松遼盆地頁巖油勘探大口徑取心技術(shù)

朱芝同， 伍曉龍， 董向宇， 曹龍龍， 和國磊， 張德軍

(1.中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034 )

0 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，非常規(guī)能源勘探、科學鉆探項目逐步增多，大口徑取心鉆探技術(shù)也在不斷發(fā)展與完善。按照對所取巖心是否有特殊要求，鉆井取心可分為常規(guī)取心和特殊取心，相對應(yīng)的取心鉆具有常規(guī)式取心鉆具和特殊取心鉆具。常規(guī)取心是指對所取巖心沒有特殊要求的取心作業(yè)，主要用于精準確定巖性，通過巖石物性特征發(fā)現(xiàn)油氣藏，包括短筒取心、中長筒取心、大斜度井取心、水平井取心等；特殊取心是指對所取巖心有特殊要求的取心作業(yè)，主要用于評價油氣藏，主要包括保形取心、密閉取心、保壓取心。在生產(chǎn)實踐中，可根據(jù)取心目的、油氣藏類型、勘探開發(fā)階段等不同條件選擇取心方式。

松頁油2井是中國地質(zhì)調(diào)查局為探明松遼盆地白堊系青山口組泥頁巖層段的頁巖油賦存狀況部署的一口頁巖油參數(shù)井，鉆井取心是本井主要工作內(nèi)容之一。為達到取全取準頁巖油相關(guān)參數(shù)資料的目的，松頁油2井取心工作由常規(guī)取心和密閉取心兩部分組成。本文重點論述這兩種取心技術(shù)在頁巖油勘探中的應(yīng)用。

1 工程概況

松頁油2井為油氣參數(shù)井，位于松遼盆地北部古龍凹陷，設(shè)計井深2340 m。要求目的層取心200 m，其中密閉取心18 m。青山口組(K2qn)發(fā)育的厚層泥頁巖，是盆地的主力烴源巖之一，具有巨大的頁巖油氣勘探潛力，是本井的主要目的層。

目的層巖性：青二三段(K2qn2+3)主要為致密灰黑色泥巖，局部夾灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖。青一段(K2qn1)為致密灰黑色、灰綠色泥巖，棕灰色粉砂巖。與下伏地層呈整合接觸。

依據(jù)鉆機負荷的選擇原則、井控配套要求，同時考慮到井深的不確定性，選用ZJ40型鉆機進行鉆井施工。

2 取心設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)要求，目的層取心設(shè)計見表1。

表1 目的層取心設(shè)計Table 1 Coring design of the target strata

3 取心井段鉆井液性能

泥頁巖地層所含粘土比例較高，容易水化，鉆井過程中常出現(xiàn)井徑擴大、井壁失穩(wěn)、卡鉆、糊鉆、扭矩及阻力增大等井下復雜情況。為保護井壁穩(wěn)定性，在泥頁巖層段采用KCl-聚胺強抑制鉆井液體系，鉆井液配方：1 m3清水+4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.3%NaOH+5%KCl+0.5%PL+0.5%COP-HFL+0.5%PAC-LV+1%CGY+0.3%聚胺+1.5%FT-1+0.5%LUB-S。取心井段1985～2259 m，具體鉆井液性能參數(shù)：密度1.25～1.27 g/cm3，粘度57～68 s，含砂量0.3%，失水量2～3 mL，pH值8～9。

4 常規(guī)取心鉆進技術(shù)

4.1 常規(guī)取心鉆具規(guī)格

本井采用了川7-4型和KT-194型2種取心鉆具，均為自鎖式取心鉆具，即利用巖心爪(卡簧)與巖心之間的摩擦力，使巖心爪收縮包心，實現(xiàn)割心。2種鉆具單筒長度均在9.5～10 m，具體規(guī)格見表2。

4.2 常規(guī)取心鉆具組合

2種取心鉆具的鉆具組合情況見表3。

4.3 常規(guī)取心鉆進參數(shù)

