FCT-2旋轉(zhuǎn)式井壁取心收獲率影響因素淺析

王 健

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163357 )

0 引 言

FCT-2型旋轉(zhuǎn)式井壁取心器自2005年在大慶油田開始應(yīng)用，經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的不斷革新、調(diào)整、改進(jìn)，已經(jīng)逐漸適應(yīng)大慶油田的地質(zhì)特征，取心收獲率逐年提高。目前在石油行業(yè)，井下取心主要有三種形式：鉆井取心、爆炸式井壁取心和旋轉(zhuǎn)式井壁取心。鉆井取心成本較高、容易丟心、影響鉆井速度；爆炸式井壁取心取出的巖心體積小、形狀不規(guī)則，因爆炸作用，一定程度地改變了巖石的原始狀態(tài)，不利于巖心分析，而且破壞井壁；旋轉(zhuǎn)式井壁取心施工簡(jiǎn)單、巖心形狀規(guī)則，保持巖石的原始狀態(tài)，對(duì)井壁損傷小。旋轉(zhuǎn)式井壁取心已經(jīng)成為比較廣泛的取心方法之一。針對(duì)幾年來(lái)取心施工中對(duì)影響取心收獲率的因素進(jìn)行總結(jié)、分析，提出了相應(yīng)的整改措施，對(duì)提高取心收獲率具有一定的指導(dǎo)意義。

1 取心器工作原理

1.1 取心器組成

旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀器由地面控制系統(tǒng)和井下儀器系統(tǒng)兩大部分組成。其中地面系統(tǒng)由控制面板、調(diào)壓器、升壓器組成；井下儀器系統(tǒng)包括馬籠頭、電子節(jié)、液壓節(jié)和機(jī)械節(jié)，如圖1所示。

圖1 取心器井下儀器系統(tǒng)組成示意圖

1.2 取心器特點(diǎn)

FCT-2型旋轉(zhuǎn)井壁取心器與其他同類儀器相比較的特點(diǎn)是維修簡(jiǎn)單，可以根據(jù)深度與井溫的不同來(lái)選擇相對(duì)應(yīng)的液壓油號(hào)，有加長(zhǎng)臂、蓄能裝置、鉆頭表面的導(dǎo)砂槽和導(dǎo)砂孔和細(xì)牙輪鉆頭的設(shè)計(jì)。

1.3 儀器性能指標(biāo)

下井儀器最大外徑129 mm，最大長(zhǎng)度6 340 mm，適合井徑范圍為Φ160～Φ340 mm。

下井儀器的環(huán)境條件：溫度最高175 ℃；壓力最大140 MPa。

巖心尺寸：直徑25 mm,最大長(zhǎng)度50 mm。

取心器外部供電要求：三相四線制380 V，50 Hz。

1.4 取心過(guò)程

下放儀器到取心層位以下，上測(cè)取心段的自然伽馬曲線，與完井電測(cè)自然伽馬曲線對(duì)比，找準(zhǔn)取心位置，并標(biāo)注上取心深度及巖心編號(hào)。下放儀器到取心層位以下，上測(cè)跟蹤自然伽碼曲線，使鉆頭對(duì)準(zhǔn)取心深度點(diǎn)。啟動(dòng)電機(jī)，使上下推靠臂張開，把儀器推靠到井壁上；啟動(dòng)液壓馬達(dá)并開始鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)到預(yù)定位置后，立即停止液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)液壓馬達(dá)尾部快速向上翹動(dòng)，折斷巖心，然后馬達(dá)鉆退，液壓馬達(dá)連同鉆取的巖心退入機(jī)械節(jié)，再提升電纜取下一深度點(diǎn)。巖心退入機(jī)械節(jié)后，機(jī)械節(jié)內(nèi)的推心桿將巖心推入儲(chǔ)心筒，若巖心完整，心長(zhǎng)傳感器可產(chǎn)生感應(yīng)，得到巖心長(zhǎng)度，如果巖心沒取出或破碎則不能產(chǎn)生感應(yīng)，由此確認(rèn)巖心是否成功取出。儀器起出井口后把儲(chǔ)心筒取出，倒出巖心。每鉆取一顆巖心，都要填寫操作記錄，可用于巖心深度歸位，防止巖心深度混淆。

