肯基亞克鹽下油田小井眼取心技術(shù)

蘇洋 楊立文 劉興欣

中國石油長城鉆探工程技術(shù)研究院

哈薩克斯坦肯基亞克鹽下油田二疊系為發(fā)育在石炭系碳酸鹽巖臺地上的一套陸源碎屑沉積，油氣資源豐富［1］。油藏目的層深埋在4 300 m 以下的石炭系，地層壓力系數(shù)1.84 以上，屬異常高壓油藏。該油藏地質(zhì)條件復(fù)雜，上覆巨厚鹽丘（3 800 m），鉆井液密度高，密度安全窗口小，鉆井易噴漏卡塌。特別是更改為4級井身結(jié)構(gòu)后，進(jìn)一步增加了鉆井施工難度，嚴(yán)重影響了肯基亞克油田的勘探開發(fā)速度［2］。在小井眼取心技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域出現(xiàn)了一定時期的技術(shù)空白和市場空缺，其主要無法解決的技術(shù)難題有以下3 點(diǎn)：（1）肯基亞克鹽下油藏地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井風(fēng)險大。井壁失穩(wěn)，縮頸、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，卡鉆頻發(fā)，普通?149.2 mm 井眼取心工具難以經(jīng)受惡劣井眼條件的考驗(yàn)。（2）鉆井液密度高，為 1.95～2.0 g/cm3，鉆井施工難度增加。小井眼、高密度條件下，循環(huán)壓耗大，正常鉆進(jìn)排量10 L/s，泵壓高達(dá)20 MPa，增加了井下工具和鉆井設(shè)備的負(fù)荷，開泵困難，設(shè)備刺漏現(xiàn)象頻繁。（3）地層屬于堅硬易碎地層，可鉆性差，機(jī)械鉆速低，容易發(fā)生磨心，掉心現(xiàn)象［3］。經(jīng)過調(diào)查，對于該區(qū)塊國內(nèi)外還沒有學(xué)者進(jìn)行專門的小井眼取心技術(shù)研究。因此，為彌補(bǔ)工具和技術(shù)方面的不足，結(jié)合肯基亞克鹽下油田地層特點(diǎn)，研制了適用于該區(qū)塊的高強(qiáng)度小井眼鉆井取心工具，對取心鉆頭和內(nèi)筒總成進(jìn)行了較大改進(jìn)，并取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果，為肯基亞克鹽下油田的勘探開發(fā)提供了技術(shù)支持。

1 高強(qiáng)度取心外筒

受井眼條件限制，?149.2 mm 井眼取心工具壁厚一般設(shè)計為16～18 mm，強(qiáng)度基本可以滿足正常的鉆井取心要求。但肯基亞克鹽下油田四開后井眼條件十分復(fù)雜，具體表現(xiàn)為井壁失穩(wěn)，溢漏同層，密度窗口不好掌握，掉塊及縮頸現(xiàn)象嚴(yán)重。正常鉆進(jìn)時扭矩可達(dá)8～9 kN·m，為滿足在惡劣井眼條件的施工要求，設(shè)計了新型高強(qiáng)度取心工具（見圖1），特點(diǎn)如下。

圖1 取心工具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the coring tool

（1） 外筒強(qiáng)度大，安全性高。外筒材料采用抗疲勞的35CrMo調(diào)質(zhì)合金鋼，外徑 136 mm，內(nèi)徑96 mm，使其壁厚達(dá)到了20 mm，比普通的?149.2 mm井眼取心工具壁厚增加了 4 mm，故而外筒抗拉和抗扭強(qiáng)度都得到大幅度地提升，并采用高強(qiáng)度梯形螺紋帶摩擦環(huán)的安全總成，提高了安全系數(shù)。

