高滲透易阻卡地層防卡旋轉(zhuǎn)割心工藝
——以威207井為例

段緒林 卓 云 張 杰 熊鴻照 陳錦泉 張運(yùn)迪

中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探分公司

0 引言

在儲(chǔ)層段的取心作業(yè)，是天然氣勘探開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)。大部分儲(chǔ)層段的裂縫、孔洞發(fā)育，滲透性強(qiáng)，取心作業(yè)易發(fā)生阻卡現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致復(fù)雜故障發(fā)生，尤其是取心鉆進(jìn)結(jié)束后的割心環(huán)節(jié)，因井壁濾餅影響，極易發(fā)生阻卡現(xiàn)象，井壁濾餅愈厚，割心上提鉆具高度愈高，阻卡愈嚴(yán)重[1-5]。上提鉆具割心時(shí)常有卡鉆故障發(fā)生，如川渝地區(qū)的蓬萊103井、磨溪107井、威207井等，最為典型的是威207井寒武系下統(tǒng)筇竹寺組取心，因地層滲透性強(qiáng)、巖石破碎等因素引起取心段井壁快速形成厚濾餅，割心上提鉆具中頻繁發(fā)生阻卡及卡鉆，極大地影響該井后續(xù)取心作業(yè)和延誤巖心資料的及時(shí)分析[6-10]。

目前，割心均采用停頂驅(qū)（轉(zhuǎn)盤）、不停泵，直接上提鉆具的方式將巖心進(jìn)行拔斷，該割心工藝能滿足正常地層取心需要，但在高滲透破碎地層割心作業(yè)遇阻卡時(shí)，為確保取心收獲率，都只能采取多次上下活動(dòng)鉆具的方式消除阻卡，嚴(yán)重時(shí)采用隨鉆震擊器震擊，復(fù)雜情況的處理手段單一，效果差[11-20]。為了有效實(shí)現(xiàn)安全割心，需要從操作程序入手，探索一種新的割心工藝，解決高滲透易阻卡井段取心作業(yè)難題。

筆者以威遠(yuǎn)頁巖氣風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)威207井為例，針對(duì)該井在高滲透易阻卡井段取心作業(yè)難點(diǎn)，詳細(xì)闡述現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)新提出并實(shí)施的防卡旋轉(zhuǎn)割心工藝技術(shù)，并總結(jié)提煉形成安全操作配套工藝。

1 取心作業(yè)復(fù)雜表現(xiàn)與前期處理

威遠(yuǎn)頁巖氣風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)威207井原計(jì)劃開展下部筇竹寺組頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)取心作業(yè)，設(shè)計(jì)在井段2 930～3 175 m之間，完成取心進(jìn)尺170 m ，其評(píng)價(jià)效果將直接關(guān)系到威遠(yuǎn)風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)的有序接替及下步勘探方向的轉(zhuǎn)移。但是現(xiàn)場(chǎng)上，?244.5 mm套管下至1 644.10 m，在下志留統(tǒng)龍馬溪組直改平鉆進(jìn)中2次卡鉆，因此只能更改設(shè)計(jì)，利用原井眼直接加深鉆至筇竹寺組取心，事實(shí)上是?215.9 mm井眼鉆至井深3 000 m取心，取心井段3 000～3 243 m，累計(jì)取心進(jìn)尺213.37 m ,其上部井眼軌跡復(fù)雜，摩阻大、扭矩大，前12次取心作業(yè)，在上提鉆具割心過程中引起7次嚴(yán)重阻卡和2次嚴(yán)重卡鉆，其中2次卡鉆經(jīng)過多次頂驅(qū)蹩扭矩25～28 kN·m和1 600～1 900 kN反復(fù)大力活動(dòng)，最終通過隨鉆震擊器震擊解卡，高扭矩和大的拉力造成兩只取心鉆頭胎體被扭破，?165.1 mm鉆鋌母接頭根部出現(xiàn)2/3圈的斷口，險(xiǎn)些釀成二次井下事故。根據(jù)單次取心作業(yè)過程分析，取心鉆進(jìn)扭矩高，割心困難，割心后阻卡嚴(yán)重，在實(shí)鉆中，根據(jù)隨鉆情況實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，采取相應(yīng)措施。

1.1 取心作業(yè)扭矩高

1）鉆井取心參數(shù)：1～4次取心，鉆壓70～100 kN，轉(zhuǎn)速50～55 rpm，排量20 L/s。因鉆壓、轉(zhuǎn)速高，引起取心鉆進(jìn)扭矩高，所以降低取心參數(shù)鉆進(jìn)。自第5次取心開始，局部井段鉆進(jìn)扭矩波動(dòng)范圍在14～24 kN·m，為控制鉆進(jìn)扭矩，適當(dāng)降低取心參數(shù)鉆進(jìn)。5～12 次取心，鉆壓30～40kN，轉(zhuǎn)速40～45 rpm，排量20 L/s。

