 m，井徑為215.9 mm，下入?177.8 mm套管。

設(shè)計井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Well profile

3 取心要求和實(shí)際取心效果

CGSD-01井采用單回次提下鉆取心，從500～4000 m設(shè)計每100 m取心一筒，取心長度≮4 m，取心總數(shù)≮35筒，巖心采取率≮85%。實(shí)際取心37回次，巖心長度累計140.78 m，綜合巖心采取率85.4%。

4 取心遇到的問題

自進(jìn)入霧迷山組后，多次取心長度和巖心采取率未能達(dá)到要求。第一階段取心采用“轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)+舊川83取心鉆具”的方法，鉆進(jìn)的基本參數(shù)為：鉆壓26～60 kN，轉(zhuǎn)速37～50 r/min，排量19.25～23 L/min，泵壓3～5.5 MPa，取心概況見表1所示。這5個回次的取心鉆進(jìn)，巖心長度均未達(dá)到要求，采取率只有1次滿足要求。

表1 第一階段取心概況Table 1 Coring results of stage one

第一階段取得的巖心如圖2所示。

以上5個回次取得的巖心共同特點(diǎn)是嚴(yán)重破碎，導(dǎo)致堵塞巖心內(nèi)管后進(jìn)尺緩慢或者是不再進(jìn)尺。5個回次的巖心主要成分為白云巖，具裂隙且裂隙較為發(fā)育，有的巖心較軟且酥，疑似有破碎帶，這是造成取心難題的主要原因之一。

第一階段取心所使用的三角聚晶金剛石取心鉆頭見圖3。

圖2第一階段取得的巖心
Fig.2Coresofstageone

圖3 三角聚晶金剛石取心鉆頭Fig.3 Triangular polycrystalline diamond coring bit

第一階段取心所使用的孕鑲PDC取心鉆頭如圖4所示。

觀察以上5個回次所用到的兩種取心鉆頭，并沒有異常磨損和損壞的跡象，均屬于正常使用磨損。

取心效果不理想的可能原因分析如下：

(1)通過巖心觀察分析，推斷地層裂隙發(fā)育，且較為松散破碎導(dǎo)致巖心破碎明顯，更易堵塞巖心管，無法進(jìn)一步獲取巖心，此應(yīng)該為主要原因。

(2)鉆頭未見明顯磨損和損壞痕跡，說明鉆頭的選擇較為合理。但是也可以嘗試不同類型的鉆頭，或許會收到更好的取心效果。

圖4 孕鑲PDC取心鉆頭Fig.4 PDC coring bit

(3)巖心在取心鉆具中有明顯的擠壓現(xiàn)象，有可能是舊“川83”取心鉆具的單動性能不理想，加劇了巖心的堵塞。

5 取心技術(shù)探索

5.1 第一種技術(shù)——井底動力+KT194型取心鉆具

巖心的采取率和原狀性是最重要的技術(shù)指標(biāo)，而第一階段的取心效果與這一指標(biāo)還有很大的差距。針對以上取心問題，項目組現(xiàn)場研究決定采用中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所自主研發(fā)的KT194型取心鉆具[12-13]進(jìn)行取心嘗試，該取心鉆具在“松科二井”已經(jīng)得到成功應(yīng)用。該取心鉆具如圖5所示，取心鉆頭為孕鑲金剛石鉆頭，如圖6(出井后)所示[14-15]。井底動力驅(qū)動都可以大大提高機(jī)械鉆速，而且已經(jīng)成為石油鉆井和科學(xué)鉆探工程最主要的鉆進(jìn)工藝方法。螺桿+轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進(jìn)的取心工藝在復(fù)雜破碎及硬巖地層已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用[16-21]。第二階段取心采用“轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)+螺桿馬達(dá)+KT194型取心鉆具”的鉆具組合，螺桿馬達(dá)的型號為5L 7 172×7.0-XI-SF。

5.1.1 第一種技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況

鉆進(jìn)的基本參數(shù)：鉆壓40～60 kN，轉(zhuǎn)速14～20 r/min，排量20～25 L/min，泵壓8～10.5 MPa。

圖5 KT194型取心鉆具內(nèi)外管圖6孕鑲金剛石取心鉆頭

Fig.5InnerandoutertubesofFig.6DiamondcoringbitKT194coringtool

3個回次取心即第二階段取心概況見表2。

以上3個回次取得的巖心如圖7所示。

第二階段取得的巖心主要成分為白云巖，并含極少量泥質(zhì)成分，巖心有明顯擠壓現(xiàn)象，地層裂隙發(fā)育，但是巖心完整性較好。取心結(jié)果也未達(dá)到設(shè)計要求。

表2 第二階段取心概況Table 2 Coring results of stage two

圖7 第二階段取得的巖心Fig.7 Cores of stage two

以上3個回次的取心鉆頭如圖5所示。 KT194型取心鉆具的鉆頭為中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所自主研發(fā)的孕鑲金剛石取心鉆頭，雖然取得了較高的機(jī)械鉆速，但是有兩個齒被整體崩落。該鉆頭的齒與齒之間的間隙較大，在裂隙地層中使用極易導(dǎo)致單齒卡縫，導(dǎo)致齒體整體崩落。如此看來，這種結(jié)構(gòu)的鉆頭并不是最佳的選擇。另外，KT194型取心鉆具的外徑為194 mm、長度10 m，與三開216 mm井徑的單邊間隙只有11 mm，加上三開鉆井的空間結(jié)構(gòu)是牙輪鉆頭鉆進(jìn)形成的不規(guī)則螺旋形態(tài)，鉆具下放過程中經(jīng)常遇阻，掃孔過程中造成取心鉆頭的過早損壞，嚴(yán)重影響取心的順利進(jìn)行。