（2） 采用高強(qiáng)度螺紋設(shè)計。在加厚外筒的情況下，外筒螺紋由常規(guī)取心工具的每英寸6 牙，設(shè)計為每英寸5 牙，螺距加大。為了防止螺紋牙跟的應(yīng)力集中，采用 60°圓螺紋，用標(biāo)準(zhǔn)的成型刀加工以增強(qiáng)外筒螺紋的抗拉強(qiáng)度［4］。

2 內(nèi)筒總成改進(jìn)

2.1 應(yīng)用保形鋁合金內(nèi)筒

以往在該區(qū)塊使用的各類取心工具均為鋼制內(nèi)筒，從應(yīng)用效果來看，存在3個弊端，一是鋼制內(nèi)筒易腐蝕生銹，摩擦阻力大；二是原有內(nèi)筒沒有扶正裝置，在扭矩較大、地層不均的情況下取心鉆進(jìn)極易發(fā)生蹩跳現(xiàn)象，內(nèi)筒穩(wěn)定性無法保證；三是鹽下油藏灰?guī)r地層堅硬易碎，出心時若操作不當(dāng)容易對巖心造成二次破壞，失去研究價值。為此，設(shè)計了雙節(jié)保形鋁合金內(nèi)筒作為新型取心工具的內(nèi)筒。它是由2 根4.5 m 長的鋁合金筒連接而成，雙筒之間通過內(nèi)筒扶正接頭相連接，可起到扶正內(nèi)筒的作用，更換和組裝都極其方便。內(nèi)筒材質(zhì)為7075 優(yōu)質(zhì)鋁合金，具有較好的抗拉耐磨性能，且內(nèi)壁光滑，摩阻力僅為鋼管的40%，減少了巖心的進(jìn)筒阻力［5］，出心時可一次性切割更換，提高了對巖心的保護(hù)。

2.2 采用密封軸承

取心收獲率低時通常存在一個共同現(xiàn)象，就是大量的巖心斷面上出現(xiàn)磨光面，且成對出現(xiàn)（見圖2）。通過分析判斷，這些磨光面的出現(xiàn)和軸承的失效有很大關(guān)系。軸承所起的作用是防止內(nèi)外筒一起旋轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)所謂的雙筒單動功能，這樣才能保證巖心與內(nèi)筒之間不會發(fā)生轉(zhuǎn)動摩擦。而當(dāng)軸承失效后，內(nèi)外筒一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致巖心也隨著內(nèi)筒發(fā)生轉(zhuǎn)動［6］，加上地層裂縫發(fā)育較多，整體性差，從而造成多節(jié)巖心以不同的速度旋轉(zhuǎn)，在斷裂面不斷發(fā)生摩擦，逐漸形成了這些磨光面。而在互相研磨的同時，膠結(jié)差的巖心磨損丟失，從而導(dǎo)致取心收獲率降低。

圖2 巖心上的磨光面Fig.2 Polished surface on the core

經(jīng)過分析，軸承不適應(yīng)惡劣的井眼條件是導(dǎo)致軸承失效的主要原因。以往使用的是開放式潤滑軸承，采用鋼制軸承滾珠，允許鉆井液通過對軸承進(jìn)行潤滑和冷卻［7］。但是肯基亞克鹽下油田具有井底壓力高、溫度高、鉆井液密度高的特點(diǎn)，使得開放式軸承無法適應(yīng)如此惡劣的井下工況，軸承有不同程度的刺漏和損壞。為此，專門使用了一種密封軸承來提高其適應(yīng)能力，其具有以下幾個特點(diǎn)［8］：