2 收獲率影響因素分析

2.1 地層因素

地層的特性對(duì)取心具有很大的影響，主要表現(xiàn)在地層硬度、巖石的可鉆性、地層溫度、巖石膠結(jié)程度和井徑等。地層特性是客觀存在的，施工中要加強(qiáng)取心方法的研究，在取心器的設(shè)計(jì)上提高儀器性能，適應(yīng)地層特性，提高取心收獲率。

2.1.1 地層硬度

旋轉(zhuǎn)式井壁取心時(shí)利用鉆頭鉆取地層巖石，地層越硬，鉆取難度越大，地層越軟，鉆取越容易，但是鉆取結(jié)束后，還有折斷巖心、“抱住”巖心和推入儲(chǔ)心筒及鉆進(jìn)過(guò)程中排屑的過(guò)程。軟地層取心，一是不易折斷巖心，二是“抱不住”巖心，三是在推入儲(chǔ)心筒過(guò)程中巖心破碎，很難取心成功。從這一點(diǎn)看，地層應(yīng)該具有一定的硬度，才能取心成功。目前大慶地區(qū)取心層主要是扶楊油層、葡萄花油層、黑帝廟油層，從收獲率角度看，扶楊油層的硬度比較適合取心器，收獲率也比較高，如圖2所示?？偟膩?lái)說(shuō)，該取心器對(duì)于巖石硬度來(lái)說(shuō)是“怕軟不怕硬”。

圖2 不同油層取心收獲率

2.1.2 巖石可鉆性

巖石可鉆性是在某種規(guī)定的指標(biāo)下,以一定量度來(lái)表示巖石破碎的難易程度，巖石可鉆性由巖石自身內(nèi)在本質(zhì)決定。巖石的可鉆性與聲波時(shí)差具有一定關(guān)系。在鉆方面有許多關(guān)于聲波時(shí)差與巖石可鉆性的研究，圖3所示是牙輪鉆頭可鉆性與聲波時(shí)差的關(guān)系[1]，如果能夠建立取心鉆頭與聲波時(shí)差的關(guān)系，將會(huì)對(duì)提高取心收獲率有一定的幫助。

圖3 牙輪鉆頭可鉆性與聲波時(shí)差的關(guān)系

2.1.3 地層溫度

旋轉(zhuǎn)式井壁取心的液壓推靠、鉆頭的鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)都是以液壓油為動(dòng)力的，液壓油的性能受溫度影響很大。不同深度取心點(diǎn)采用不同型號(hào)的液壓油，以保證液壓油有效的傳遞動(dòng)力，目前取心深度紀(jì)錄是4 800 m，根據(jù)不同深度選取合適的液壓油，能提高取心收獲率。

2.1.4 膠結(jié)特征

地應(yīng)力集中、易破碎的硬地層以及膠結(jié)差的地層對(duì)巖心的收獲率影響很大，破碎的硬地層在鉆取時(shí)巖心容易破碎造成卡鉆、或者巖心不完整，甚至完全破碎而取不到巖心。膠結(jié)差或未膠結(jié)地層，一是影響巖心的形狀，不能取到標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形；二是取心時(shí)鉆下來(lái)的不是巖屑，而是巖石顆粒，使排屑困難，容易卡鉆，造成取心失??；三是能夠完成鉆取過(guò)程，不能折斷巖心或者不能“抱住”巖心，而造成丟心。

2.1.5 井徑擴(kuò)徑

取心點(diǎn)井徑擴(kuò)徑，取心鉆頭不能完全貼近井壁，而鉆頭的長(zhǎng)度是一定的，理論鉆取巖心長(zhǎng)度是5 cm，這5 cm的長(zhǎng)度包括泥餅和儀器與井壁之間的縫隙。因此擴(kuò)徑會(huì)造成鉆取巖心長(zhǎng)度短，甚至取不到巖心，導(dǎo)致取心失敗。