2）該井上部井段經(jīng)過2次側(cè)鉆，為有效檢驗(yàn)井眼暢通性，在井深1 610 m測(cè)試空轉(zhuǎn)扭矩4～5 kN·m，井深1 900 m空轉(zhuǎn)扭矩增至8～9 kN·m，取心井段空轉(zhuǎn)扭矩14～17 kN·m，鉆進(jìn)扭矩14～23 kN·m，超出其它頁巖取心井鉆進(jìn)扭矩8～12 kN·m，加之多處取心井段需長(zhǎng)時(shí)正、倒劃眼才能通過并頻繁蹩停頂驅(qū)（扭矩設(shè)置23～24 kN·m），導(dǎo)致取心工具及鉆頭長(zhǎng)期承受較大交變應(yīng)力易產(chǎn)生疲勞而引發(fā)故障。

為此進(jìn)行取心工具優(yōu)化，更換為強(qiáng)度更高的CQX180-105取心工具，其抗拉強(qiáng)度1 400 kN、抗扭強(qiáng)度35 kN·m，并先后倒換使用7套，及時(shí)釋放復(fù)雜條件下的取心工具應(yīng)力，確保了取心工具安全。

1.2 上提鉆具割心阻卡嚴(yán)重

首次割心上提鉆具遇阻，在第2次取心前將鉆井液油含量由5%提至8%， 2～3次割心上提鉆具正常， 4～12次割心發(fā)生阻卡復(fù)雜7次，卡鉆2次。

后來進(jìn)行鉆井液性能優(yōu)化，采用有機(jī)鹽鉀聚磺鉆井液，密度1.42 g/cm3，黏度60 s，失水1.6 mL，泥餅0.5 mm，油含5%，切力2.0/8.5 Pa，含砂0.3%，pH值10。該鉆井液具有潤(rùn)滑性較好、對(duì)泥頁巖水化分散抑制性較強(qiáng)的特點(diǎn)。每趟鉆堅(jiān)持使用除泥除砂器和一體機(jī)，維護(hù)較好。第1次取心下鉆至井底循環(huán)及取心鉆進(jìn)過程中，振動(dòng)篩有極少量圓顆粒狀巖屑返出。在第5次、第7次取心前，2次提高鉆井液密度至1.55 g/cm3，并將高溫高壓失水由1.6降至1.4 mL，油含維持8%，其余筒次取心及擴(kuò)眼均未見掉塊，井壁穩(wěn)定。鉆井液各項(xiàng)性能指標(biāo)經(jīng)多次優(yōu)化，井下阻卡頻繁的狀況未見改善。

同時(shí)強(qiáng)化井眼修復(fù)，加大取心作業(yè)中擴(kuò)眼頻率，取心作業(yè)2次就采用牙輪鉆頭擴(kuò)眼1次，擴(kuò)眼鉆具帶? 210 mm扶正器。

經(jīng)以上措施處理，割心遇阻卡未見明顯改善，自第8次取心開始，在擴(kuò)眼井段下鉆均需長(zhǎng)時(shí)劃眼才能通過并頻繁蹩停頂驅(qū)。

2 取心作業(yè)阻卡頻繁的復(fù)雜原因

針對(duì)取心作業(yè)扭矩高、阻卡多的復(fù)雜表現(xiàn)，從地層滲透性、泥餅質(zhì)量等巖性特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合取心作業(yè)、擴(kuò)眼作業(yè)復(fù)雜發(fā)生與處理特點(diǎn)，分析了阻卡頻繁發(fā)生的復(fù)雜原因。

2.1 地層滲透率高

威207井設(shè)計(jì)在筇竹寺組取心173 m，取心收獲率要求95%以上，取心井段長(zhǎng)，技術(shù)要求高，取心難度大。取心作業(yè)中，觀察取出巖心，3 000～3 045 m為黑色頁巖；3 046～3 171 m砂質(zhì)頁巖與黑色頁巖互層，砂質(zhì)頁巖為主；3 165～3 171 m以粉砂巖為主，夾頁巖薄層。第一次割心提鉆遇阻后將鉆井液油含提至8%，第2、第3次取心均能正常提鉆，從井深3 046 m即第4次取心末段開始，鉆取長(zhǎng)段砂質(zhì)頁巖且頁理發(fā)育，出井巖心如餅狀，厚度介于3～100 mm，巖石頁理發(fā)育且砂質(zhì)含量高，存在一定孔隙度，地層滲透率高。

