MS1井超深海相地層取心實踐與認(rèn)識

賈 俊， 康海濤， 劉洪彬， 張涵池

(1綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院 2西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 3中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司 4中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

0 引言

近年來，以新疆和川東北地區(qū)為代表的深層油氣勘探、開發(fā)力度不斷加大，所鉆超深井越來越多，擔(dān)負(fù)為地質(zhì)分析提供第一手資料的超深井取心任務(wù)就顯得尤為重要[1- 2]。MS1井是中石化勘探分公司部署在川東北馬路背構(gòu)造高部位的一口預(yù)探井，完鉆井深8 418 m[3]。本井先后在海相地層取心7次，深度均超過7 000 m，最深取心井段8 377～8 377.3 m，刷新了中石化取心最深記錄。由于本井是該區(qū)塊最深探井，缺乏鄰井參考資料，取心層位均為首次，未知因素多，作業(yè)風(fēng)險大。井下高溫、高壓，增加了工具選擇及鉆井液維護(hù)難度。碳酸鹽巖地層裂縫發(fā)育降低了取心收獲率，地層軟硬交錯易造成鉆頭早期磨損，超深井段取心工具易失穩(wěn)。MS1井通過總結(jié)川東北地區(qū)取心技術(shù)及經(jīng)驗，優(yōu)化鉆井液性能、合理選擇取心工具及鉆頭、科學(xué)設(shè)計取心鉆具組合及參數(shù)、制定并執(zhí)行詳細(xì)的技術(shù)措施等手段較好地完成了取心任務(wù)，綜合取心收獲率達(dá)83.9%。

1 施工難點分析

MS1井主要目的是探明下寒武統(tǒng)龍王廟組儲層，提高通南巴構(gòu)造區(qū)域的勘探程度。該井自上而下先后鉆遇遂寧組、龍王廟組、仙女洞組以及震旦系燈影組等多套陸、海相地層。縱向上，巖性變化大且發(fā)育多套壓力系統(tǒng)，面臨多項施工難題。

1.1 井控風(fēng)險大

MS1井是該區(qū)塊最深探井，設(shè)計取心的陡坡寺組、龍王廟組、燈影組等地層埋藏深度均在7 000 m以上，為該區(qū)塊首次取心。鄰井M1井完鉆井深僅5 548 m，缺乏深部地層相關(guān)工程、地質(zhì)資料，增大了鉆井、取心施工難度；MS1井取心層位多為主力產(chǎn)層，預(yù)測壓力系數(shù)為1.33～1.67，井控風(fēng)險高，處理難度大[4]。

1.2 井底高溫高壓

溫度對巖石力學(xué)性能的影響主要包括導(dǎo)熱率、比熱、熱膨脹、強(qiáng)度、摩擦特性等幾個方面。周永勝[5]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度與壓力的增大，巖石的破壞形式由脆性、半脆性向半延性和延性轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低。深部巖層處于高應(yīng)力平衡狀態(tài)，取心過程中水平應(yīng)力變化容易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。另外高應(yīng)力釋放會導(dǎo)致巖心片化，造成堵心。鉆頭經(jīng)受的溫度較高，承擔(dān)更復(fù)雜的交變應(yīng)力，要求具有良好的整體強(qiáng)度與耐沖擊韌性[6]。同時，高溫條件下，鉆井液性能維護(hù)成本高，調(diào)整難度加大。

1.3 地層裂縫發(fā)育

研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖儲層發(fā)育大量的后生和表生作用形成的次生孔、洞、縫系統(tǒng)，決定了儲層巖溶發(fā)育廣泛且波及深度大[7]。燈影組巖溶沿富藻層呈水平層理發(fā)育，巖心柱上薄弱部位易在應(yīng)力釋放、鉆具旋轉(zhuǎn)震動及鉆井液流動沖擊等多重作用下剝離，巖心塊易在內(nèi)筒與巖心柱之間引起卡心，導(dǎo)致磨心，從而降低了巖心的收獲率[8]。

