松遼盆地頁(yè)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(guó)磊， 張德軍

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

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非常規(guī)能源勘探、科學(xué)鉆探項(xiàng)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(duì)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(duì)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(duì)所取巖心沒(méi)有特殊要求的取心作業(yè)，主要用于精準(zhǔn)確定巖性，通過(guò)巖石物性特征發(fā)現(xiàn)油氣藏，包括短筒取心、中長(zhǎng)筒取心、大斜度井取心、水平井取心等；特殊取心是指對(duì)所取巖心有特殊要求的取心作業(yè)，主要用于評(píng)價(jià)油氣藏，主要包括保形取心、密閉取心、保壓取心。在生產(chǎn)實(shí)踐中，可根據(jù)取心目的、油氣藏類型、勘探開(kāi)發(fā)階段等不同條件選擇取心方式。

松頁(yè)油2井是中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局為探明松遼盆地白堊系青山口組泥頁(yè)巖層段的頁(yè)巖油賦存狀況部署的一口頁(yè)巖油參數(shù)井，鉆井取心是本井主要工作內(nèi)容之一。為達(dá)到取全取準(zhǔn)頁(yè)巖油相關(guān)參數(shù)資料的目的，松頁(yè)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(diǎn)論述這兩種取心技術(shù)在頁(yè)巖油勘探中的應(yīng)用。

1 工程概況

松頁(yè)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(jì)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(yè)巖，是盆地的主力烴源巖之一，具有巨大的頁(yè)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(jī)負(fù)荷的選擇原則、井控配套要求，同時(shí)考慮到井深的不確定性，選用ZJ40型鉆機(jī)進(jìn)行鉆井施工。

2 取心設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)要求，目的層取心設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

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

3 取心井段鉆井液性能

泥頁(yè)巖地層所含粘土比例較高，容易水化，鉆井過(guò)程中常出現(xiàn)井徑擴(kuò)大、井壁失穩(wěn)、卡鉆、糊鉆、扭矩及阻力增大等井下復(fù)雜情況。為保護(hù)井壁穩(wěn)定性，在泥頁(yè)巖層段采用KCl-聚胺強(qiáng)抑制鉆井液體系，鉆井液配方：1 m3清水+4%膨潤(rùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)割心。2種鉆具單筒長(zhǎng)度均在9.5～10 m，具體規(guī)格見(jiàn)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(jiàn)表3。

4.3 常規(guī)取心鉆進(jìn)參數(shù)

2種鉆具的推薦鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)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(jìn)參數(shù)Table 4 Drilling parameters of the conventional coring

4.4 常規(guī)取心鉆進(jìn)工藝流程

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

4.4.1 入井前準(zhǔn)備、鉆具檢查

在地面組裝鉆具前，應(yīng)對(duì)外管、內(nèi)管的彎曲度進(jìn)行檢查，檢查旋轉(zhuǎn)總成(單動(dòng)機(jī)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(tái)階的間隙達(dá)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(shí)，先大排量(22～24 L/s)沖洗孔底后再進(jìn)行探底。必要時(shí)循環(huán)調(diào)整鉆井液，離實(shí)際井底0.5 m不間斷活動(dòng)鉆具。

4.4.3 取心鉆進(jìn)

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(kāi)方鉆桿，從鉆桿試驗(yàn)內(nèi)投入鋼球，開(kāi)泵送入球座，在泵壓上升0.5～1 MPa時(shí)，鋼球正常進(jìn)入球座，開(kāi)始取心鉆進(jìn)。使用KT-194型孔底動(dòng)力取心鉆具時(shí)，組裝時(shí)則投入鋼球。

取心鉆進(jìn)開(kāi)始時(shí)，選取鉆壓為5～10 kN進(jìn)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(jìn)行樹(shù)心，待樹(shù)心鉆進(jìn)0.3～0.5 m后正常加到設(shè)計(jì)鉆壓。

4.4.4 割心

割心時(shí)，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(shí)，則應(yīng)停止上提鉆具，保持巖心受拉狀態(tài)，轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)直至巖心拔斷，如井底動(dòng)力回轉(zhuǎn)，則開(kāi)泵直至巖心拔斷。

4.4.5 起鉆

割心起鉆，操作應(yīng)平穩(wěn)，嚴(yán)禁猛提、猛放、猛頓，防止鉆具劇烈擺動(dòng)，丟失巖心。起鉆過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)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(tái)上或場(chǎng)地上2種方式。在鉆臺(tái)上出心，利用巖心自重，采用巖心鉗控制巖心落出段長(zhǎng)；在場(chǎng)地上出心利用水力或者機(jī)械方式推出巖心，按巖心出筒順序標(biāo)出方向、序號(hào)，依次排列在巖心盒內(nèi)。

5 密閉取心鉆進(jìn)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(jìn)而判斷地層含油飽和度、油水動(dòng)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(jiàn)圖1)，屬于自鎖式取心鉆具，鉆具單筒長(zhǎng)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(jī)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(jìn)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(shí)密閉液流出達(dá)到鉆頭頂部時(shí)，由于內(nèi)筒下端通過(guò)密封圈與鉆頭內(nèi)表面形成密閉區(qū)域，隔離了鉆井液對(duì)巖心的接觸。隨著巖心進(jìn)入內(nèi)筒，密閉液在巖心表面形成保護(hù)膜。鉆具安裝見(jiàn)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(jìn)參數(shù)

