潛山地層欠平衡取心技術在乍得H區的應用

王俊明

(中油長城鉆探工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

引 言

H區是中石油乍得項目部的重點區塊之一，該區塊設計取心總進尺為245 m。乍得H區潛山地層埋藏淺，地層壓力系數低，裂縫發育程度高，導致鉆井液安全密度窗口窄，三開初期井眼內涌入大量原油。為了減少鉆井過程中對地層的傷害，最大限度地保護油氣層，有效提高鉆速和降低成本，決定在該區塊采取欠平衡鉆井。欠平衡鉆井對于取心施工的影響是雙重的:一方面欠平衡鉆井有利于提高取心的機械鉆速，延長取心鉆頭的使用壽命，獲得的巖心也更完整地保留了地層的原始數據，為分析地層的物理特性提供了更準確的地質資料;另一方面欠平衡鉆井為取心施工帶來了新的困難。針對乍得地區潛山地層物性特點，開發了適用于潛山地層的欠平衡鉆井取心工具。

1 主要技術難點

(1)欠平衡內防噴裝置影響投球操作。由于在欠平衡鉆井中，鉆具內都裝有內防噴裝置(鉆具止回閥、旁通閥)，受其影響，不能像常規取心工具一樣在取心前進行投球，必須在常規取心工具基礎上加以改進。

(2)潛山地層可鉆性差。潛山地層主要為中、酸性侵入巖，巖性堅硬，可鉆性差，鄰井取心單筒進尺不超過4 m鉆頭磨損就非常嚴重，機械鉆速迅速降低，最后只能割心起鉆。

(3)潛山地層裂縫發育。根據潛山巖性發育特征，中、酸性侵入巖屬于較好的儲集巖，有利于裂縫發育，即潛山地層為破碎地層，巖心散碎，成柱性差。取心鉆進過程中，破碎的巖心進入到巖心與內筒環形空間內，增加后續巖心進筒阻力，當阻力增大到一定程度時，機械鉆速迅速降低，巖心無法進入內筒或破碎流失。

2 取心工具改進

2.1 工具結構

由于欠平衡鉆井取心的特殊性以及乍得H區塊的地質特性，原有的常規取心工具已經不能滿足取心施工的需要。通過分析總結鄰井取心的經驗教訓，對原有的CQY172-101取心工具做了改進，形成了適用于欠平衡取心的新型取心工具——CQY172-101-QPH取心工具。該取心工具全長為10.35 m，單筒可取9.2 m巖心，巖心直徑為101 mm。新欠平衡取心工具主要由安全接頭、示壓報警裝置、投球接頭、旋轉總成、內筒、外筒、扶正器、防堵心襯管、巖心爪、取心鉆頭等組成(圖1)。

圖1 欠平衡取心工具結構示意圖

2.2 關鍵技術

2.2.1 欠平衡投球接頭

采用自行研發的欠平衡投球接頭[1-3]成功解決了欠平衡取心無法投球的問題。欠平衡投球接頭主要由彈簧、投球控制器、小球和球座組成(圖2)。其工作原理為:取心鉆進前調整排量，使得泵壓上升到一定程度，觸發欠平衡投球接頭的投球開關，使小球滾落，封閉內筒，鉆井液從分流通道流入內外筒環空。

圖2 投球接頭結構示意圖

2.2.2 防堵心襯管

針對潛山地層易堵心的情況，設計了防堵心襯管[4-6]，防堵心襯管在破碎地層取心有特殊的作用，可承受2次堵心而不需要起鉆。將雙層鋁合金襯管用銷釘固定在取心內筒下部，根據乍得H區潛山地層性質，內層襯管用6根銷釘固定，外層襯管用8根銷釘固定。當發生堵心時，內襯管受力達到一定程度時，銷釘剪斷，巖心及內襯管上行，新形成的巖心進入外襯管內部。再次發生堵心時，外層襯管銷釘剪斷，雙層襯管同時上行。相對于常規取心工具，防堵心襯管大幅增加了易堵心地層的單筒進尺，節省了起下鉆時間，也在一定程度上提高了取心收獲率。其結構如圖3所示。

圖3 防堵心襯管結構示意圖

2.2.3 示壓報警裝置

如果不能及時發現第3次堵心，則容易發生磨心，使巖心丟失，因此設計了示壓報警裝置[7-8]。示壓報警裝置是一種發現堵心和避免巖心損失的取心輔助設備，主要由阻流塊、銷釘和剪切活塞組成(圖4)。當防堵心襯管失效后，發生第3次堵心時，取心內筒受力迅速增加，剪切活塞上行，剪斷銷釘，使阻流塊彈出，從而使泵壓升高，取心工程師根據泵壓信號決定停止取心作業，割心起鉆。