2.2 取心器因素

2.2.1 液壓元件的損壞、液壓油污染

取心的動(dòng)力是依靠液壓油傳遞的，液壓油受到污染，會(huì)影響動(dòng)力的傳遞。在儀器維修時(shí)，要保持室內(nèi)濕潤(rùn)，灰塵盡可能的少，要用較好的面巾紙擦拭，一點(diǎn)灰塵、一點(diǎn)紙的碎屑進(jìn)入液壓油中，在液壓循環(huán)時(shí)都會(huì)影響到動(dòng)力的傳遞。作業(yè)過(guò)程中，鉆井液的侵入，一是密封不好的侵入，二是皮囊破損的侵入，要求密封圈要經(jīng)常的更換，防止密封不嚴(yán)，井內(nèi)無(wú)巖屑，防止巖屑扎壞皮囊。

為了降低和控制液壓油的污染，應(yīng)對(duì)油品進(jìn)行采樣分析、及時(shí)更換，采用密封效果好、耐磨的密封圈，并且在實(shí)際作業(yè)中不斷總結(jié)，完善儀器本身的設(shè)計(jì)缺陷，尤其是液壓部分。

2.2.2 電子節(jié)干擾

電子節(jié)主要功能是數(shù)傳和伽馬信號(hào)采集，主要故障表現(xiàn)在井下儀器的供電、數(shù)據(jù)傳輸和伽馬信號(hào)的采集。電子節(jié)出現(xiàn)故障，將無(wú)法完成取心作業(yè)施工，下井前必須檢查電子節(jié)，日常生產(chǎn)準(zhǔn)備應(yīng)做好維修保養(yǎng)，另外可以完善電路設(shè)計(jì)，減少故障的發(fā)生[2]。

2.2.3 鉆進(jìn)速度

鉆頭的鉆進(jìn)速度快慢直接影響取心效果，鉆進(jìn)速度過(guò)快，動(dòng)力下降的同時(shí)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的巖屑多，容易卡鉆，過(guò)慢影響時(shí)效，井下儀器停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易造成吸附卡。鉆進(jìn)速度與井況密切相關(guān)，地面調(diào)節(jié)不一定適應(yīng)于井下環(huán)境，需要儀器下井鉆取巖心時(shí)才能確定當(dāng)前鉆進(jìn)速度是否適合。2010年前需要將井下儀器提到井口才能調(diào)節(jié)鉆進(jìn)速度，2010年經(jīng)過(guò)改造后能在地面操作臺(tái)調(diào)節(jié)鉆進(jìn)速度。適合的鉆進(jìn)速度有利于提高取心收獲率和時(shí)效。

2.2.4 心長(zhǎng)傳感器的影響

心長(zhǎng)傳感器能夠在巖心被推入儲(chǔ)心桶的過(guò)程感知鉆取的巖心長(zhǎng)度，并把長(zhǎng)度信息傳遞到地面控制面板，得到巖心長(zhǎng)度信息，從而地面操作人員清楚地知道鉆取巖心的長(zhǎng)度以及是否收獲巖心，長(zhǎng)度不足或沒有取到巖心，再補(bǔ)取該深度點(diǎn)巖心。心長(zhǎng)傳感器出現(xiàn)故障，將無(wú)法知道是否收獲巖心，必須更換井下儀器，否則可能造成巖心深度混淆。

2.2.5 儀器方位的不可控

該儀器在井下不能控制方位，儀器在井下是旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)在同一深度多次取心時(shí)，有在同一位置取心的可能性，造成取心失敗，或者使鉆取的巖心不完整，兩顆同一深度的巖心部分重疊，從上方觀看，有月牙形狀。

2.3 井況因素

旋轉(zhuǎn)式井壁取心對(duì)井況的要求比較嚴(yán)格，井況因素會(huì)直接影響到取心收獲率。

2.3.1 井斜

井斜角度大，在重力作用下，取心器會(huì)緊貼井壁，在鉆取巖心時(shí)容易吸附卡。同時(shí)，因?yàn)闊o(wú)法控制取心器在井下的角度，若推靠器力量不足，可能使鉆頭一側(cè)不能緊貼井壁，造成巖心長(zhǎng)度短，甚至取不到巖心。該儀器取心最大斜度記錄是10°。井斜對(duì)取心收獲率的影響如圖4所示。