密閉取心推薦鉆進(jìn)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(jìn)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(kāi)始前，在鉆井液中加入一定量示蹤劑，目的是檢測(cè)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(dá)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(yán)禁劃眼，遇阻不能超過(guò)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(jìn)。下鉆到離井底1 m，大排量循環(huán)沖洗井底，準(zhǔn)備取心時(shí),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(kāi)始樹(shù)心鉆進(jìn)。樹(shù)心0.3 m后，按照設(shè)計(jì)鉆進(jìn)參數(shù)開(kāi)始正常鉆進(jìn)。

(6)割心及出心。取心進(jìn)尺達(dá)到預(yù)計(jì)長(zhǎng)度時(shí)，停止鉆進(jìn)，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(jìn)行出心，出心過(guò)程中注意保護(hù)巖心，防止巖心被污染。

6 取心鉆進(jìn)難點(diǎn)與對(duì)策

6.1 技術(shù)難點(diǎn)

(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(jī)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(wú)取心經(jīng)驗(yàn)可借鑒。本井有3個(gè)回次采用川7-4型取心鉆具，平均機(jī)械鉆速0.53 m/h，距離本井50 km處的另一口頁(yè)巖油參數(shù)井取心也采用該型鉆具，平均機(jī)械鉆速0.42 m/h，2口井取心效率都很低。

(2)為提高鉆進(jìn)效率，在取心過(guò)程中先后更換4個(gè)鉆頭廠家、6個(gè)取心鉆頭類型(包括5個(gè)PDC鉆頭，1個(gè)巴拉斯鉆頭)，均未達(dá)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(jī)械鉆速。但在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)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(jìn)過(guò)程中穩(wěn)定性差、易崩齒，導(dǎo)致壽命短，也難以獲得理想的鉆進(jìn)效率。

(3)取心效率低導(dǎo)致上部裸眼時(shí)間長(zhǎng)，井壁易坍塌、掉塊，甚至失穩(wěn)。常規(guī)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)的取心鉆進(jìn)方法鉆柱穩(wěn)定性差，對(duì)井壁干擾大，尤其在泥頁(yè)巖地層中不利于保護(hù)井壁穩(wěn)定。

6.2 解決對(duì)策

經(jīng)過(guò)調(diào)研和論證，在致密泥頁(yè)巖層段，實(shí)施頂驅(qū)+螺桿鉆復(fù)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)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(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(gè)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(qiáng)鉆頭內(nèi)外保徑，提高鉆頭壽命，實(shí)現(xiàn)高效率、長(zhǎng)鉆程取心工作。

(2)采用孔底動(dòng)力與頂驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)取心，與單獨(dú)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(jìn)要求，并有利于保護(hù)井壁。

(3)KT型取心鉆具在科學(xué)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(guó)大陸科學(xué)鉆探攻克復(fù)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(diǎn)及巖心鉆探金剛石薄壁取心技術(shù)的特點(diǎn)相融合，對(duì)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(dòng)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(jìn)行了13回次取心，總進(jìn)尺202.02 m，巖心總長(zhǎng)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(jìn)行了3個(gè)回次的取心，KT-194型取心鉆具在目的層進(jìn)行了8個(gè)回次的取心。ZYVC密閉取心鉆具在目的層進(jìn)行了2個(gè)回次的取心。各鉆具取心數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

7.2 取心數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

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

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

本井設(shè)計(jì)要求巖心采取率不低于95%，3種取心鉆具實(shí)際采取率都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取心質(zhì)量?jī)?yōu)良(見(jiàn)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(jī)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(jī)械鉆速對(duì)比見(jiàn)圖5，極大地縮短了取心周期，達(dá)到了取心提速的目的。實(shí)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(duì)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(jìn)行的目的層8個(gè)回次的常規(guī)取心鉆進(jìn)，從開(kāi)始下鉆到完成取心，取心過(guò)程比較順利，沒(méi)有出現(xiàn)復(fù)雜情況，成功完成了本次取心任務(wù)，取出的巖心見(jiàn)圖6。同時(shí)，由于所選用的KCl-聚胺強(qiáng)抑制鉆井液性能優(yōu)良，懸浮攜帶巖屑效果較好，針對(duì)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(jìn)順利進(jìn)行創(chuàng)造了良好的條件。

圖5 3種鉆具機(jī)械鉆速對(duì)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(shí)踐可看出，KT-194型取心鉆具配套孔底動(dòng)力復(fù)合回轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)工藝能夠較好地適應(yīng)松遼盆地頁(yè)巖油鉆井取心鉆進(jìn)的實(shí)際需要，適應(yīng)該地區(qū)的地層特性，選用的鉆進(jìn)參數(shù)、鉆具組合和操作方法合理，使用的KCl-聚胺強(qiáng)抑制鉆井液體系能夠滿足該地區(qū)使用動(dòng)力鉆具的需要。大口徑孔底動(dòng)力取心技術(shù)的應(yīng)用為其它地區(qū)頁(yè)巖氣、頁(yè)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(yàn)方法。

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