5.1.2 第一種技術(shù)評價

第一階段與第二階段取心鉆進(jìn)的區(qū)別為取心鉆具與鉆進(jìn)方法不同，現(xiàn)將兩個階段的回次進(jìn)尺、巖心長度及采取率的平均值進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖8 兩個階段取心結(jié)果對比Fig.8 Comparison of coring results in two stages

通過對比分析可得第二階段取心的鉆具和鉆進(jìn)方法具有如下的優(yōu)點(diǎn)。

(1)與第一階段相比回次進(jìn)尺和巖心長度有所提高。主要原因是螺桿馬達(dá)井底驅(qū)動方式增加了取心鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，高轉(zhuǎn)速有利于取心鉆頭快速切入破碎地層，巖心在擾動破碎之前能及時進(jìn)入巖心管，有利于取心長度和巖心完整性的提高。

(2)第二階段取心所采用的KT194鉆具對CGSD-01井適用性較差。對于?215.9 mm的井眼，KT194鉆具外徑偏大[22]，在下放入井時遇到很大的阻力，遇到不規(guī)則的井段更易卡鉆，有時需要掃孔到底，降低了取心鉆進(jìn)的時效，且掃孔對鉆頭的損害較大。在掃孔時鉆頭的齒塊崩落井底，增大了鉆井事故的幾率。

5.2 第二種技術(shù)——井底動力+新“川83”取心鉆具

第二階段的取心最大的成效是巖心的完整度大大提高了，但仍未達(dá)到取心的設(shè)計要求。對此，經(jīng)過綜合分析研究，將一、二兩個階段的取心方案相結(jié)合進(jìn)行第三階段取心嘗試。第三階段取心采用“轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)+螺桿馬達(dá)+新‘川83’取心鉆具”的方案。螺桿馬達(dá)的型號為5L 7 172×7.0-XI-SF。

5.2.1 第二種技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況

鉆進(jìn)的基本參數(shù)：鉆壓20～60 kN，轉(zhuǎn)速16～20 r/min，排量18～19.2 L/min，泵壓10～14 MPa。第三階段的取心概況如表3所示。

表3 第三階段取心概況Table 3 Coring results of Stage Three

第三階段取得巖心如圖9所示。

第三階段的取心取得了更大的突破，巖心長度和采取率均高質(zhì)量地達(dá)到了取心要求。第三階段的巖心主要以白云巖為主，較為破碎。但是巖心的完整性也得到了很大的提高。該階段取心所使用的三角聚晶鉆頭見圖10，PDC鉆頭見圖11。2種鉆頭均獲得了滿意的取心效果，相對而言PDC取心鉆頭鉆進(jìn)效率更高。

5.2.2 第二種技術(shù)評價

現(xiàn)將以上3個階段的取心結(jié)果進(jìn)行對比，詳細(xì)情況如圖12所示。

通過取心概況對比可以看到第3個階段的取心成果是顯而易見的，與前兩個階段相比巖心長度和采取率都大大的提高了，更是高質(zhì)量地完成了取心任務(wù)?？梢?，“川83”取心鉆具與轉(zhuǎn)盤+螺桿配合取心是適宜于霧迷山組地層的。

6 結(jié)語

在具有裂隙發(fā)育且較為破碎的薊縣系霧迷山組巖心采取率是制約京津冀地?zé)豳Y源調(diào)查地?zé)嵘罹@探效率和鉆探質(zhì)量的關(guān)鍵問題。針對天津潘莊凸起構(gòu)造區(qū)東麗湖CGSD-01井霧迷山組地層破碎、堅硬、漏失的復(fù)雜情況，通過不斷地試驗(yàn)、分析，探索出了一種最佳的取心技術(shù)即“螺桿馬達(dá)+石油‘川83’系列取心鉆具”，使平均巖心采取率從前8回次的70%提高至后12回次的91%，取心效果和質(zhì)量顯著提高，助力CGSD-01井創(chuàng)造了天津地區(qū)霧迷山地層取心次數(shù)最多、取心層位最完整的記錄。這種取心鉆進(jìn)組合，不僅顯著提高了復(fù)雜地層的巖心采取率，而且在深井取心鉆進(jìn)中還能維護(hù)破碎地層井壁的穩(wěn)定，對未來3000～4000 m以深的地?zé)嵘罹@探取心具有很好的借鑒和指導(dǎo)作用。

圖9第三階段取得的巖心
Fig.9Coresofstagethree

圖10三角聚晶鉆頭圖11 PDC取心鉆頭

Fig.10TriangularpolycrystallinediamondcoringbitFig.11PDCcoringbit

圖12 3個階段取心對比Fig.12 Comparison of coring results in three stages