高滲透易阻卡地層防卡旋轉割心工藝
——以威207井為例

段緒林 卓 云 張 杰 熊鴻照 陳錦泉 張運迪

中國石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探分公司

0 引言

在儲層段的取心作業，是天然氣勘探開發中的重要環節。大部分儲層段的裂縫、孔洞發育，滲透性強，取心作業易發生阻卡現象，嚴重時導致復雜故障發生，尤其是取心鉆進結束后的割心環節，因井壁濾餅影響，極易發生阻卡現象，井壁濾餅愈厚，割心上提鉆具高度愈高，阻卡愈嚴重[1-5]。上提鉆具割心時常有卡鉆故障發生，如川渝地區的蓬萊103井、磨溪107井、威207井等，最為典型的是威207井寒武系下統筇竹寺組取心，因地層滲透性強、巖石破碎等因素引起取心段井壁快速形成厚濾餅，割心上提鉆具中頻繁發生阻卡及卡鉆，極大地影響該井后續取心作業和延誤巖心資料的及時分析[6-10]。

目前，割心均采用停頂驅（轉盤）、不停泵，直接上提鉆具的方式將巖心進行拔斷，該割心工藝能滿足正常地層取心需要，但在高滲透破碎地層割心作業遇阻卡時，為確保取心收獲率，都只能采取多次上下活動鉆具的方式消除阻卡，嚴重時采用隨鉆震擊器震擊，復雜情況的處理手段單一，效果差[11-20]。為了有效實現安全割心，需要從操作程序入手，探索一種新的割心工藝，解決高滲透易阻卡井段取心作業難題。

筆者以威遠頁巖氣風險作業區威207井為例，針對該井在高滲透易阻卡井段取心作業難點，詳細闡述現場創新提出并實施的防卡旋轉割心工藝技術，并總結提煉形成安全操作配套工藝。

1 取心作業復雜表現與前期處理

威遠頁巖氣風險作業區威207井原計劃開展下部筇竹寺組頁巖氣儲層評價取心作業，設計在井段2 930～3 175 m之間，完成取心進尺170 m ，其評價效果將直接關系到威遠風險作業區頁巖氣產能建設的有序接替及下步勘探方向的轉移。但是現場上，?244.5 mm套管下至1 644.10 m，在下志留統龍馬溪組直改平鉆進中2次卡鉆，因此只能更改設計，利用原井眼直接加深鉆至筇竹寺組取心，事實上是?215.9 mm井眼鉆至井深3 000 m取心，取心井段3 000～3 243 m，累計取心進尺213.37 m ,其上部井眼軌跡復雜，摩阻大、扭矩大，前12次取心作業，在上提鉆具割心過程中引起7次嚴重阻卡和2次嚴重卡鉆，其中2次卡鉆經過多次頂驅蹩扭矩25～28 kN·m和1 600～1 900 kN反復大力活動，最終通過隨鉆震擊器震擊解卡，高扭矩和大的拉力造成兩只取心鉆頭胎體被扭破，?165.1 mm鉆鋌母接頭根部出現2/3圈的斷口，險些釀成二次井下事故。根據單次取心作業過程分析，取心鉆進扭矩高，割心困難，割心后阻卡嚴重，在實鉆中，根據隨鉆情況實時優化調整各項參數，采取相應措施。

1.1 取心作業扭矩高

1）鉆井取心參數：1～4次取心，鉆壓70～100 kN，轉速50～55 rpm，排量20 L/s。因鉆壓、轉速高，引起取心鉆進扭矩高，所以降低取心參數鉆進。自第5次取心開始，局部井段鉆進扭矩波動范圍在14～24 kN·m，為控制鉆進扭矩，適當降低取心參數鉆進。5～12 次取心，鉆壓30～40kN，轉速40～45 rpm，排量20 L/s。

2）該井上部井段經過2次側鉆，為有效檢驗井眼暢通性，在井深1 610 m測試空轉扭矩4～5 kN·m，井深1 900 m空轉扭矩增至8～9 kN·m，取心井段空轉扭矩14～17 kN·m，鉆進扭矩14～23 kN·m，超出其它頁巖取心井鉆進扭矩8～12 kN·m，加之多處取心井段需長時正、倒劃眼才能通過并頻繁蹩停頂驅（扭矩設置23～24 kN·m），導致取心工具及鉆頭長期承受較大交變應力易產生疲勞而引發故障。

為此進行取心工具優化，更換為強度更高的CQX180-105取心工具，其抗拉強度1 400 kN、抗扭強度35 kN·m，并先后倒換使用7套，及時釋放復雜條件下的取心工具應力，確保了取心工具安全。

