古龍頁巖油雙節(jié)密閉取芯技術(shù)研究與應(yīng)用

田佳琦，張洪君，向 峰，張紹先

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

隨著中國頁巖油氣研究程度加深，勘探不斷獲得突破，目前已在松遼盆地（青山口組）、鄂爾多斯盆地（延長組）、渤海灣盆地（沙河街組）、南襄盆地（核桃園組）、準(zhǔn)噶爾盆地（蘆草溝組）等湖相盆地中，不同程度地獲得了頁巖油的工業(yè)油流。松遼盆地北部頁巖層厚度大、分布廣泛，有機(jī)質(zhì)豐度高，具備優(yōu)越的頁巖油發(fā)育地質(zhì)條件，為弄清古龍頁巖儲層的巖性、物性及脆性等特征[1]。為了發(fā)現(xiàn)油氣藏、計算該層位的頁巖油真實地質(zhì)儲量、了解準(zhǔn)確可靠的巖芯地質(zhì)物性資料，進(jìn)一步認(rèn)識頁巖油成藏機(jī)理，大慶油田在古龍頁巖油青山口組（K2qn）泥頁巖地層進(jìn)行了多口井取芯。本文主要重點(diǎn)介紹雙節(jié)密閉取芯工具結(jié)構(gòu)、工藝流程和現(xiàn)場應(yīng)用情況，為應(yīng)用雙節(jié)密閉取芯技術(shù)積累經(jīng)驗，也為頁巖油常規(guī)取芯提速提效提供技術(shù)支持。

1 工程概況

松遼盆地中央坳陷區(qū)古龍凹陷青山口組（K2qn）沉積時期為湖泛期，湖相沉積分布范圍廣、厚度大、泥質(zhì)較純、有機(jī)質(zhì)豐富的泥（頁）巖層是盆地的主力烴源巖之一，為頁巖油的形成提供良好的基礎(chǔ)條件，厚層泥巖對油氣起到一定的遮擋作用，具備生、儲、蓋油氣成藏條件，有可能既是生油層又是儲層。青二三段（K2qn2+3）巖性主要為致密灰黑色泥巖，局部夾灰色泥質(zhì)粉砂巖；青一段（K2qn1）為致密灰黑色、灰綠色泥巖，夾黑褐色油頁巖。

2 取芯難點(diǎn)和應(yīng)對措施

2.1 取芯難點(diǎn)

（1）地層軟硬交錯，軟地層粘土含量高、機(jī)械鉆速快，極易發(fā)生鉆頭泥包和堵芯，機(jī)械鉆速變化大，影響取芯判斷。如圖1所示。

（2）橫向和縱向天然裂縫發(fā)育，雙筒雙動的密閉取芯工具對巖芯造成二次破壞，破碎的巖芯易發(fā)生筒內(nèi)卡芯，影響單筒進(jìn)尺和取芯質(zhì)量。如圖2、圖3所示。

圖2 橫向和縱向天然裂縫

圖3 破碎巖芯塊

（3）地層破裂壓力低，井壁易剝落、坍塌、掉塊，取芯段長，起下鉆次數(shù)多，裸眼浸泡時間長，超過井壁坍塌周期會導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，引起井下復(fù)雜情況發(fā)生。如圖4所示。

圖4 井壁剝落掉塊

（4）青山口組地層泥頁巖致密堅硬，局部含鈣，鉆頭切削齒吃入地層能力差，流道式常規(guī)取芯鉆頭普遍機(jī)械鉆速低，從6～12刀翼的冠部形狀、13mm齒和8mm齒PDC、巴拉斯等尖齒鉆頭效果都不理想，機(jī)械鉆速0.49～0.88m/h之間。

（5）密閉取芯工具巖芯直徑大，鉆頭水眼有水力破巖作用，機(jī)械鉆速高（機(jī)械鉆速2.04～6.48m/h 之間），最大可取巖芯長度9.5m，取芯效率低。

2.2 應(yīng)對措施

（1）采用鉀鹽共聚物鉆井液體系保護(hù)井壁穩(wěn)定性，高密度、低失水的鉆井液平衡地層壓力，防止井壁剝落失穩(wěn)。

（2）設(shè)計雙筒單動的雙節(jié)密閉取芯工具，提高單趟取芯進(jìn)尺，減少起下鉆次數(shù)，縮短取芯周期。

（3）設(shè)計攻擊力強(qiáng)的8刀翼帶水眼PDC 取芯鉆頭，提高取芯機(jī)械鉆速，取芯鉆頭外徑設(shè)計為?215.9mm，避免取芯段牙輪鉆頭劃眼破壞井壁泥餅。

3 雙節(jié)密閉取芯技術(shù)

3.1 工具結(jié)構(gòu)

