我國西部地區超深井鉆井取心技術

摘 要

摘要：超深井取心收獲率的高低受地層巖性、取心工具及工藝技術措施等因素影響很大。針對我國西部地區超深井段鉆井取心地層可鉆性差，研磨性強，井溫高，循環壓力高，井底沉砂造成堵心
摘要：超深井取心收獲率的高低受地層巖性、取心工具及工藝技術措施等因素影響很大。針對我國西部地區超深井段鉆井取心地層可鉆性差，研磨性強，井溫高，循環壓力高，井底沉砂造成堵心，井深復雜情況多且判斷困難、地層裂縫發育、取心工具失穩等方面的難點，根據超深井取心的實踐，總結了在該區超深井取心作業中涉及取心前準備、下鉆、樹心及取心鉆進、割心、起鉆等各個環節的技術措施，介紹了塔深1、元壩3、于奇6等3口井在超深井段取心工具選擇、取心措施制訂、取心層位巖性確定、鉆具組合優選、鉆井參數優化、提高巖心收獲率等方面所取得的經驗；進而提出旨在提高我國西部地區超深井段取心收獲率的建議：①優選取心工具和取心鉆頭；②制訂具有針對性的技術措施；③選用動力工具進行取心等。
關鍵詞：中國西部地區；超深井；鉆井；取心；工具；技術措施；收獲率；建議
    近年來，隨著深層找油找氣力度的加大，我國西部地區所鉆超深井越來越多，擔負為地質分析提供重要第一手資料的超深井段鉆井取心工作就顯得尤為重要。實踐表明，取心收獲率的高低受地層巖性特征、取心工具類型以及取心工藝技術措施等因素影響很大[1]，需要根據取心井的地層巖性、井眼尺寸及取心工藝要求進行分析，選擇合理的取心工具及鉆頭，制訂切實可行的工藝技術措施，才能達到較好的取心效果。我國西部地區超深井段鉆井工作存在著取心地層可鉆性差，研磨性強，井溫高，循環壓力高，井底沉砂造成堵心，井深復雜情況多且判斷困難、地層裂縫發育、取心工具失穩等難點，制約了取心收獲率的提高。為此，對該區3口超深井——塔深1、元壩3、于奇6井超深井段取心實踐進行了分析總結，提出了有針對性的超深井段取心技術措施，以期提高取心收獲率。
1 西部地區超深井鉆井取心的難點
    深部巖石受高應力場和變化溫度場的共同影響：一方面溫度場影響巖石材料的物理力學性質以及溫度場的變化導致熱應力問題；另一方面是與巖石材料變形有關的熱力學參數變化以及內部能量耗散過程對溫度場的影響使巖石硬度增加、塑性增強[2]、研磨性增大。
    1) 地層埋藏深，可鉆性差，研磨性強，取心鉆速慢[3]。
    2) 循環壓力高，容易刺壞取心工具及鉆具。若不能及時發現，將會造成井下事故。
    3) 井底沉砂易造成堵心和磨心。由于取心作業受鉆井液排量不能過高和割心后不能長時間循環的制約，以及超深井起下鉆時間長、鉆井液密度高等因素影響，泥餅相應增厚，易造成井底沉砂過多。在取心時井底沉砂和泥餅首先進入內筒，容易造成堵心和磨心，嚴重影響取心收獲率。
    4) 井深復雜情況多，判斷井下情況困難。超深井鉆井取心由于受井身結構限制，一般情況下裸眼段長，上提下放鉆具摩阻大，鉆具彈性變形拉伸量大，給準確判斷井下情況帶來困難[4～5]。同時，鉆遇巖性多變，非均質嚴重，同一井段可能包括壓力梯度相差較大的地層壓力體系和復雜地層，使井下發生縮徑、坍塌、掉塊、漏失等復雜情況，影響取心工作的正常進行。
    5) 地層裂縫發育，巖心破碎易造成堵心磨心。儲層段巖性裂縫、溶洞發育，巖性裂縫呈網狀分布，溶洞、溶孔與裂縫連通，巖性破碎、巖心成柱性極差。取心鉆進時不利于巖心形成，易造成堵心、磨心，除影響取心收獲率外，還造成巖心出筒困難。
    6) 超深井易造成取心工具失穩，影響取心收獲率[6]。取心鉆進中受井眼尺寸、鉆具結構、巖性變化、扭矩變化、鉆具旋轉等因素影響，鉆具穩定性差。導致巖心柱薄弱部位巖心碎塊脫落，卡在內筒與巖心柱之間，造成磨心，從而降低了取心收獲率。
2 西部地區超深井取心技術措施
    根據我國西部地區超深井鉆井取心技術實踐，針對超深井段取心面臨的諸多難題，超深井段取心除了常規取心應注意的問題外，還推薦如下技術措施。
2.1 取心前的準備
    1) 取心工具的選擇：根據所鉆井眼尺寸及取心技術要求選擇相應尺寸的取心工具，對于井眼和取心筒之間間隙較大的井，應選擇帶穩定器的取心工具，以增加取心工具運轉的平穩性。對于破碎性地層應選擇一把抓式巖心爪，巖心爪的尺寸須符合要求，巖心爪的強度要高，防止破碎的巖心將巖心爪頂壞或使其變形。
    2) 取心鉆頭的選擇：根據地層特性，優選機械鉆速較高、研磨性強的取心鉆頭。根據現場取心經驗，PC328、SC226鉆頭使用效果較好。
    3) 井眼準備：井身質量和鉆井液性能符合設計要求，井眼暢通，井壁穩定，無阻卡、掉塊、坍塌，井下無落物、漏失、溢流等復雜情況。對于起下鉆遇阻嚴重的井段，要堅持短程起下鉆，并認真進行劃眼，確保井眼暢通。
2.2 下鉆
    1) 控制下鉆速度，防止裸眼卡取心筒。裸眼井段下鉆速度要求控制在15～20m/min為宜，操作平穩，嚴禁猛砸、猛放、猛頓和硬壓。下鉆遇阻不得超過50kN，不允許用取心工具長時間循環，劃眼強下。
    2) 下鉆中途循環鉆井液，防止憋漏地層。為防止下鉆到底開泵時泵壓過高、憋漏地層或開泵困難，下鉆中途要分段循環，以減少鉆井液的靜切力，利于開泵。
    3) 充分沖洗井底，防止堵塞工具通道。下鉆距井底5m左右，緩慢開泵循環鉆井液，低速旋轉轉盤，緩慢劃眼到底，徹底清洗井底泥餅、沉砂及掉塊。
2.3 樹心及取心鉆進
    1) 輕壓慢轉，耐心樹心。超深井地層一般較硬，樹心時鉆速慢，推薦樹心鉆壓5～10kN，鉆速40～50r/min，排量小于或等于取心排量。樹心鉆進0.3～0.5m，有助于工具的穩定性，然后再逐漸調整到設計取心鉆進參數。
    2) 優化取心參數，提高機械鉆速。取心鉆壓為30～50kN，破碎地層降低鉆壓最大不超過30kN；轉速為50～80r/min，在允許鉆壓和轉速范圍內調整優選最佳鉆速的鉆壓和轉速；排量應根據井眼尺寸和地層巖性而定：Φ152mm井眼排量10～14L/s，Φ165mm井眼排量12～16L/s，Φ215mm井眼排量18～22L/s。
    3) 平穩操作，安全鉆進。取心鉆進操作平穩，送鉆均勻，防止溜鉆。取心鉆進中避免停泵、停鉆，鉆頭不提離井底，若憋跳鉆嚴重，應適當調整鉆進參數。
    4) 加強井下情況分析。每取心鉆進0.25m記錄鉆時一次，根據鉆時、泵壓、扭矩變化、巖性變化、振動篩出砂情況綜合分析判斷井下情況，以便正確處理井下復雜情況。
2.4 割心
    1) 選好割心層位。根據地質預告及鉆時快慢盡可能選在泥巖段割心，松軟地層在割心前0.5m左右，比原鉆壓多20～30kN形成粗心，以便割心卡的牢固。形成粗心后，剎住剎把直到鉆壓恢復到原鉆壓的二分之一時停轉盤割心。硬地層進尺慢，停鉆后可以直接割心。
    2) 割心方法正確。割心開始上提鉆具要慢，先上提0.3m左右下放至原位，以便使巖心爪活動，再上提鉆具，上提拉力不超過原懸重的150～200kN。如割不斷不要硬拔，可采用磨斷、上提30kN左右拉力啟動轉盤轉3～5圈等方法把巖心割斷，然后上提鉆具3m、5m分別快速下放猛剎，使巖心卡得牢靠，再緩慢下放鉆具，試探余心，并保持鉆頭離井底0.5m左右，不得下放到底以防頂松巖心。
2.5 起鉆
    起鉆時要注意兩個問題，一是要平穩操作防止掉心，二是注意井控安全，起鉆過程中，連續向井內灌滿鉆井液并在主力油氣層段及以上300m內起鉆速度控制在0.5m/s以內，以防誘發井噴。
3 現場應用情況
3.1 元壩3井
    元壩3井是中國石化南方勘探開發分公司部署的一口重點區域探井，完鉆井深7450m，在7000m以下二疊系龍潭組、茅口組、棲霞組Φ165.1mm小井眼中各取心一次，取心工具為川5-4取心筒，取心情況見表1。
 