1.4 地層軟硬交錯，可鉆性差

燈影組四段地層以硅質(zhì)白云巖為主，含少量黏結(jié)巖，富含硅質(zhì)條帶，巖心顯示灰色硅質(zhì)白云巖，礦物組成為白云石55%～75%，石英45%～25%。裂縫發(fā)育巖石在硬度和強(qiáng)度上的各向異性使其力學(xué)性質(zhì)不均勻，在不均質(zhì)及溶孔充填的石英的地層鉆進(jìn)，易造成鉆頭早期磨損。

1.5 工具易失穩(wěn)

MS1井取心地層深度均超過7 000 m，井底位移和井斜角偏大，井眼尺寸小，取心工具剛性弱。取心作業(yè)時，鉆頭和工具易偏離井眼軸心，鉆進(jìn)過程中會產(chǎn)生較大的離心力，導(dǎo)致工具橫向震動大，巖心磨損嚴(yán)重。取心時，如果超過臨界鉆壓，取心筒會失去穩(wěn)定而發(fā)生正弦屈曲，造成巖心入筒困難，甚至破裂剝落造成堵心[9]。取心作業(yè)過程中正常摩阻為240～300 kN，使用了?101.6 mm鉆桿，剛性弱。鉆具轉(zhuǎn)動過程中為克服井壁和鉆井液產(chǎn)生的摩阻，管柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形和應(yīng)力累積，長度不斷伸縮，容易造成取心鉆頭不能持續(xù)加壓并發(fā)生嚴(yán)重粘滑。

2 超深井取心技術(shù)

2.1 優(yōu)化鉆井液性能

取心作業(yè)時，在保證鉆井液流變性的前提下，應(yīng)增強(qiáng)抑制性和潤滑性，降低固相含量[10]。抑制性差易引起巖心水化膨脹、剝落，造成堵心；同時巖心表面會形成虛濾餅，割心時降低巖心爪與巖心間的摩擦力[11]。而良好的潤滑性可以降低巖心進(jìn)入內(nèi)筒時的摩阻，減小粘滑效應(yīng)，增強(qiáng)鉆壓傳遞。降低固相含量有利于提高機(jī)械鉆速，保證巖心直徑，利于割心。本井在取心作業(yè)前增加聚胺抑制劑、抗高溫降濾失劑、磺化酚醛樹脂和高效稀釋劑的用量，控制高溫高壓失水；保證鉆井液中K+濃度在30 000 mg/L左右，防止鉆遇泥頁巖井壁垮塌；加大瀝青、超細(xì)鈣、油溶性樹脂等用量，改善濾餅質(zhì)量、強(qiáng)化封堵、減少濾液進(jìn)入地層。同時，將振動篩篩布更換為200目，鉆進(jìn)、循環(huán)過程中打開離心機(jī)去除有害固相，降低固相含量，提高機(jī)械鉆速，見表1。

表1 MS1井鉆井液性能

2.2 取心工具選擇

川慶鉆探公司鉆采工程技術(shù)研究院研制生產(chǎn)的“川”系列不同型號的取心工具結(jié)構(gòu)基本相同，已經(jīng)在20多個油田及單位應(yīng)用，獲得較好效果[12- 13]。本井海相地層取心使用的川7- 5、川5- 4取心筒采用高強(qiáng)度厚壁無縫鋼管做外筒，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，上下都安裝有螺旋狀扶正器，耐磨性好，扭矩小，有利于提高鉆頭壽命。內(nèi)筒為不銹鋼，摩擦系數(shù)降低30%，巖心進(jìn)入阻力小，有利于提高單筒進(jìn)尺和收獲率。軸承無彈夾，無密封，允許少量鉆井液流過冷卻潤滑軸承，結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長。