MQ178-115 型雙節(jié)密閉取芯工具主要由大接頭、泄壓絲堵、懸掛總成，內(nèi)筒三點(diǎn)扶正機(jī)構(gòu)、內(nèi)筒、外筒、巖芯爪、密閉頭和取芯鉆頭幾部分組成。如圖5所示。

圖5 雙節(jié)密閉取芯工具示意圖

工具分為雙層結(jié)構(gòu)，大接頭內(nèi)部連接懸掛總成、內(nèi)筒，外部連接上接頭、外筒、下接頭和取芯鉆頭；內(nèi)外筒分為上下兩節(jié)，提高了單趟取芯進(jìn)尺；密閉頭固定在鉆頭上形成內(nèi)筒下密封，上密封采用能夠泄壓的絲堵形成上密封；內(nèi)筒中形成的密封區(qū)裝滿密閉液，進(jìn)筒的巖芯迅速被密閉液包裹，避免了巖芯被鉆井液侵入，達(dá)到密閉效果；采用自鎖式巖芯爪實現(xiàn)上提鉆具割芯，操作簡單。取芯工具的主要參數(shù)：工具長度20.5m，巖芯直徑115mm，鉆頭尺寸?215.9mm，最長可取巖芯長度19.0m，適應(yīng)巖芯成柱性好的中軟—極硬地層，性能特點(diǎn)如下：

（1）雙筒單動懸掛技術(shù)。通過采用懸掛總成結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了雙筒單動，內(nèi)筒懸掛于懸掛總成下面，不受外筒旋轉(zhuǎn)的影響，防止了上下節(jié)內(nèi)筒倒扣，減小了取芯工具對巖芯造成的機(jī)械性破壞，從而降低了堵芯風(fēng)險，保護(hù)了巖芯的完整，有利于提高巖芯收獲率。

（2）三點(diǎn)內(nèi)筒扶正結(jié)構(gòu)。上部采用滾動軸承、中部設(shè)置內(nèi)筒扶正環(huán)、下部采用內(nèi)筒與鉆頭內(nèi)密封面配合，形成三點(diǎn)扶正機(jī)構(gòu)設(shè)計，有效保證了內(nèi)外筒同軸居中，提高了內(nèi)筒穩(wěn)定性，防止內(nèi)筒彎曲，有利于巖芯進(jìn)筒，預(yù)防了堵芯幾率發(fā)生，提高了單趟取芯進(jìn)尺。

（3）可泄壓式上密封裝置。泄壓絲堵作為內(nèi)筒上密封，具有封堵內(nèi)筒、釋放內(nèi)筒壓力的作用，泄壓雙通道，效率快、安全性高，防止了內(nèi)筒憋壓、絲堵飛出傷人事件，提高了安全性。

3.2 高效取芯鉆頭

古龍頁巖油青山口組地層呈水平紋理層狀結(jié)構(gòu)，巖性致密堅硬，流道式常規(guī)取芯鉆頭吃入地層能力差，重復(fù)破巖導(dǎo)致取芯機(jī)械鉆速慢，巖屑清理不及時易泥包鉆頭，影響單筒進(jìn)尺；針對以上問題和地層特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計了水力破巖能力強(qiáng)的8刀翼取芯鉆頭，優(yōu)化鉆頭冠部形狀、對切屑齒的大小、布齒密度、切削齒仰角進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，水眼增加抗沖蝕保護(hù)套，提高鉆頭抗沖蝕能力，提高鉆頭壽命。

3.3 專用出芯器

雙節(jié)工具18m巖芯質(zhì)量達(dá)到900kg，且?guī)r芯表面存有光滑的密閉液，增加了巖芯表面的潤滑性，為了完成不拆卸內(nèi)筒，巖芯整體安全出筒和提高出芯效率要求，研制了專用的出芯器，巖芯卡內(nèi)壁采用三角螺紋結(jié)構(gòu)，提高了巖芯和卡箍內(nèi)壁的摩擦力，加長了出芯器下壓桿，提供更高的巖芯卡緊力，操作方便省力，能夠有效控制出芯長度，降低了控制不住巖芯傷人的風(fēng)險，提高了出芯安全性。

4 取芯工藝流程

4.1 組裝鉆頭

密閉頭上安裝密封圈，裝配到鉆頭上，用銷釘固定，巖芯爪放入到位，組裝好鉆頭。

4.2 連接工具

首先把下節(jié)工具放入鼠洞，上節(jié)工具與下節(jié)工具連接緊扣后，再把組裝好的鉆頭與下節(jié)外筒上緊，工具放入井，打牢安全卡瓦。

4.3 灌密閉液

從工具最上端灌入密閉液，灌滿內(nèi)筒為止，靜止10min后上緊泄壓絲堵。

4.4 下鉆

下放鉆具應(yīng)平穩(wěn)，不得用取芯鉆頭劃眼，下鉆遇阻不得超過40kN，嚴(yán)防井下落物。下鉆至離井底1m，大排量循環(huán)沖洗井底。

4.5 取芯鉆進(jìn)