2種鉆具的推薦鉆進參數(shù)見表4。

表2 常規(guī)取心鉆具規(guī)格Table 2 Drilling fluid system parameters

表3 常規(guī)取心鉆具組合Table 3 Drilling assembly of the conventional coring tools

表4 常規(guī)取心鉆進參數(shù)Table 4 Drilling parameters of the conventional coring

4.4 常規(guī)取心鉆進工藝流程

取心技術(shù)工藝流程主要包括：入井前準備、鉆具檢查—下鉆到底—取心鉆進—割心—起鉆—巖心出筒。

4.4.1 入井前準備、鉆具檢查

在地面組裝鉆具前，應(yīng)對外管、內(nèi)管的彎曲度進行檢查，檢查旋轉(zhuǎn)總成(單動機構(gòu))的軸承靈活性以及與內(nèi)管、卡簧座絲扣連接狀況。檢查鉆頭外徑、內(nèi)徑尺寸，調(diào)整卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階的間隙達到10～15 mm。取心鉆頭、外筒均用大鉗緊扣，上扣扭矩：10～15 kN·m。

4.4.2 下鉆到底

下鉆至井底2～3 m時，先大排量(22～24 L/s)沖洗孔底后再進行探底。必要時循環(huán)調(diào)整鉆井液，離實際井底0.5 m不間斷活動鉆具。

4.4.3 取心鉆進

使用川7-4型鉆具，待下鉆完畢，循環(huán)鉆井液沖洗內(nèi)筒后，卸開方鉆桿，從鉆桿試驗內(nèi)投入鋼球，開泵送入球座，在泵壓上升0.5～1 MPa時，鋼球正常進入球座，開始取心鉆進。使用KT-194型孔底動力取心鉆具時，組裝時則投入鋼球。

取心鉆進開始時，選取鉆壓為5～10 kN進行孔底造型，等鉆出井底形狀與鉆頭外形相吻合后，逐漸增加鉆壓到10～30 kN進行樹心，待樹心鉆進0.3～0.5 m后正常加到設(shè)計鉆壓。

4.4.4 割心

割心時，停泵停轉(zhuǎn)盤，緩慢上提鉆具注意觀察指重表顯示，視地層和鉆具情況，一般懸重增加50～150 kN又立即消除，巖心割斷。若懸重增加而割不斷巖性時，則應(yīng)停止上提鉆具，保持巖心受拉狀態(tài)，轉(zhuǎn)盤鉆進時，回轉(zhuǎn)鉆進直至巖心拔斷，如井底動力回轉(zhuǎn)，則開泵直至巖心拔斷。

4.4.5 起鉆

割心起鉆，操作應(yīng)平穩(wěn)，嚴禁猛提、猛放、猛頓，防止鉆具劇烈擺動，丟失巖心。起鉆過程中，應(yīng)及時向井內(nèi)灌滿鉆井液。

4.4.6 巖心出筒

巖心出筒可采用在鉆臺上或場地上2種方式。在鉆臺上出心，利用巖心自重，采用巖心鉗控制巖心落出段長；在場地上出心利用水力或者機械方式推出巖心，按巖心出筒順序標出方向、序號，依次排列在巖心盒內(nèi)。

5 密閉取心鉆進技術(shù)

5.1 密閉取心鉆具規(guī)格

密閉取心是利用取心鉆具和密閉液取出不受鉆井液污染的巖心，進而判斷地層含油飽和度、油水動態(tài)等數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段。本井密閉取心采用ZYVC密閉取心鉆具(鉆具結(jié)構(gòu)參見圖1)，屬于自鎖式取心鉆具，鉆具單筒長度在9.5 m左右。具體規(guī)格參數(shù)：ZYVC型鉆具，215 mm×115 mm(外徑×內(nèi)徑)PDC鉆頭，178 mm×11.5 mm(外徑×壁厚)外筒，140 mm×8 mm(外徑×壁厚)內(nèi)筒，巖心直徑115 mm。

1-平衡活塞；2-分水接頭；3-上接頭；4-T型接頭；5-軸承；6-軸承壓帽；7-外筒；8-鉆頭；9-巖心鎖緊機構(gòu)；10-密封活塞

取心鉆具組裝好后，灌滿密閉液，安裝平衡活塞，取心鉆進前，下放鉆具讓密封活塞接觸井底，加壓剪銷，密封活塞上行直到鉆頭接觸井底，此時密閉液流出達到鉆頭頂部時，由于內(nèi)筒下端通過密封圈與鉆頭內(nèi)表面形成密閉區(qū)域，隔離了鉆井液對巖心的接觸。隨著巖心進入內(nèi)筒，密閉液在巖心表面形成保護膜。鉆具安裝見圖2、圖3。