圖4 井斜對(duì)取心收獲率的影響

2.3.2 泥餅

泥餅的厚度直接影響巖心的長(zhǎng)度。鉆頭的長(zhǎng)度是固定的，泥餅過(guò)厚，會(huì)減小巖心的長(zhǎng)度，甚至鉆取的巖心長(zhǎng)度不能滿足實(shí)驗(yàn)室的需求，因此，一般情況下，在鉆井液靜止8 h以上時(shí)，需要循環(huán)鉆井液3周，以便提高井況質(zhì)量，保證取心收獲率。

2.3.3 卡鉆

取心過(guò)程中因巖石膠結(jié)、含礫巖層、鉆進(jìn)速度調(diào)節(jié)不合適、鉆井液密度過(guò)大等因素易造成卡鉆，導(dǎo)致無(wú)法取出巖心，嚴(yán)重時(shí)，需要上下活動(dòng)電纜退出鉆頭，甚至拉斷弱點(diǎn)，舍去鉆頭及鉆桿來(lái)保住儀器，若處理不得當(dāng)，容易造成吸附卡。因此在取心時(shí)要了解取心點(diǎn)的巖性、膠結(jié)特性、鉆井液性能等，做好可能的應(yīng)急措施，避免卡鉆，更要保護(hù)好取心器。

2.3.4 鉆井液密度、粘度、含沙量

鉆井液的影響，取心器對(duì)鉆井液有嚴(yán)格的要求：1)循環(huán)鉆井液3周以上，充分除砂、除巖屑；2)鉆井液性能要求，漏斗粘度≤60 s，含砂量≤0.5%，失水量≤8 ml，比重≤1.4 g/cm3；3)鉆井液靜止8 h以上，必須再次通井循環(huán)鉆井液3周以上。

2.4 其他因素

2.4.1 儀器操作

操作人員不熟練或者經(jīng)驗(yàn)不足，在取心操作時(shí)處理井下問(wèn)題不及時(shí)，會(huì)影響取心收獲率，甚至使鉆頭卡死在地層中，引發(fā)工程事故。

2.4.2 與錄井的認(rèn)識(shí)上的差異

由于錄井撈砂樣和旋轉(zhuǎn)井壁取心取樣方式的不同，導(dǎo)致砂樣的不一致，與錄井的認(rèn)識(shí)就略有差異[3-10]。此時(shí)就需要現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)井技術(shù)人員結(jié)合測(cè)井曲線，得出是否二次取心驗(yàn)證的結(jié)論。

統(tǒng)計(jì)2019年不同因素對(duì)取心收獲率的影響，25口井中，井斜影響10井次，為影響取心收獲率的主要因素，如圖5所示。

圖5 不同因素對(duì)取心收獲率的影響

3 結(jié) 論

1)對(duì)于地層因素我們需要通過(guò)改進(jìn)取心器來(lái)提高取心收獲率。目前取心作業(yè)時(shí)，為了克服因地層因素影響收獲率的問(wèn)題，是通過(guò)多次取心，更換儀器的方法，這樣不僅影響時(shí)效，對(duì)儀器的壽命也有影響。建議設(shè)計(jì)能夠控制儀器方位的取心器，針對(duì)同一深度點(diǎn)，可以在不同方位取心，還可以證明不同曲線在同一層位的不同響應(yīng)。

2)井況因素的影響，需要甲方的配合，在鉆井設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮取心器對(duì)鉆井液的要求，泥餅增厚，重新循環(huán)鉆井液，這樣可以提高取心收獲率；但是對(duì)于井徑擴(kuò)徑的影響，目前的取心器無(wú)法解決。建議設(shè)計(jì)帶有推靠臂的取心器，把鉆頭安裝在推靠臂上，在一定程度上可以減小擴(kuò)徑的影響。