1.2 上提鉆具割心阻卡嚴重

首次割心上提鉆具遇阻，在第2次取心前將鉆井液油含量由5%提至8%， 2～3次割心上提鉆具正常， 4～12次割心發生阻卡復雜7次，卡鉆2次。

后來進行鉆井液性能優化，采用有機鹽鉀聚磺鉆井液，密度1.42 g/cm3，黏度60 s，失水1.6 mL，泥餅0.5 mm，油含5%，切力2.0/8.5 Pa，含砂0.3%，pH值10。該鉆井液具有潤滑性較好、對泥頁巖水化分散抑制性較強的特點。每趟鉆堅持使用除泥除砂器和一體機，維護較好。第1次取心下鉆至井底循環及取心鉆進過程中，振動篩有極少量圓顆粒狀巖屑返出。在第5次、第7次取心前，2次提高鉆井液密度至1.55 g/cm3，并將高溫高壓失水由1.6降至1.4 mL，油含維持8%，其余筒次取心及擴眼均未見掉塊，井壁穩定。鉆井液各項性能指標經多次優化，井下阻卡頻繁的狀況未見改善。

同時強化井眼修復，加大取心作業中擴眼頻率，取心作業2次就采用牙輪鉆頭擴眼1次，擴眼鉆具帶? 210 mm扶正器。

經以上措施處理，割心遇阻卡未見明顯改善，自第8次取心開始，在擴眼井段下鉆均需長時劃眼才能通過并頻繁蹩停頂驅。

2 取心作業阻卡頻繁的復雜原因

針對取心作業扭矩高、阻卡多的復雜表現，從地層滲透性、泥餅質量等巖性特點出發，結合取心作業、擴眼作業復雜發生與處理特點，分析了阻卡頻繁發生的復雜原因。

2.1 地層滲透率高

威207井設計在筇竹寺組取心173 m，取心收獲率要求95%以上，取心井段長，技術要求高，取心難度大。取心作業中，觀察取出巖心，3 000～3 045 m為黑色頁巖；3 046～3 171 m砂質頁巖與黑色頁巖互層，砂質頁巖為主；3 165～3 171 m以粉砂巖為主，夾頁巖薄層。第一次割心提鉆遇阻后將鉆井液油含提至8%，第2、第3次取心均能正常提鉆，從井深3 046 m即第4次取心末段開始，鉆取長段砂質頁巖且頁理發育，出井巖心如餅狀，厚度介于3～100 mm，巖石頁理發育且砂質含量高，存在一定孔隙度，地層滲透率高。

2.2 厚濾餅形成小井眼

砂質頁巖段取心，鉆屑近似粉末狀，混雜于鉆井液中，雖經振動篩、除泥除砂器等固控設備過濾，但受地層滲透性和取心排量小返速低的雙重影響，部分粉末狀鉆屑在井底上返途中被吸附于井壁，同時因取心鉆頭無噴嘴，鉆井液從巖心鉆孔中流出并經取心鉆頭刀翼之間的流道上返，水馬力減弱，對取心鉆頭以上的井壁不能起到較好清潔，逐步形成濾餅，滲透性愈好的井段，濾餅愈厚。

受取心鉆頭結構影響，鉆頭每個刀翼頂端存在臺階，割心提鉆時井壁泥餅在臺階處堆積（鉆井液主要從兩刀翼間的流道上返），隨提鉆高度的增加（金剛石與聚晶金剛石復合片取心鉆頭同比，與井壁接觸面更大），堆積的泥餅隨之增加并與井壁相互擠壓逐步形成小井眼，引起割心提鉆遇阻，井壁泥餅愈厚、鉆具上提高度愈多，阻卡愈嚴重。在出井取心鉆頭和擴眼起出的扶正器上均能見證濾餅。

3 旋轉割心工藝

在前期取心作業與復雜處理中，對取心鉆頭、取心工具、取心參數、鉆井液性能、取心鉆具組合、井眼修復等技術進行了優化，通過現場應用，效果不理想，阻卡依然頻繁發生。作為取心工藝技術的重要組成部分的取心作業操作程序，需要進一步優化。

3.1 常規割心工藝局限性

常規割心工藝在取心結束后，停頂驅、不停泵上提鉆具，產生一定拉力作用于巖心爪上，迫使巖心爪下行并向內收縮，卡住并割斷巖心。割心前停頂驅的目的是防止因鉆具轉動甩掉巖心。雖然該工藝能滿足井下正常時的作業需要，但在井壁快速形成較厚濾餅的高阻卡井段割心作業中極易發生卡鉆，存在不適應復雜地層取心的局限性。

3.2 旋轉割心工藝原理與安全性評價

針對砂質頁巖地層特點，結合對取心工具結構的思考，創新提出一種非常規割心工藝，兼顧割心與防卡。通過安全性、可行性分析，該工藝增加了掉心的風險，但能通過精細操作加以控制，實現風險可控。