（1） 采用陶瓷球作為推力球軸承滾動體，不生銹、強(qiáng)度高、壽命長；

（2） 采用密封設(shè)計，避免了鉆井液的沖刷，也阻擋了鉆井液當(dāng)中有害固相的腐蝕；

（3） 軸承套圈材料選用不銹鋼9Cr18，代替軸承鋼提高了套圈的防銹性能，且在硬度、耐摩擦性和耐腐蝕性等方面有了較大的提高。

2.3 防鉆井液倒返裝置

在以往的取心施工過程中，經(jīng)常發(fā)生下鉆到底開泵難的現(xiàn)象，有時甚至因?yàn)闊o法開泵而只能將取心工具起出重新通井，大幅度地增加了無效起下鉆的次數(shù)。通過對起出工具的檢查發(fā)現(xiàn)，大量的濾餅和井底巖屑堵塞了工具頂部的流通水眼是導(dǎo)致開泵困難的直接原因。通過分析，這與井底壓力高、井壁失穩(wěn)和井底沉砂掉塊較多有很大關(guān)系。取心工具下鉆時，鉆頭和井壁環(huán)空間隙非常小，而取心工具中心是一個較大的中通通道，下鉆的激動壓力驅(qū)使鉆井液由內(nèi)筒的中通通道向上倒返，加上井壁穩(wěn)定性差，沉砂掉塊較多，隨鉆井液進(jìn)入鉆鋌后下落沉積在球座處，將水眼堵死，從而導(dǎo)致開泵困難［9］。為此，在內(nèi)筒的頂部設(shè)計了一個防鉆井液倒返裝置（見圖3），以起到阻止鉆井液攜砂上返的作用。利用一個翻板式浮閥［10］閥芯，在浮閥閥板上開一個小孔，小孔允許鉆井液通過，但能阻止沉砂和掉塊的通過。由于小孔的存在，內(nèi)筒與上部投球通道還保持連通，所以巖心進(jìn)筒時，不會影響上部回壓閥的作用，也能保證下鉆到底后的正常循環(huán)。

圖3 防鉆井液倒返裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the fluid return preventing unit

2.4 使用籃式巖心爪

肯基亞克鹽下油藏屬于堅硬地層，應(yīng)優(yōu)選卡箍式巖心爪［11］。但是存在2 個問題，一是取心鉆進(jìn)機(jī)械鉆速低，地層裂縫發(fā)育較多，鉆頭長時間的研磨容易導(dǎo)致巖心破碎；二是井眼易縮徑造成鉆具托壓，有時因無法加上有效鉆壓而導(dǎo)致巖心直徑變細(xì)。在這種情況下，單一的自鎖式巖心爪無法有效保證取心收獲率，很容易造成起鉆時巖心掉落。為此，在割心總成里添置了籃式巖心爪［12］，采用卡箍巖心爪割心為主、籃式巖心爪為輔的方式，使得巖心只進(jìn)不出，有效防止巖心的掉落（見圖4）。

圖4 籃式巖心爪Fig.4 Basket type core catcher

3 取心鉆頭改進(jìn)

針對石炭系硬地層取心，曾在其他區(qū)塊使用過?152.4 mm 人造金剛石取心鉆頭，綜合性能表現(xiàn)較為良好，基本可以滿足常規(guī)的取心任務(wù)。但是對于肯基亞克鹽下油藏特殊的井眼條件，原有取心鉆頭結(jié)構(gòu)存在2個缺陷：一是鉆頭為內(nèi)洗式［13］，無水眼，其較小的流道面積容易導(dǎo)致泵壓過高，對取心工具內(nèi)部組件不利；二是原有鉆頭的排屑槽過于狹窄，巖屑不能得到有效清洗和排出，容易導(dǎo)致堵心的發(fā)生。為此，在綜合考慮安全性、耐磨性和水力結(jié)構(gòu)性能的前提下，對取心鉆頭進(jìn)行了重新設(shè)計和改進(jìn)（見圖 5），特點(diǎn)如下：

