準噶爾盆地瑪頁1井長筒取心技術(shù)

曹龍龍，張恒春，王穩(wěn)石，閆 家，徐小龍，黃浩平，胡 晨

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局深部地質(zhì)鉆探技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065000；3.新疆油田公司勘探事業(yè)部，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000；5.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

0 引言

瑪頁1井部署在新疆瑪湖凹陷，目的是探索瑪湖凹陷北斜坡帶二疊系風(fēng)城組頁巖油和常規(guī)高孔火山巖油藏重大勘探領(lǐng)域的勘探潛力，開辟瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)堿湖碳酸鹽頁巖油新領(lǐng)域。該區(qū)域二疊系風(fēng)城組云質(zhì)類致密巖可鉆性差、裂隙發(fā)育、回次取心進尺短、取心效率極低，鄰井長井段取心平均機械鉆速不足0.4 m/h，平均單回次進尺僅8.6 m，應(yīng)用常規(guī)取心技術(shù)遠不能滿足瑪頁1井長井段連續(xù)取心的時效要求。為了縮短建井周期，實現(xiàn)致密巖地層取心提速，中石油西部鉆探克拉瑪依鉆井公司應(yīng)用中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研發(fā)的KT216型鉆具長筒取心技術(shù)［1-2］，配套井底動力高轉(zhuǎn)速驅(qū)動孕鑲金剛石鉆頭工藝［3-5］，大幅改善了風(fēng)城組云質(zhì)類致密巖、泥巖地層的取心效率，累計取心進尺445.58 m，巖心采取率97.96%，實現(xiàn)平均回次進尺17.78 m，最長單回次進尺41.97 m。KT216型鉆具長筒取心技術(shù)及配套工藝在瑪頁1井的成功應(yīng)用，為該區(qū)域致密巖地層長井段高效取心開辟了新方法。

1 KT216型鉆具結(jié)構(gòu)及取心工藝

KT216型取心鉆具屬于雙管單動取心鉆具，由3大部分組成：懸掛機構(gòu)、外總成和內(nèi)總成。懸掛機構(gòu)由上接頭、軸承腔、軸承、心軸、鎖母幾部分組成，主要實現(xiàn)鉆具內(nèi)外管回轉(zhuǎn)單動作用；外總成由外管、金剛石扶正器、鉆頭組成；內(nèi)總成由內(nèi)管接頭、內(nèi)管、短接、上下卡簧座以及卡簧組成，如圖1所示。其規(guī)格參數(shù)如表1所示。

圖1 KT216型帶雙扶正器取心鉆具結(jié)構(gòu)Fig.1 KT216 core drilling tool structure with the double centralizers

表1 KT216型鉆具規(guī)格參數(shù)Table 1 Specification of KT216 drilling tool mm

KT216型鉆具配套的長筒取心技術(shù)體系，通過大陸科學(xué)鉆探松科2井超千米連續(xù)取心應(yīng)用驗證并優(yōu)化完善，其在地質(zhì)勘探大口徑取心及油氣勘探領(lǐng)域多次應(yīng)用并取得明顯成效。相比石油常規(guī)取心鉆具川8-4型，同等?215.9 mm鉆頭直徑時，巖心直徑增加18.1%，鉆頭切削地層面積減少12.21%，理論碎巖體積小、效率更高。KT型鉆具有單點和多點扶正結(jié)構(gòu)，多筒聯(lián)裝的長筒取心鉆具一般采用多點扶正結(jié)構(gòu)，多筒之間采用金剛石扶正器連接，單筒到四筒自由組合實現(xiàn)10～42 m單回次取心進尺，三筒聯(lián)裝的長筒鉆具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 KT216型鉆具三筒聯(lián)裝的長筒鉆具示意Fig.2 Schematic diagram of the long barrel drilling tool assembled with three KT216 core barrels

KT216型鉆具可配套多種取心工藝，包括地表驅(qū)動與井底螺桿鉆或渦輪鉆復(fù)合驅(qū)動回轉(zhuǎn)鉆進［6-8］，地表驅(qū)動與井底液動錘、螺桿鉆或渦輪鉆復(fù)合驅(qū)動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，根據(jù)井內(nèi)工況或地層特點也可選擇地表單驅(qū)動進行取心鉆進。

2 瑪頁1井取心施工情況

2.1 取心要求

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計，瑪頁1井主要在風(fēng)城組和佳木河組實施取心任務(wù)，地層巖性為深灰色泥質(zhì)云質(zhì)巖、云質(zhì)泥巖、凝灰?guī)r、砂巖，取心井徑?215.9 mm，取心井段4577～5031 m，設(shè)計取心進尺275 m，巖心直徑≮100 mm，巖心采取率≮96%。