3.2.1 技術原理

取心結束前，增大排量循環，不停頂驅、不停泵，間斷上提鉆具，利用取心鉆頭旋轉清除井壁濾餅，降低卡鉆幾率，同時利用間斷上提鉆具逐漸產生的拉力割斷巖心。

3.2.2 安全性分析

取心筒由內筒、外筒組成，內筒上部由懸掛總成連接，取心鉆進中，外筒隨頂驅（轉盤）轉動，內筒不旋轉，便于巖心進入內筒，在割心作業中，即使鉆具轉動，受懸掛軸承作用，內筒及裝在內筒中的巖心和內筒下端的巖心爪都不隨外筒轉動。

3.3 旋轉割心工藝風險與控制技術

針對旋轉割心工藝過程，分析了割心作業新增的掉心風險，提出了確保取心工具質量，嚴格控制上提速度、扭矩、排量、轉速等參數的旋轉割心關鍵要點，并制定了旋轉割心安全操作工藝程序。

風險分析認為，如果取心工具使用前檢查、保養不到位，或者外筒旋轉時操作不當，容易導致軸承失效，在旋轉割心過程中內筒跟隨外筒轉動，引起巖心爪磨損或產生錯位而造成巖心掉井。

關鍵要點在于：①確保取心工具質量，每一次工具入井前應仔細檢查及保養懸掛軸承，防止因軸承失效在旋轉割心過程中內筒跟隨外筒轉動，引起巖心爪磨損或產生錯位而造成巖心掉井；②割心過程中嚴格控制每一次上提鉆具的拉力、控制頂驅轉速以及扭矩、控制循環排量。

作業步驟分作4步：①取心鉆進完，不停頂驅或轉盤，按取心工具最大允許排量循環5～10 min帶砂；②頂驅扭矩按取心工具額定抗扭的60%設定，保持頂驅轉速及排量不變，上提鉆具一段高度（高度由施加的鉆壓確定），恢復鉆壓帶來的壓縮距（初始階段上提鉆具應緩慢，防瞬時扭矩過大蹩停頂驅而導致卡鉆）；③觀察扭矩變化情況，扭矩趨于平穩，間斷上提鉆具一定高度并嚴格控制鉆具拉力，每次上提高度30～100 mm，直至將巖心割斷（注意：經多次間斷上提鉆具后，當指重表上顯示的拉力逐步增加，說明巖心爪已抓牢巖心，由此，每次上提鉆具的高度應不大于50 mm，且應以頂驅扭矩的變化情況作為實時參考數據，防止頂驅蹩停導致卡鉆）；④巖心割斷后，降低頂驅轉速20%～30%，視井下復雜情況繼續間斷上提鉆具，直到提至安全井段，完成循環或起鉆。

旋轉割心期間，在取心鉆頭距離井底1 m間距內，上提鉆具拉力應不超過15～20 kN，不論是上提高度還是上提拉力都應以頂驅扭矩的變化情況決定，以保證頂驅不被蹩停，從而預留1 m的安全距離，該距離可用于后續頂驅蹩停時恢復頂驅轉動的空間。

4 應用效果

旋轉割心工藝在該井筇竹寺組取心井段3 171～3 189.5 m、3 120～3 143 m成功應用4次，完成取心進尺41.5 m，心長41.4 m，收獲率99.76%。該段巖石仍以粉砂巖為主，夾頁巖薄層。該工藝的使用，避免了上提鉆具割心的頻繁遇卡現象（在井段3 189.5～3 190.37 m取心鉆進中，因鉆遇膠結差的粉砂巖產生高扭矩造成取心鉆頭被卡，繼續取心困難，換牙輪鉆頭鉆至3 220 m恢復取心鉆進）。

與前期同比，通過嚴格控制上提鉆具拉力、實時調整頂驅轉速，將扭矩控制在16～20 kN·m之間割斷巖心（扭矩設置21 kN·m），取心工具及鉆頭在旋轉割心期間承受的扭矩得到降低；割斷巖心旋轉上提鉆具中，受井壁濾餅影響，扭矩波動大，頂驅多次蹩停，因鉆頭與井底已形成一定安全空間，下放鉆具即可恢復頂驅轉動、完成倒劃眼。

5 結論

1）威207井筇竹寺組地層滲透性好，井壁存在較厚濾餅，采用常規割心工藝難以解決割心頻繁遇阻卡的難題。針對該井實際情況，創新提出旋轉割心工藝并現場試驗4次，有效解決了該井割心頻繁遇卡的復雜狀況，降低了鉆具、取心工具、取心鉆頭承受的工作扭矩，擴展了復雜井段旋轉作業應用范圍。

2）旋轉割心工藝可以在深井高摩阻、高扭矩復雜井段取心作業中推廣使用，解決取心作業小井眼段復雜難題。

3）采用旋轉割心工藝有較大的掉心風險，應強化井下情況分析，根據巖石性質、井下復雜特點、取心工具等取心因素優選技術參數，降低作業風險。