圖2 裝配密封活塞與取心鉆頭Fig.2 Assembling sealed piston and coring bit

5.2 密閉取心鉆具組合

圖3 組裝好的密閉取心鉆頭Fig.3 Assembled sealed coring bit

密閉取心鉆具組合(自下而上)如下：

?215 mm密閉取心鉆頭+ZYVC密閉取心鉆具+521×410接頭+?178 mm鉆鋌×3根+411×4A10接頭+?159 mm鉆鋌×6根+410×4A11+?127 mm加重鉆桿×9根+?127 mm鉆桿。

5.3 密閉取心鉆進參數(shù)

密閉取心推薦鉆進參數(shù)：鉆壓20～60 kN，轉(zhuǎn)速50～60 r/min，排量18～22 L/s。

5.4 密閉取心鉆進工藝流程

密閉取心為特殊取心作業(yè)，其工藝流程與常規(guī)取心有所區(qū)別，主要有：

(1)鉆井液中加入示蹤劑。在密閉取心作業(yè)開始前，在鉆井液中加入一定量示蹤劑，目的是檢測密閉率。

(2)組裝鉆具。首先把鉆頭與外筒上緊,然后密封活塞組裝在巖心爪組合件上，與內(nèi)筒上緊,裝入外筒中,上緊外筒各螺紋,最后在鉆頭銷釘孔穿銷固定密封活塞。

(3)灌裝密閉液。從取心工具最上端灌入密閉液，直到密閉液達到限位接頭為止，然后放入平衡活塞，分割密閉液和鉆井液。

(4)下鉆。下鉆平穩(wěn)，嚴禁劃眼，遇阻不能超過30 kN，否則提前剪斷密封活塞銷釘,造成密閉液泄漏。

(5)取心鉆進。下鉆到離井底1 m，大排量循環(huán)沖洗井底，準備取心時,將鉆具放至井底,加壓30～50 kN，剪斷銷釘，然后上提鉆具，使鉆壓保持在10～20 kN，開始樹心鉆進。樹心0.3 m后，按照設(shè)計鉆進參數(shù)開始正常鉆進。

(6)割心及出心。取心進尺達到預計長度時，停止鉆進，上提鉆具割心，與常規(guī)割心方法相同；出心前先取出平衡活塞，然后與常規(guī)方法一樣進行出心，出心過程中注意保護巖心，防止巖心被污染。

6 取心鉆進難點與對策

6.1 技術(shù)難點

(1)在松遼盆地鉆遇的青山口組泥巖致密、硬度高，局部含鈣，普遍機械鉆速低，川型取心鉆具在該類泥巖地層取心應(yīng)用較少，無取心經(jīng)驗可借鑒。本井有3個回次采用川7-4型取心鉆具，平均機械鉆速0.53 m/h，距離本井50 km處的另一口頁巖油參數(shù)井取心也采用該型鉆具，平均機械鉆速0.42 m/h，2口井取心效率都很低。

(2)為提高鉆進效率，在取心過程中先后更換4個鉆頭廠家、6個取心鉆頭類型(包括5個PDC鉆頭，1個巴拉斯鉆頭)，均未達到理想效果。泥巖地層，PDC鉆頭、巴拉斯等尖齒鉆頭理論上可以提高機械鉆速。但在實際鉆進過程中PDC鉆頭因切削齒類型、布齒方式與鉆具的轉(zhuǎn)速和排量不匹配，容易產(chǎn)生“泥墊”現(xiàn)象。巴拉斯、尖齒鉆頭鉆進過程中穩(wěn)定性差、易崩齒，導致壽命短，也難以獲得理想的鉆進效率。

(3)取心效率低導致上部裸眼時間長，井壁易坍塌、掉塊，甚至失穩(wěn)。常規(guī)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動的取心鉆進方法鉆柱穩(wěn)定性差，對井壁干擾大，尤其在泥頁巖地層中不利于保護井壁穩(wěn)定。

6.2 解決對策

經(jīng)過調(diào)研和論證，在致密泥頁巖層段，實施頂驅(qū)+螺桿鉆復合回轉(zhuǎn)鉆進取心工藝。采用KT-194型取心鉆具，配套孕鑲金剛石鉆頭，其取心工藝優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)選用孕鑲金剛石取心鉆頭，圓周均布12只胎體塊，鉆頭金剛石胎體硬度適合巖石硬度，鉆頭切削唇面形狀為圓弧形，12個矩形水口顯著改善切削齒的沖洗效果，減少“泥墊”的產(chǎn)生，加強鉆頭內(nèi)外保徑，提高鉆頭壽命，實現(xiàn)高效率、長鉆程取心工作。

