石林

中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

巖心是研究火驅(qū)開發(fā)過程中燃燒特征、火線波及規(guī)律最準(zhǔn)確的資料，但由于火驅(qū)開發(fā)對(duì)地層改造作用較大，導(dǎo)致地層變得松散、破碎，地層溫度大幅度升高，在很大程度上也增加了取心難度。實(shí)踐表明，在火驅(qū)開發(fā)效果較好的遼河油田D66塊，應(yīng)用常規(guī)取心技術(shù)其平均巖心收獲率僅為33.96%，遠(yuǎn)低于石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY 5593—93)對(duì)松散地層取心收獲率要達(dá)到50%的要求［1-2］。截至目前，尚無文獻(xiàn)探討過火驅(qū)開發(fā)后的地層取心技術(shù)，而且由于火驅(qū)開發(fā)后地層地質(zhì)特征變化較大，也難以借鑒常規(guī)取心的成功經(jīng)驗(yàn)。對(duì)此，筆者以遼河油田D66塊為例，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析了火驅(qū)開發(fā)對(duì)地層的影響，提出了火驅(qū)開發(fā)后地層的取心難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)密閉液、取心鉆頭、巖心爪、內(nèi)筒及內(nèi)襯管等取心相關(guān)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了鉆井參數(shù)，在3口井開展了現(xiàn)場(chǎng)取心試驗(yàn)，巖心收獲率提高了44～54.36個(gè)百分點(diǎn)，證明了該取心工藝對(duì)于火驅(qū)開發(fā)后地層取心具有較好的適用性。

1 火驅(qū)對(duì)D66塊地層的影響及取心難點(diǎn)

1.1 火驅(qū)對(duì)D66塊地層的影響

研究區(qū)D66塊位于遼河油田西部凹陷西斜坡南端，目的層為古近系沙河街組沙四段杜家臺(tái)油層，儲(chǔ)層巖性為深褐色不等粒砂巖，油層段平均含油飽和度65%。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際資料表明，火驅(qū)對(duì)地層的影響主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)降低膠結(jié)質(zhì)量。D66塊沙四段杜家臺(tái)油層膠結(jié)物以黏土為主，黏土礦物主要為蒙皂石，含量為61.4%，其次是高嶺石，含量為19.1%。蒙皂石層間結(jié)合力為范德華力，層間吸附大量水化陽離子團(tuán)，層間結(jié)合力弱，易解理，分散度高。此外，高嶺石比表面積約為 7～30 m2/g，蒙皂石比表面積約為 810 m2/g，比表面積的懸殊導(dǎo)致毛細(xì)管力相差甚大。比表面積越大，毛細(xì)管力越大，顆粒間相互吸附力越大，干燥時(shí)收縮體積越大，所以蒙皂石具有強(qiáng)水敏性，遇水膨脹率高。實(shí)驗(yàn)表明：在火驅(qū)過程中，高溫烘烤作用使蒙皂石快速脫水，遇水后又迅速膨脹，這種脫水及膨脹過程使膠結(jié)物裂開而失去膠結(jié)作用，導(dǎo)致固結(jié)程度降低，地層變松散甚至垮塌。圖1為D66塊開展室內(nèi)火驅(qū)實(shí)驗(yàn)的巖心照片，其中圖1(a)為原始地層巖心，圖1(b)為開展火驅(qū)實(shí)驗(yàn)之后的巖心。由圖1可以看出，火驅(qū)后的巖心膠結(jié)明顯變差，與原始地層巖心相比更加松散，局部甚至發(fā)生破碎。

圖1 D66塊火驅(qū)前后巖心對(duì)比Fig.1 Core comparison before and after the combustion drive in D66 Block

(2)溶蝕巖石骨架顆粒。D66塊目的層地層水為 NaHCO3型，總礦化度為 1 987 mg/L，Cl-含量平均值為 159.9 mg/L，Na++K+含量平均值為 571.4 mg/L?；痱?qū)過程中高溫作用使NaHCO3分解，產(chǎn)生CO2，導(dǎo)致蒸汽冷凝水的pH值升高，呈強(qiáng)堿性。在高溫強(qiáng)堿環(huán)境下，作為巖石骨架顆粒的石英發(fā)生溶解，而且隨著pH值的增大石英溶解率不斷增加，含量逐漸減少。分析化驗(yàn)證明，火驅(qū)后研究區(qū)地層中石英含量下降約4.8%，直接導(dǎo)致了巖石骨架松散、垮塌。同時(shí)碳酸鹽礦物(方解石、白云石等)、高嶺石和石英發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生蒙皂石，分析化驗(yàn)結(jié)果表明，火驅(qū)后研究區(qū)地層中蒙皂石含量增加約4.2%，進(jìn)一步加劇了對(duì)膠結(jié)質(zhì)量的影響。