2.2 厚濾餅形成小井眼

砂質(zhì)頁巖段取心，鉆屑近似粉末狀，混雜于鉆井液中，雖經(jīng)振動(dòng)篩、除泥除砂器等固控設(shè)備過濾，但受地層滲透性和取心排量小返速低的雙重影響，部分粉末狀鉆屑在井底上返途中被吸附于井壁，同時(shí)因取心鉆頭無噴嘴，鉆井液從巖心鉆孔中流出并經(jīng)取心鉆頭刀翼之間的流道上返，水馬力減弱，對(duì)取心鉆頭以上的井壁不能起到較好清潔，逐步形成濾餅，滲透性愈好的井段，濾餅愈厚。

受取心鉆頭結(jié)構(gòu)影響，鉆頭每個(gè)刀翼頂端存在臺(tái)階，割心提鉆時(shí)井壁泥餅在臺(tái)階處堆積（鉆井液主要從兩刀翼間的流道上返），隨提鉆高度的增加（金剛石與聚晶金剛石復(fù)合片取心鉆頭同比，與井壁接觸面更大），堆積的泥餅隨之增加并與井壁相互擠壓逐步形成小井眼，引起割心提鉆遇阻，井壁泥餅愈厚、鉆具上提高度愈多，阻卡愈嚴(yán)重。在出井取心鉆頭和擴(kuò)眼起出的扶正器上均能見證濾餅。

3 旋轉(zhuǎn)割心工藝

在前期取心作業(yè)與復(fù)雜處理中，對(duì)取心鉆頭、取心工具、取心參數(shù)、鉆井液性能、取心鉆具組合、井眼修復(fù)等技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，效果不理想，阻卡依然頻繁發(fā)生。作為取心工藝技術(shù)的重要組成部分的取心作業(yè)操作程序，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.1 常規(guī)割心工藝局限性

常規(guī)割心工藝在取心結(jié)束后，停頂驅(qū)、不停泵上提鉆具，產(chǎn)生一定拉力作用于巖心爪上，迫使巖心爪下行并向內(nèi)收縮，卡住并割斷巖心。割心前停頂驅(qū)的目的是防止因鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)甩掉巖心。雖然該工藝能滿足井下正常時(shí)的作業(yè)需要，但在井壁快速形成較厚濾餅的高阻卡井段割心作業(yè)中極易發(fā)生卡鉆，存在不適應(yīng)復(fù)雜地層取心的局限性。

3.2 旋轉(zhuǎn)割心工藝原理與安全性評(píng)價(jià)

針對(duì)砂質(zhì)頁巖地層特點(diǎn)，結(jié)合對(duì)取心工具結(jié)構(gòu)的思考，創(chuàng)新提出一種非常規(guī)割心工藝，兼顧割心與防卡。通過安全性、可行性分析，該工藝增加了掉心的風(fēng)險(xiǎn)，但能通過精細(xì)操作加以控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)可控。

3.2.1 技術(shù)原理

取心結(jié)束前，增大排量循環(huán)，不停頂驅(qū)、不停泵，間斷上提鉆具，利用取心鉆頭旋轉(zhuǎn)清除井壁濾餅，降低卡鉆幾率，同時(shí)利用間斷上提鉆具逐漸產(chǎn)生的拉力割斷巖心。

3.2.2 安全性分析

取心筒由內(nèi)筒、外筒組成，內(nèi)筒上部由懸掛總成連接，取心鉆進(jìn)中，外筒隨頂驅(qū)（轉(zhuǎn)盤）轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)筒不旋轉(zhuǎn)，便于巖心進(jìn)入內(nèi)筒，在割心作業(yè)中，即使鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)，受懸掛軸承作用，內(nèi)筒及裝在內(nèi)筒中的巖心和內(nèi)筒下端的巖心爪都不隨外筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 旋轉(zhuǎn)割心工藝風(fēng)險(xiǎn)與控制技術(shù)

針對(duì)旋轉(zhuǎn)割心工藝過程，分析了割心作業(yè)新增的掉心風(fēng)險(xiǎn)，提出了確保取心工具質(zhì)量，嚴(yán)格控制上提速度、扭矩、排量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的旋轉(zhuǎn)割心關(guān)鍵要點(diǎn)，并制定了旋轉(zhuǎn)割心安全操作工藝程序。

風(fēng)險(xiǎn)分析認(rèn)為，如果取心工具使用前檢查、保養(yǎng)不到位，或者外筒旋轉(zhuǎn)時(shí)操作不當(dāng)，容易導(dǎo)致軸承失效，在旋轉(zhuǎn)割心過程中內(nèi)筒跟隨外筒轉(zhuǎn)動(dòng)，引起巖心爪磨損或產(chǎn)生錯(cuò)位而造成巖心掉井。

