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(xiǎn)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(cuò)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(yàn)，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(jì)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(diǎn)分析

MS1井主要目的是探明下寒武統(tǒng)龍王廟組儲(chǔ)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(xiàng)施工難題。

1.1 井控風(fēng)險(xiǎn)大

MS1井是該區(qū)塊最深探井，設(shè)計(jì)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(cè)壓力系數(shù)為1.33～1.67，井控風(fēng)險(xiǎn)高，處理難度大[4]。

1.2 井底高溫高壓

溫度對(duì)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(gè)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(huì)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(shí)，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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)及鉆井液流動(dòng)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(cuò)，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(shí)，鉆頭和工具易偏離井眼軸心，鉆進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，導(dǎo)致工具橫向震動(dòng)大，巖心磨損嚴(yán)重。取心時(shí)，如果超過臨界鉆壓，取心筒會(huì)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(dòng)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(zhǎng)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(shí)，在保證鉆井液流變性的前提下，應(yīng)增強(qiáng)抑制性和潤(rùn)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(shí)巖心表面會(huì)形成虛濾餅，割心時(shí)降低巖心爪與巖心間的摩擦力[11]。而良好的潤(rùn)滑性可以降低巖心進(jìn)入內(nèi)筒時(shí)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(shí)，將振動(dòng)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(hào)的取心工具結(jié)構(gòu)基本相同，已經(jīng)在20多個(gè)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(rùn)滑軸承，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。

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(shí)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(shí)45 min/m，具備PDC取心鉆頭的使用條件，鉆進(jìn)時(shí)采用綜合防震設(shè)計(jì)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(jì)，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(shí)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(jì)

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(zhǎng)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(dòng)過大影響取心收獲率。臨界鉆壓可利用歐拉公式進(jìn)行計(jì)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(zhǎng)度，m。

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

振動(dòng)幅度模擬分析(圖1)表明，使用川7- 5取心時(shí)底部BHA加裝鉆具扶正器后，取心筒和鉆頭平均振動(dòng)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(dòng)幅度由3.3 mm下降至1.7 mm。振動(dòng)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(shí)振動(dòng)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(shí)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(dòng)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?，F(xiàn)場(chǎng)取心筒必須至少備用1根，備用2只不同型號(hào)的取心鉆頭，以便巖性改變時(shí)及時(shí)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(jì)參數(shù)，割心過程中操作要平穩(wěn)。割心位置選在鉆時(shí)較快或正常地層，進(jìn)尺盡量保證4 m及以上。

(4)起鉆前測(cè)定油氣上竄速度，起鉆過程中平穩(wěn)操作，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)取心進(jìn)尺29 m，心長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(shí)變慢嚴(yán)重，割心鉆時(shí)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(shí)慢，巖心外徑偏小。收獲巖性底部斷面規(guī)則，有沖蝕痕跡，長(zhǎng)時(shí)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(dòng)嚴(yán)重，考慮到井下安全直接割心。

表3 MS1井取心統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(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(shí)，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?？煽s短取心筒長(zhǎng)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(cuò)，可鉆性差，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(dòng)大，傳遞到鉆頭的鉆壓不穩(wěn)。因此，通過模擬計(jì)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(shí)，在保證井控和井下安全的前提下可以考慮使用井下動(dòng)力鉆具配合水力加壓工具進(jìn)行超深井取心作業(yè)。