2.2 技術(shù)難點

（1）瑪頁1井取心層位中的風(fēng)城組含大量云質(zhì)致密巖硬度大，可鉆性7～8級，該地層全面鉆進中使用牙輪或PDC鉆頭平均機械鉆速不足1 m/h，鄰井風(fēng)南14井應(yīng)用常規(guī)方法在該地層取心機械鉆速0.15 m/h，鄰井J100XX井常規(guī)取心平均機械鉆速＜0.4 m/h。

（2）取心井段存在高角度裂隙發(fā)育、破碎地層，鉆進中易發(fā)生巖心堵塞、磨耗現(xiàn)象，尤其高角度裂隙開裂后，形成的楔形狀堵心形態(tài)解堵困難，嚴重影響機械鉆速和回次進尺長度。

（3）瑪頁1井屬于深井長井段連續(xù)取心，起下鉆次數(shù)多，裸眼時間長，快速高效完成取心任務(wù)才能保證安全完井。

2.3 取心方法

2.3.1 取心鉆具與鉆頭選型

瑪頁1井取心層位中有大段云質(zhì)巖和云質(zhì)泥巖，通過分析鄰井取心資料，云質(zhì)致密巖的可鉆性差，常規(guī)取心工藝在該地層取心效率極低。針對瑪頁1井地層特性和長井段連續(xù)取心特點，配套井底動力高轉(zhuǎn)速驅(qū)動的長筒工藝，優(yōu)選孕鑲胎塊式熱壓金剛石鉆頭［9-11］，如圖3所示。鉆頭結(jié)構(gòu)上胎塊式唇面強度高，在軟硬互層不易崩齒，胎體硬度根據(jù)地層變化可選范圍大，在強研磨性地層，選用大硬度胎體，反之亦然。在云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)云質(zhì)巖等致密巖地層選用HRC25～28；地層含砂量增大，研磨性增強時，為保證井底動力高轉(zhuǎn)速驅(qū)動長筒取心鉆進中鉆頭的壽命，選用胎體硬度HRC28～32［12-14］。

圖3 ?215.9 mm孕鑲胎塊式熱壓金剛石鉆頭Fig.3?215.9mm impregnated block hot pressed diamond bit

2.3.2 取心技術(shù)措施

鉆具組合：?215.9 mm孕鑲金剛石鉆頭+KT216型長筒取心鉆具+?172 mm螺桿/?178 mm渦輪鉆具+?158.8 mm鉆鋌+?165 mm隨鉆震擊器+?158.8 mm鉆鋌+浮閥接頭+?127 mm鉆桿柱。

鉆進參數(shù)：鉆壓40～60 kN，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速15～20 r/min，排量23～25 L/s，可根據(jù)轉(zhuǎn)盤扭矩適時調(diào)整鉆壓和排量，確保動力鉆具在井底達到良好的運行狀態(tài)。

根據(jù)瑪頁1井地層條件和鉆井取心特點，在長筒取心技術(shù)實施過程中制定了以下關(guān)鍵技術(shù)措施。

（1）保持井眼通暢，確保取心鉆具下入順利。在距離井底50 cm時，以微小于正常鉆進時的排量開泵建立循環(huán)，清洗井底，通過泵壓和扭矩觀察螺桿或渦輪鉆具運行狀態(tài)，待泵壓和扭矩穩(wěn)定后開始下放鉆具進行樹心。

（2）井底有掉塊或殘留巖心時需注意控制給進速度，確保巖心進入鉆頭通過卡簧位置后，可適當(dāng)增加鉆壓和排量至鉆進時正常參數(shù)。

（3）長筒取心加接單根需注意控制好鉆臺面上鉆桿余留長度，保證鉆柱在上提至零鉆壓時剛好可坐卡至井口，配合頂驅(qū)完成加接單根。

（4）割心時無需懸停磨心，停止頂驅(qū)回轉(zhuǎn)，觀察懸重直接上提鉆具，卡斷巖心。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 取心情況

瑪頁1井應(yīng)用螺桿鉆驅(qū)動取心鉆進24回次，渦輪鉆驅(qū)動取心鉆進2回次，取心進尺累計445.58 m，獲取巖心436.51 m（如圖4所示），巖心采取率97.96%，平均機械鉆速0.67 m/h，取心鉆進累計用時61 d。其中，應(yīng)用孔底動力?178 mm渦輪鉆具取心試驗2回次，相比螺桿鉆機械鉆速提高了20%。取心鉆進情況統(tǒng)計見表2。

表2 KT216取心鉆具在瑪頁1井取心技術(shù)指標Table 2 Coring technical index of KT216 coring tool in Well Maye-1