圖4 示壓報警器結構示意圖

3 潛山地層專用鉆頭的研制

乍得H區潛山地層多為花崗巖，質地極其堅硬，普通PDC取心鉆頭單筒進尺都在4 m以下，使用孕鑲或表鑲鉆頭會大大降低機械鉆速，進而影響取心收獲率。因此，專門研制了適用于潛山地層的QS215-101PDC 取心鉆頭[9-10](圖5)。

圖5 取心鉆頭

QS215-101取心鉆頭外徑為215.9 mm，內徑為101.0 mm。其特點如下。

(1)減少切削齒數量，增加切削深度，采用優質復合硬質合金作為切削齒，提高機械鉆速。

(2)改變原有切削齒布置方法，使其成為自扶式取心鉆頭。

(3)為增加穩定性，使井眼和巖心規則，用鑲裝齊平的硬質合金作低摩擦保徑齒。

該取心鉆頭相對于普通取心鉆頭不但機械鉆速有所增加，而且持久力更強，完全能滿足單筒9 m以上進尺的要求(表1)。

由表1可知，使用潛山專用PDC鉆頭后，機械鉆速、取心收獲率和鉆頭壽命都有大幅增加。

4 現場應用

4.1 取心施工的技術措施

(1)為保證取心過程中鉆井設備正常運轉，取心前需要對鉆井設備及儀表進行檢修保養。

表1 PDC鉆頭使用效果

(2)取心前認真檢查欠平衡取心工具，著重檢查投球接頭、防堵心襯管及示壓報警裝置。

(3)下鉆至全封閘板上部，迅速打開全封閘板，接入鉆具下鉆，下鉆操作要平穩，禁止用取心鉆頭劃眼或強行下鉆。下鉆至井底開泵循環清洗井底，校正指重表和方入。

(4)取心鉆進前使用小鉆壓、低轉速引心，引心30 cm后逐漸加壓至設計鉆壓鉆進，注意控制機械鉆速。

(5)取心鉆進期間保證不倒泵、不停泵、不停轉盤、鉆頭不提離井底。取心鉆進過程中要注意泵壓及機械鉆速的變化，判斷是否發生堵心、卡心和磨心。

(6)割心位置最好選在成柱性好，比較堅硬的地層。

(7)起鉆要求平穩操作，輕提，輕放，慢卸，禁止轉盤卸扣，起出取心工具時，要迅速關閉全封。

4.2 鉆井參數優選

根據潛山地層堅硬、破碎、可鉆性差的特點，設計了“二低一適當”的鉆進參數優選方案。

(1)低鉆壓。既可以使取心筒在井底保持良好的穩定性，避免堵心、卡心等影響收獲率的情況出現，又可以控制機械鉆速，防止垮塌卡鉆的發生，保證取心鉆進安全。

(2)低排量。為了減小泥漿對巖心的沖蝕，在不影響井下安全的前提下選用盡量小的排量。

(3)適當的轉速:取心鉆頭在適當轉速下工作既有利于保護巖心，又可以保證適當的機械鉆速。

為了滿足上述要求，取心選用的鉆進參數為:鉆壓為20～50 kN;轉速為65 r/min;排量為20 L/s。

4.3 應用效果

采用CQY172-101-QPH型取心工具在乍得H區塊現場取心進尺245.00 m，心長為232.88 m，平均巖心收獲率為95.1%，遠遠超過甲方要求的行業標準(收獲率為60.0%)。由于采用了欠平衡取心鉆進技術并使用了新型潛山專用鉆頭，取心機械鉆速大大增加(表2)。

表2 H區各井取心數據

5 結論

(1)研制的CQY172-101-QPH型取心工具在乍得H區塊得到了成功應用，不僅為油藏開發提供了可靠的巖心資料，而且為乍得H區塊進行潛山地層欠平衡取心施工積累了經驗。

(2)設計特殊地層的專用鉆頭，能有效地提高機械鉆速和巖心收獲率，縮短鉆井周期，降低生產成本。

(3)采用調節泥漿泵排量加壓釋放鋼球的原理研制了欠平衡投球接頭，打破了井口投球的局限。根據堵心時內筒所受向上摩擦力轉化為剪切力的原理，設計了防堵心系統。

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