(3)火驅(qū)溫度不足以使巖石重新固結(jié)。D66塊火驅(qū)溫度相對(duì)較低，為400～500 ℃，未達(dá)到將松散巖石燒結(jié)成塊所需的溫度，這也是D66塊火驅(qū)后地層松散的原因之一。

1.2 D66塊火驅(qū)后地層取心難點(diǎn)分析

通過研究火驅(qū)對(duì)D66塊地層的影響以及火驅(qū)后的儲(chǔ)層特征，認(rèn)為對(duì)火驅(qū)后地層開展取心工作主要存在以下難點(diǎn)：(1)火驅(qū)導(dǎo)致地層溫度大幅度上升，高溫高壓條件下密閉液稠化容易導(dǎo)致堵心；(2)火驅(qū)引起的蒙皂石脫水和膨脹作用以及石英的溶蝕，降低了地層膠結(jié)質(zhì)量，在鉆井液的沖蝕下，地層容易發(fā)生破碎，使巖心不易成柱，難以進(jìn)筒且容易掉落，出筒時(shí)巖心柱承受壓力減小，容易破碎。

2 取心工藝優(yōu)化

取心工具包括取心鉆頭、巖心筒、巖心爪、扶正器和懸掛裝置等部件，考慮到火驅(qū)對(duì)地層的影響以及火驅(qū)后地層取心的難點(diǎn)，對(duì)密閉液、取心鉆頭、巖心爪、巖心筒的內(nèi)筒以及內(nèi)襯管進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1 研制高溫密閉液

火驅(qū)會(huì)引起地層溫度大幅度升高，為了避免密閉液在高溫高壓環(huán)境下稠化［3］，研制了適用于火驅(qū)后地層取心的密閉液配方，將過氯乙烯樹脂更換為改性樹脂和氧化瀝青，使密閉液的抗高溫能力從原來的120 ℃提高到160 ℃以上，密閉液恒溫滾動(dòng)從 120 ℃、8 h 提高到 180 ℃、16 h，提高了密閉液在高溫高壓條件下的穩(wěn)定性，有效避免了在火驅(qū)后地層取心時(shí)因密閉液稠化而導(dǎo)致的堵心，提高了取心作業(yè)工作效率和巖心收獲率。

2.2 設(shè)計(jì)防沖蝕鉆頭

D66塊目的層巖性為不等粒砂巖，受火驅(qū)影響地層變得松散易碎。常規(guī)取心過程中，鉆井液流過取心鉆頭內(nèi)腔和內(nèi)唇面，可以清洗并攜帶鉆頭內(nèi)唇面切削的巖屑，但對(duì)于松散地層而言鉆井液會(huì)沖蝕巖心導(dǎo)致巖心破碎、無法進(jìn)筒或者掉落［4-5］。為了減少由于鉆井液沖蝕作用而導(dǎo)致的巖心進(jìn)筒阻力增大和巖心破碎無法進(jìn)筒的情況，設(shè)計(jì)了外斜水眼和防沖蝕水槽。如圖2所示，改進(jìn)后的水眼向外側(cè)有一定角度的傾斜，改變了水流噴出方向，可以避免鉆井液直接沖蝕巖心，減少了鉆井液對(duì)巖心的損害。防沖蝕水槽可以使鉆井液先進(jìn)入凹槽，然后從槽底的水眼流出，進(jìn)一步降低取心鉆進(jìn)時(shí)鉆井液對(duì)巖心的沖刷，由此最大程度保證巖心的完整性。

圖2 防沖蝕鉆頭Fig.2 Erosion-proof bit

2.3 采用復(fù)合式巖心爪

針對(duì)火驅(qū)后地層破碎、使用常規(guī)巖心爪容易掉心的問題［6-7］，改進(jìn)了巖心爪，采用卡箍結(jié)合全封閉的復(fù)合式巖心爪來避免掉心的情況發(fā)生(圖3)。當(dāng)取心井段受火驅(qū)影響較小，地層相對(duì)較硬時(shí)，全封閉巖心爪下壓收縮難以割斷巖心，此時(shí)采用卡箍式巖心爪卡緊并割斷巖心；當(dāng)?shù)貙铀缮ⅲ瑤r心比較破碎時(shí)，卡箍式巖心爪難以防止巖心掉落，這時(shí)全封閉巖心爪將下壓收縮割斷巖心，并且閉合，防止巖心掉落，從而保證巖心收獲率。