(2)采用孔底動力與頂驅(qū)復合鉆進取心，與單獨頂驅(qū)(轉(zhuǎn)盤)回轉(zhuǎn)相比，扭矩傳遞效率高，上部鉆柱低速回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，下部可以產(chǎn)生較高回轉(zhuǎn)速度，適合金剛石取心鉆進要求，并有利于保護井壁。

(3)KT型取心鉆具在科學鉆探、地質(zhì)勘探、石油天然氣勘探、非常規(guī)油氣勘探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是我國大陸科學鉆探攻克復雜地層常用的一種鉆具。該鉆具是將傳統(tǒng)的石油鉆井大口徑鉆具特點及巖心鉆探金剛石薄壁取心技術(shù)的特點相融合，對沉積巖、變質(zhì)巖及巖漿巖具有較廣泛的巖石適應(yīng)性。可配套使用金剛石、PDC、巴拉斯、硬質(zhì)合金等多種鉆頭，常與螺桿鉆具、渦輪鉆具及液動錘等井底鉆具配合使用。

7 取心鉆具應(yīng)用效果分析

7.1 取心數(shù)據(jù)

目的層共進行了13回次取心，總進尺202.02 m，巖心總長199.67 m，平均巖心采取率98.8%。其中川7-4型取心鉆具在目的層段進行了3個回次的取心，KT-194型取心鉆具在目的層進行了8個回次的取心。ZYVC密閉取心鉆具在目的層進行了2個回次的取心。各鉆具取心數(shù)據(jù)見表5。

7.2 取心數(shù)據(jù)評價

使用川7-4型取心鉆具在目的層鉆進3個回次，進尺50.8 m，獲取巖心長度49.72 m，平均巖心采取率為97.9%，平均機械鉆速為0.53 m/h。使用KT-194型取心鉆具在目的層鉆進8個回次，進尺133.37 m，獲取巖心長度132.15 m，平均巖心采取率為99.1%，平均機械鉆速為1.1 m/h。使用ZYVC型密閉取心鉆具在目的層鉆進2個回次，進尺18 m，獲取巖心長度17.8 m，平均巖心采取率為98.9%，平均機械鉆速為0.47 m/h。

表5 3種取心鉆具應(yīng)用效果統(tǒng)計Table 5 Application effects of the three coring tools

本井設(shè)計要求巖心采取率不低于95%，3種取心鉆具實際采取率都達到了設(shè)計要求，取心質(zhì)量優(yōu)良(見圖4)。取心效率方面，KT-194型取心鉆具在青山口組泥巖層段的機械鉆速為川7-4型取心鉆具、ZYVC密閉取心鉆具的2倍以上。3種取心鉆具的機械鉆速對比見圖5，極大地縮短了取心周期，達到了取心提速的目的。實踐證明，KT-194型鉆具更適用于該區(qū)域泥巖地層取心。

圖4 3種鉆具巖心采取率對比圖Fig.4 Core recovery rate of the three drilling tools

7.3 取心效果

采用KT-194型鉆具所進行的目的層8個回次的常規(guī)取心鉆進，從開始下鉆到完成取心，取心過程比較順利，沒有出現(xiàn)復雜情況，成功完成了本次取心任務(wù)，取出的巖心見圖6。同時，由于所選用的KCl-聚胺強抑制鉆井液性能優(yōu)良，懸浮攜帶巖屑效果較好，針對水敏性泥巖地層有較好的失水抑制性，所形成的泥皮薄而韌，井壁始終保持穩(wěn)定，為取心鉆進順利進行創(chuàng)造了良好的條件。

圖5 3種鉆具機械鉆速對比圖Fig.5 Penetration rates of the three drilling tools

8 結(jié)論與建議

從本參數(shù)井鉆井實踐可看出，KT-194型取心鉆具配套孔底動力復合回轉(zhuǎn)的鉆進工藝能夠較好地適應(yīng)松遼盆地頁巖油鉆井取心鉆進的實際需要，適應(yīng)該地區(qū)的地層特性，選用的鉆進參數(shù)、鉆具組合和操作方法合理，使用的KCl-聚胺強抑制鉆井液體系能夠滿足該地區(qū)使用動力鉆具的需要。大口徑孔底動力取心技術(shù)的應(yīng)用為其它地區(qū)頁巖氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源勘探取心提供了一種成功的經(jīng)驗方法。

圖6 獲取的目的層巖心Fig.6 The target formation cores