待井底清洗干凈，示蹤劑分散均勻，含量達(dá)到要求后即可取芯鉆進(jìn)。首先將鉆具放至井底，加壓60～100kN，剪斷銷釘，上提鉆具啟動轉(zhuǎn)盤，調(diào)整鉆壓10～20kN，樹芯鉆進(jìn)0.3m后，按設(shè)計鉆進(jìn)參數(shù)開始正常鉆進(jìn)。

4.6 割芯

取芯進(jìn)尺達(dá)到預(yù)計長度時停鉆、停轉(zhuǎn)、停泵，上提鉆具割芯，割芯后立即起鉆，起鉆操作應(yīng)平穩(wěn)，嚴(yán)禁猛提、猛放、猛蹾。

4.7 巖芯出筒

工具起出井口，卸掉鉆頭，打撈專用出芯器，在鉆臺上出芯，按巖芯出筒順序標(biāo)出方向、序號，依次擺放在巖芯盒內(nèi)。出芯過程注意保護(hù)巖芯，防止巖芯被二次污染。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 應(yīng)用情況

（1）密閉取芯。古頁8HC 井是雙節(jié)密閉取芯技術(shù)在古龍頁巖油區(qū)塊應(yīng)用的1 口密閉取芯井，共取芯8筒，總進(jìn)尺128.72m，總芯長127.68m，平均巖芯收獲率99.19%，平均單趟進(jìn)尺16.09m，最長單趟進(jìn)尺18.8m。見表1。

表1 雙節(jié)密閉取芯工具應(yīng)用取芯數(shù)據(jù)表

（2）常規(guī)取芯。雙節(jié)密閉取芯工具在古龍頁巖油區(qū)塊應(yīng)用3 口常規(guī)取芯井，共取芯30 筒，總進(jìn)尺482.4m，總芯長478.92m，平均巖芯收獲率99.28%，平均單趟進(jìn)尺16.08m，最長單趟進(jìn)尺19.0m。見表1。

（3）采取的技術(shù)措施。

①采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)數(shù)、高排量的“兩低一高”技術(shù)參數(shù)，鉆壓30～40kN、轉(zhuǎn)數(shù)50～60r/min、排量30～34L/s，減少鉆具振動對井壁的破壞，提升鉆井液的攜砂能力。

②取芯結(jié)束后，向井內(nèi)打入5m3稠漿，大排量循環(huán)稠漿舉砂，清潔井眼環(huán)空。

③起下鉆無阻卡，不通井劃眼，減少牙輪鉆頭劃眼對井壁的破壞。

④控制鉆井液密度和失水，平衡地層壓力又不壓漏地層。

5.2 應(yīng)用效果

現(xiàn)場應(yīng)用表明，該技術(shù)應(yīng)用效果好、取芯時效快、密閉能力強(qiáng)，工具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，采取的取芯參數(shù)合理、技術(shù)措施得當(dāng)；優(yōu)選的高粘度、流動性好DSM型油基密閉液，包裹能力強(qiáng)、密閉效果好，在密閉液的保護(hù)下，巖芯完整率95%以上，有效解決了巖芯水化、破碎引起的堵芯難題。

（1）機(jī)械鉆速對比。雙節(jié)密閉取芯工具在古龍頁巖油區(qū)塊共應(yīng)用4 口井，機(jī)械鉆速3.65～4.51m/h，相比常規(guī)取芯工具機(jī)械鉆速提高4倍以上。如圖6所示（見松頁油2井取芯數(shù)據(jù)[2]）。

圖6 機(jī)械鉆速對比圖

（2）單趟進(jìn)尺對比。雙節(jié)密閉取芯工具應(yīng)用4 口井，平均單趟進(jìn)尺15.08～16.72m，相比單節(jié)密閉取芯工具，平均單趟進(jìn)尺提高一倍左右。如圖7所示。

圖7 平均單趟進(jìn)尺對比圖

6 結(jié)論與認(rèn)識

（1）雙節(jié)密閉取芯工具具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、巖芯直徑大、機(jī)械鉆速快、密閉效果好、收獲率高等優(yōu)點(diǎn)，為頁巖油密閉取芯提速提效提供了有效的技術(shù)手段，填補(bǔ)了油田內(nèi)雙節(jié)密閉取芯技術(shù)空白。

（2）雙節(jié)密閉取芯技術(shù)適應(yīng)松遼盆地青山口組頁巖油取芯，選用的鉆頭型號與地層匹配，采取的取芯參數(shù)合理，出芯工藝安全可靠，有效解決了常規(guī)取芯工具機(jī)械鉆速慢的技術(shù)難題，提高了單筒進(jìn)尺和取芯效率。

（3）該技術(shù)兼顧密閉取芯和常規(guī)取芯兩種功能，為其它地區(qū)頁巖油取芯提供一種強(qiáng)有力的技術(shù)手段和經(jīng)驗方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。