圖3 復(fù)合式巖心爪Fig.3 Combination core catcher

2.4 改進(jìn)巖心筒內(nèi)筒及內(nèi)襯管

巖心筒內(nèi)筒的作用是儲(chǔ)存和保護(hù)巖心，常規(guī)鋼制取心內(nèi)筒在長時(shí)間接觸鉆井液后生銹會(huì)導(dǎo)致內(nèi)壁粗糙，增大巖心進(jìn)筒阻力，當(dāng)摩擦阻力大于巖心承載能力時(shí)會(huì)壓碎巖心［8］，而且容易堵心。為此研制了鋁合金內(nèi)筒，由于鋁合金內(nèi)筒具有優(yōu)良的低摩阻特性且不會(huì)因?yàn)榻佑|鉆井液而生銹，在很大程度上減小了巖心進(jìn)筒阻力，降低了巖心破碎幾率。此外，在鋁合金內(nèi)筒中加裝了耐高溫PVC內(nèi)襯管，其摩阻力僅為常規(guī)鋼制管的25%［9］，不僅有利于提高巖心進(jìn)筒速度，且可以有效提高巖心出筒時(shí)的完整性。

3 優(yōu)化鉆井參數(shù)

考慮到火驅(qū)后的地層特征，結(jié)合S1-47-040C井開展的取心試驗(yàn)，確定了“高鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小排量”的鉆井參數(shù)模式。一般情況下，在相對(duì)較軟地層中鉆進(jìn)時(shí)多采用“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速”的鉆井參數(shù)模式，這樣既可以產(chǎn)生更大的沖擊載荷也有利于保護(hù)鉆頭，但是該參數(shù)模式對(duì)于火驅(qū)后地層取心并不適用，由于火驅(qū)后地層變得松散破碎，“高鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小排量”更有利于減少對(duì)巖心的破壞，從而提高巖心收獲率。由表1可以看出，當(dāng)鉆壓由50～60 kN 升至 70～80 kN、轉(zhuǎn)速由 65 r/min 降至 60 r/min、排量由 0.75 m3/min 減至 0.55 m3/min 時(shí)，平均巖心收獲率由33.98%提高到了76.27%，提高幅度較大。

4 取心效果分析

共計(jì)完成3口井的取心工作，分別是S1-47-040C井、S1-46-K037井和S1-47-K039井。技術(shù)改進(jìn)之前在S1-47-040C井累計(jì)完成取心進(jìn)尺9.01 m，累計(jì)巖心長度3.06 m，平均收獲率僅33.96%，遠(yuǎn)低于石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY 5593—93)對(duì)松散地層取心收獲率50%的標(biāo)準(zhǔn)要求。技術(shù)改進(jìn)之后在S1-47-040C井累計(jì)完成取心進(jìn)尺50.51 m，累計(jì)巖心長度39.38 m，平均收獲率 77.96%；S1-46-K037 井累計(jì)完成取心進(jìn)尺 123.9 m，累計(jì)巖心長度109.43 m，平均收獲率88.32%；S1-47-K039井累計(jì)完成取心進(jìn)尺54 m，累計(jì)巖心長度 46.2 m，平均收獲率 85.56%。使用新技術(shù)后巖心收獲率提高44～54.36個(gè)百分點(diǎn)。

表1 S1-47-040C 井取心參數(shù)及收獲率Table 1 Coring parameters and core recovery of Well S1-47-040C

5 結(jié)論

火驅(qū)對(duì)地層的改造作用主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是地層溫度大幅度升高；二是高溫烘烤作用使膠結(jié)物失去膠結(jié)作用和巖石骨架溶解而導(dǎo)致地層變得松散。進(jìn)而直接導(dǎo)致取心時(shí)密閉液稠化、鉆井液沖蝕使巖心破碎、巖心不易成柱、難以進(jìn)筒以及容易掉落等問題。針對(duì)上述問題，綜合應(yīng)用改進(jìn)后的耐高溫密閉液、防沖蝕鉆頭、復(fù)合式巖心爪、鋁合金內(nèi)筒和PVC內(nèi)襯管等適用于火驅(qū)后地層的取心工具，結(jié)合高鉆壓、低鉆速、小排量的鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)，可以大幅度提高巖心收獲率。