圖4 KT216型取心鉆具獲取的?124 mm巖心Fig.4?124mm cores obtained by KT216 coring tool

3.2 時效對比

瑪頁1井應(yīng)用KT216型鉆具與鄰井風(fēng)南X井應(yīng)用石油常規(guī)取心鉆具相比，機械鉆速提高了71.8%，相比鄰井長井段取心的J100XX井，機械鉆速提高了97.87%，瑪頁1井應(yīng)用長筒取心技術(shù)平均回次進尺17.78 m（應(yīng)用渦輪鉆具取心為技術(shù)試驗，未應(yīng)用長筒技術(shù)，不列入長筒取心指標統(tǒng)計），較J100XX井平均回次進尺提高了40.33%?，旐?井與鄰井J100XX井長井段取心技術(shù)指標對比如表3所示。

表3 瑪頁1井與J100XX井取心技術(shù)指標對比Table 3 Comparison of coring technical indexes between Well Maye-1 and Well J100XX

3.3 效果分析

（1）KT216型鉆具獲取的巖心直徑為124 mm，相比同規(guī)格石油常規(guī)取心鉆具巖心直徑大，從而鉆頭環(huán)狀切削面積小，有利于提高鉆頭的碎巖效率［15-16］。另一方面針對云質(zhì)致密巖特點，井底動力驅(qū)動KT鉆具配套金剛石鉆進工藝，應(yīng)用孕鑲金剛石鉆頭高轉(zhuǎn)速磨削鉆進原理，提速效果顯著［17］。

（2）深井提鉆取心過程中起下鉆耗費大量時間，增加單回次進尺長度，減少起下鉆時間，可有效提高綜合鉆探效率。KT216型鉆具配套長筒取心技術(shù)，可根據(jù)井內(nèi)情況適時調(diào)整鉆具長度，在瑪頁1井上部裂隙發(fā)育段以雙筒為主，下部較完整地層采用三筒或四筒聯(lián)裝的超長筒技術(shù)，單回次最大進尺41.97 m?，旐?井與鄰井J100XX井長筒取心技術(shù)指標對比如圖5所示，KT216型鉆具長筒取心技術(shù)平均回次進尺、平均鉆時、米進尺綜合鉆時［米進尺綜合鉆時=（回次純鉆進時間+井內(nèi)循環(huán)、劃眼時間+提、下鉆時間及其他井口輔助時間）/回次進尺]3項指標均高于石油常規(guī)取心技術(shù)，優(yōu)勢明顯。

圖5 瑪頁1井與鄰井J100XX井長筒取心技術(shù)指標對比Fig.5 Comparison of long barrel coring technical indexes between Well Maye-1 and adjacent Well J100XX

（3）在風(fēng)城組二段裂隙發(fā)育的破碎地層，為解決巖心堵塞頻繁和巖心消耗問題，增加分流接頭，優(yōu)化鉆具內(nèi)部泥漿分流比例，調(diào)整鉆具內(nèi)筒泥漿過流量，既充分清理巖心管內(nèi)壁與巖心環(huán)狀間隙巖屑渣，減小巖心入筒阻力，又避免過量泥漿沖蝕碎裂巖心。針對易堵心的高角度楔形裂縫發(fā)育井段，嚴格控制鉆進參數(shù)，應(yīng)用“小規(guī)程參數(shù)”，即一定范圍內(nèi)減小鉆壓、泥漿排量和轉(zhuǎn)速，精準控制鉆進參數(shù)。以上技術(shù)措施的應(yīng)用，均有效緩解了巖心堵塞對回次進尺長度和機械鉆速的影響［18-20］。

4 結(jié)論

（1）井底動力高轉(zhuǎn)速驅(qū)動KT鉆具的長筒取心技術(shù)，充分發(fā)揮了孕鑲金剛石鉆頭在致密硬巖地層高轉(zhuǎn)速磨削鉆進的性能優(yōu)勢，明顯改善了瑪頁1井云質(zhì)致密巖地層取心效率。同時，井底動力驅(qū)動取心鉆進中全井段鉆柱低速回轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性高，減少了對井壁的干擾和破壞，保證了風(fēng)城組裂隙發(fā)育井段安全鉆進。

（2）長筒取心技術(shù)實施中，要根據(jù)地層及鉆進工藝靈活調(diào)整長筒策略，長筒鉆具的多支點扶正機構(gòu)使鉆具剛性增大、通過性受限，從單筒到多筒入井應(yīng)采取“循序漸進”原則，鉆遇復(fù)雜地層時，要及時優(yōu)化鉆具筒數(shù)和鉆進參數(shù)，建議風(fēng)城組二段的高角度裂隙發(fā)育地層，采用雙筒組合及“小規(guī)程參數(shù)”較為合理。

（3）在深井及超深井長井段連續(xù)取心鉆進中，長筒取心技術(shù)減少了起下鉆和井口輔助時間，顯著提高了綜合鉆探效率，節(jié)省了鉆井成本，減輕了工人勞動強度，并且隨著井深與取心長度的增加，經(jīng)濟效益愈發(fā)明顯。KT216型長筒取心技術(shù)為深井及超深井長井段連續(xù)取心提供了一種經(jīng)濟、高效的方法。