（1） 鉆頭外徑設(shè)計為148.2 mm，為非滿眼取心鉆頭，以適應(yīng)復(fù)雜的井眼條件，降低井下作業(yè)風(fēng)險；

（2） 設(shè)計為6 刀翼PDC 取心鉆頭，切削齒直徑8 mm，中錐形，使其對硬地層具有更好的適應(yīng)能力，其耐磨性和耐高溫性能也有所提高；

（3） 增設(shè)水眼，使流道面積增加至 690 mm2，減少鉆頭處的水力壓降，提升冷卻效果；其更寬的排屑槽也有助于提升清洗和排屑性能。

圖5 PDC 取心鉆頭Fig.5 PDC coring bit

4 制定取心安全措施

針對肯基亞克鹽下油藏特殊的井眼條件，盡量簡化取心鉆具組合，在鉆具組合上嚴(yán)禁攜帶扶正器［14］，以保證取心作業(yè)安全進(jìn)行。在原有取心作業(yè)操作規(guī)程的基礎(chǔ)上，提出了進(jìn)入四開裸眼段后必須遵循的幾點(diǎn)安全措施：

（1） 進(jìn)入四開裸眼段后，要嚴(yán)格控制下鉆速度，不得超過0.5 m/s，防止對井壁造成破壞和井底激動壓力過高；

（2） 每下鉆15 柱打通水眼1次，打通水眼要遵循“分多次，緩慢開”的原則，密切觀察泵壓變化，防止泵壓過高憋漏地層；

（3） 下鉆剩最后1柱時打通水眼，打通原則同上；正常開泵后，用最慢速度下放鉆具，下放到底后充分循環(huán)鉆井液，清洗井底；

（4） 若井底有沉砂導(dǎo)致遇阻，可稍帶轉(zhuǎn)速，小鉆壓剝離清除，并經(jīng)?；顒鱼@具，切勿大段劃眼；期間密切觀察扭矩表，防止扭矩過大，一切正常后方可取心鉆進(jìn)；若遇阻嚴(yán)重，扭矩異常，則不能繼續(xù)冒險嘗試，應(yīng)盡快起鉆［15］。

5 實(shí)例應(yīng)用

新型小井眼取心技術(shù)已在肯基亞克鹽下油田進(jìn)行了2口井的現(xiàn)場應(yīng)用（見表1），累計完成取心進(jìn)尺82 m，累計巖心長度77.15 m，平均取心收獲率94.09%。

表1 小井眼取心技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況Table 1 Field application of slim whole coring technology

在811A 井發(fā)生過取心結(jié)束后起鉆遇卡情況，采用一系列措施成功解卡后，工具起出狀態(tài)完好，探傷檢查合格。新型PDC 取心鉆頭的綜合性能也表現(xiàn)良好，取心鉆進(jìn)時扭矩和機(jī)械鉆速保持平穩(wěn)，使用壽命也有所提高。

6 結(jié)論

（1） 針對肯基亞克鹽下油田小井眼取心難點(diǎn)，結(jié)合特殊的?149.2 mm 井眼四層井身結(jié)構(gòu)鉆井特點(diǎn)，在取心工具強(qiáng)度、取心鉆頭適應(yīng)性、內(nèi)筒穩(wěn)定性等方面做了較多的研究和改進(jìn)，有效克服了該區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜、鉆井液密度高等因素所帶來的技術(shù)難題，應(yīng)用效果顯著，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

（2） 采用了密封軸承和鋁合金內(nèi)筒后，多次取心未見磨光面，提高了巖心的完整性；籃式巖心爪的使用也解決了起鉆時巖心掉落問題，取心收獲率和巖心質(zhì)量都得到了有效保障。

（3） 防鉆井液倒返裝置能有效解決井底沉砂上返堵塞鉆井液通道的問題，減少了無效起下鉆的次數(shù)，提高了取心作業(yè)效率的同時也節(jié)省了深井鉆探的成本。同時對于高壓油氣藏的鉆探開發(fā)，該裝置在一定程度上也起到了防止鉆具內(nèi)溢流和井噴的作用。

（4） 簡化鉆具組合，有針對性的制定安全施工措施，及時準(zhǔn)確地掌握參數(shù)變化并進(jìn)行有效處理，對于高風(fēng)險井取心作業(yè)至關(guān)重要。

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