2.3 鉆頭選擇

本井先后使用了迪普DC585、華北石油華利川5- 4及百施特PC327三種取心鉆頭。DC585為13 mm齒、八刀翼PDC取心鉆頭，適用于中到中硬地層，先后在洗象池群組、龍王廟組使用。洗象池群組為實鉆過程中新發(fā)現(xiàn)的地層，巖性主要為白云巖、鮞粒白云巖、生屑白云巖，取心前10 m牙輪鉆頭平均鉆時45 min/m，具備PDC取心鉆頭的使用條件，鉆進(jìn)時采用綜合防震設(shè)計提高鉆頭工作的穩(wěn)定性，防止鉆頭非預(yù)期性破壞。利川5- 4 PDC鉆頭在燈影組四段使用一次，該鉆頭為13 mm齒，短拋物線冠部剖面設(shè)計，中密度布齒，8條深水道，向心放射刀翼切削單元組合，切削快速，排屑流暢，巖心精整光潔，適用于中硬地層。入井前巖性為灰色白云巖且純度較高，取心前10 m PDC鉆頭平均鉆時24 min/m。該鉆頭在使用過程中鉆遇硅質(zhì)白云巖，復(fù)合片磨損嚴(yán)重，因此后期取心全部使用PC327熱穩(wěn)定聚晶取心鉆頭。PC327鉆頭采用雙錐冠型和脊鑲布齒，高磨耗比及自銳性的三角熱聚晶金剛石使鉆頭獲得較高的機(jī)械鉆速和壽命，適用于抗壓強(qiáng)度高，有研磨性強(qiáng)的夾層的硬且致密的地層。

2.4 鉆具組合及參數(shù)設(shè)計

MS1井屬于超深“三高”探井，未知因素多，考慮到井下及井控安全，提高工具工作的穩(wěn)定性，底部鉆具組合安裝欠尺寸扶正器、內(nèi)防配工具和隨鉆震擊器。鉆具組合主要采用兩種方式：

(1)?241.3 mm取心鉆頭+川7- 5取心筒+浮閥+?233 mm扶正器+?177 mm鉆鋌×3根+?165 mm鉆鋌×6根+旁通閥+?127 mm加重鉆桿×6根+曲性長軸+隨鉆震擊器+?127 mm加重鉆桿×6根+?127 mm鉆桿+?139.7 mm鉆桿。

(2)?165.1 mm取心鉆頭+川5- 4取心筒+浮閥+?120.6 mm鉆鋌×1根+?160 mm扶正器+?120.6 mm鉆鋌×5根+旁通閥+?88.9 mm加重鉆桿×17根+?101.6 mm鉆桿+?139.7 mm鉆桿。

鉆進(jìn)過程中盡量避免取心筒發(fā)生屈曲，排量要滿足井眼凈化及鉆頭冷卻要求；轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速要避開臨界轉(zhuǎn)速并保證鉆頭的切削效率，防止鉆頭或取心筒振動過大影響取心收獲率。臨界鉆壓可利用歐拉公式進(jìn)行計算：

(1)

式中:Pwob—臨界鉆壓，kN；E—彈性模量，取2.1×102GPa；I—慣性矩，m4；L—取心筒長度，m。

利用Landmark有限元模擬軟件在鉆壓40 kN的條件下對鉆具組合和取心參數(shù)進(jìn)行了分析。

振動幅度模擬分析(圖1)表明，使用川7- 5取心時底部BHA加裝鉆具扶正器后，取心筒和鉆頭平均振動幅度由3.1 mm下降到1.7 mm。川5- 4取心鉆具組合加裝鉆具扶正器后平均振動幅度由3.3 mm下降至1.7 mm。振動幅度的大幅下降有利于提高工具的穩(wěn)定性。川7- 5取心鉆具組合在轉(zhuǎn)速60 r/min時振動幅度達(dá)到最大(圖2a)；川5- 4取心鉆具組合在轉(zhuǎn)速40 r/min和70 r/min時振幅偏大，分別為5.3 mm和5.8 mm，在50 r/min振幅較小(圖2b)。根據(jù)模擬分析結(jié)果，確定MS1井取心鉆進(jìn)參數(shù)，見表2。