關(guān)鍵要點(diǎn)在于：①確保取心工具質(zhì)量，每一次工具入井前應(yīng)仔細(xì)檢查及保養(yǎng)懸掛軸承，防止因軸承失效在旋轉(zhuǎn)割心過程中內(nèi)筒跟隨外筒轉(zhuǎn)動(dòng)，引起巖心爪磨損或產(chǎn)生錯(cuò)位而造成巖心掉井；②割心過程中嚴(yán)格控制每一次上提鉆具的拉力、控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)速以及扭矩、控制循環(huán)排量。

作業(yè)步驟分作4步：①取心鉆進(jìn)完，不停頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤，按取心工具最大允許排量循環(huán)5～10 min帶砂；②頂驅(qū)扭矩按取心工具額定抗扭的60%設(shè)定，保持頂驅(qū)轉(zhuǎn)速及排量不變，上提鉆具一段高度（高度由施加的鉆壓確定），恢復(fù)鉆壓帶來的壓縮距（初始階段上提鉆具應(yīng)緩慢，防瞬時(shí)扭矩過大蹩停頂驅(qū)而導(dǎo)致卡鉆）；③觀察扭矩變化情況，扭矩趨于平穩(wěn)，間斷上提鉆具一定高度并嚴(yán)格控制鉆具拉力，每次上提高度30～100 mm，直至將巖心割斷（注意：經(jīng)多次間斷上提鉆具后，當(dāng)指重表上顯示的拉力逐步增加，說明巖心爪已抓牢巖心，由此，每次上提鉆具的高度應(yīng)不大于50 mm，且應(yīng)以頂驅(qū)扭矩的變化情況作為實(shí)時(shí)參考數(shù)據(jù)，防止頂驅(qū)蹩停導(dǎo)致卡鉆）；④巖心割斷后，降低頂驅(qū)轉(zhuǎn)速20%～30%，視井下復(fù)雜情況繼續(xù)間斷上提鉆具，直到提至安全井段，完成循環(huán)或起鉆。

旋轉(zhuǎn)割心期間，在取心鉆頭距離井底1 m間距內(nèi)，上提鉆具拉力應(yīng)不超過15～20 kN，不論是上提高度還是上提拉力都應(yīng)以頂驅(qū)扭矩的變化情況決定，以保證頂驅(qū)不被蹩停，從而預(yù)留1 m的安全距離，該距離可用于后續(xù)頂驅(qū)蹩停時(shí)恢復(fù)頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)的空間。

4 應(yīng)用效果

旋轉(zhuǎn)割心工藝在該井筇竹寺組取心井段3 171～3 189.5 m、3 120～3 143 m成功應(yīng)用4次，完成取心進(jìn)尺41.5 m，心長(zhǎng)41.4 m，收獲率99.76%。該段巖石仍以粉砂巖為主，夾頁巖薄層。該工藝的使用，避免了上提鉆具割心的頻繁遇卡現(xiàn)象（在井段3 189.5～3 190.37 m取心鉆進(jìn)中，因鉆遇膠結(jié)差的粉砂巖產(chǎn)生高扭矩造成取心鉆頭被卡，繼續(xù)取心困難，換牙輪鉆頭鉆至3 220 m恢復(fù)取心鉆進(jìn)）。

與前期同比，通過嚴(yán)格控制上提鉆具拉力、實(shí)時(shí)調(diào)整頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，將扭矩控制在16～20 kN·m之間割斷巖心（扭矩設(shè)置21 kN·m），取心工具及鉆頭在旋轉(zhuǎn)割心期間承受的扭矩得到降低；割斷巖心旋轉(zhuǎn)上提鉆具中，受井壁濾餅影響，扭矩波動(dòng)大，頂驅(qū)多次蹩停，因鉆頭與井底已形成一定安全空間，下放鉆具即可恢復(fù)頂驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)、完成倒劃眼。

5 結(jié)論

1）威207井筇竹寺組地層滲透性好，井壁存在較厚濾餅，采用常規(guī)割心工藝難以解決割心頻繁遇阻卡的難題。針對(duì)該井實(shí)際情況，創(chuàng)新提出旋轉(zhuǎn)割心工藝并現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)4次，有效解決了該井割心頻繁遇卡的復(fù)雜狀況，降低了鉆具、取心工具、取心鉆頭承受的工作扭矩，擴(kuò)展了復(fù)雜井段旋轉(zhuǎn)作業(yè)應(yīng)用范圍。

2）旋轉(zhuǎn)割心工藝可以在深井高摩阻、高扭矩復(fù)雜井段取心作業(yè)中推廣使用，解決取心作業(yè)小井眼段復(fù)雜難題。

3）采用旋轉(zhuǎn)割心工藝有較大的掉心風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)強(qiáng)化井下情況分析，根據(jù)巖石性質(zhì)、井下復(fù)雜特點(diǎn)、取心工具等取心因素優(yōu)選技術(shù)參數(shù)，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。