圖1 振動幅度模擬分析

圖2 臨界轉(zhuǎn)速模擬分析

表2 MS1井取心參數(shù)

2.5 技術(shù)措施

(1)取心作業(yè)前以大排量循環(huán)清潔井眼，調(diào)整好鉆井液性能，保證井下暢通無阻且無沉砂、掉塊，油氣上竄速度必須滿足川東北井控要求。

(2)取心鉆頭和工具在入井前必須詳細(xì)檢查保養(yǎng)并繪制好草圖。現(xiàn)場取心筒必須至少備用1根，備用2只不同型號的取心鉆頭，以便巖性改變時及時更換。

(3)鉆頭觸底前校核好指重表，樹心鉆壓不超過20 kN，進(jìn)尺不低于0.3 m方可取心鉆進(jìn)。取心鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計參數(shù)，割心過程中操作要平穩(wěn)。割心位置選在鉆時較快或正常地層，進(jìn)尺盡量保證4 m及以上。

(4)起鉆前測定油氣上竄速度，起鉆過程中平穩(wěn)操作，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤。

3 應(yīng)用效果分析

本井在海相地層洗象池群組取心1次，龍王廟組取心1次，燈影組四段取心3次，燈影組二段取心2次(表3)。累計取心進(jìn)尺29 m，心長24.33 m，平均收獲率83.9%，高于塔深1井超深井取心收獲率[14- 15]。

分析取心情況發(fā)現(xiàn)，機(jī)械鉆速嚴(yán)重制約了取心進(jìn)尺和收獲率。除前兩次取心效果較好外，第3次取心使用PDC取心鉆頭，鉆遇硅質(zhì)白云巖，機(jī)械鉆速較前兩次明顯降低，鉆頭復(fù)合片及胎體磨損嚴(yán)重，割心鉆時高達(dá)239 min/m，導(dǎo)致巖心磨細(xì)，起鉆過程中掉心，收獲率僅為44.44%。第4次取心受后期懸掛軸承失效影響，鉆時高達(dá)200 min/m，取心進(jìn)尺偏低。第5次取心收獲率雖達(dá)到100%，但是進(jìn)尺仍不理想，鉆時變慢嚴(yán)重，割心鉆時275 min/m；第6次取心收獲率和進(jìn)尺均不理想，主要原因是懸掛軸承失效且?guī)r性含硅質(zhì)成分、裂縫發(fā)育且被石英充填、可鉆性差，導(dǎo)致鉆時慢，巖心外徑偏小。收獲巖性底部斷面規(guī)則，有沖蝕痕跡，長時間循環(huán)及外徑磨損導(dǎo)致巖心斷落；第7次取心進(jìn)尺最短，在取心過程中扭矩波動嚴(yán)重，考慮到井下安全直接割心。

表3 MS1井取心統(tǒng)計

4 結(jié)論與認(rèn)識

(1)影響MS1井取心收獲率和進(jìn)尺的主要原因是取心工具懸掛軸承失效。同時，受材質(zhì)影響，取心筒臨界鉆壓偏低，嚴(yán)重影響機(jī)械鉆速和工具穩(wěn)定性。可縮短取心筒長度，增強(qiáng)其穩(wěn)定性，從而提高機(jī)械鉆速和收獲率。

(2)MS1井屬超深“三高”預(yù)探井，地層軟硬交錯，可鉆性差，現(xiàn)場須準(zhǔn)備小復(fù)合片PDC鉆頭及多種適用于高研磨性地層的取心鉆頭。同時，超深井取心作業(yè)受到井深、摩阻、鉆具尺寸的影響，導(dǎo)致鉆具粘滑效應(yīng)及軸向伸縮嚴(yán)重，扭矩波動大，傳遞到鉆頭的鉆壓不穩(wěn)。因此，通過模擬計算，優(yōu)化鉆具組合和取心參數(shù)，提高工具、鉆頭的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高取心收獲率。同時，在保證井控和井下安全的前提下可以考慮使用井下動力鉆具配合水力加壓工具進(jìn)行超深井取心作業(yè)。