    鉆具組合：Φ164mm取心鉆頭+川5-4取心筒+Φ120mm鉆鋌×4根4-311×4A20接頭+旁通閥+4A21×310接頭+Φ120mm鉆鋌×3根+隨鉆震擊器+Φ88.9mm加重鉆桿×22根+投入式止回閥+Φ101.6mm鉆桿。
    鉆井參數：鉆壓40～60kN；轉速60～70r/min；泵壓20.5～21.5MPa；排量12～16L/s。
    鉆井液性能：密度1.75～1.83g/cm3；黏度65s；API失水3.6mL。
3.2 塔深1井
    塔深1井是目前亞洲最深的井，完鉆井深達8408m，鉆探目的是探索下古生界寒武系大型建隆圈閉的含油氣性，實現新領域的導向性突破。該井超深井段取心井眼尺寸Φ165.1mm，最大井斜25°，取心工具為川5-5，在井段7101.57～8408.00m取心5次，進尺18.70m，心長14.73m，平均收獲率為78.77%，取心段巖性以白云巖為主，巖性裂縫發育，非常破碎，取心施工難度非常大。
    鉆具組合：Φ149.2mm取心鉆頭+川5-5取心工具+Φ120.6mm鉆鋌×15根+Φ124.0mmHWDP×15根+鉆桿。
    樹心參數：鉆壓10kN；轉速40r/min；排量7L/s。
    取心鉆進參數：鉆壓20～30kN；轉速50r/min；排量10～12L/s。
    取心實施情況見表2。
3.3 于奇6井
    于奇6井是中國石化西北油田分公司在阿克庫勒凸起北東斜坡帶布置的一口重點超深探井，位于新疆輪臺縣境內，地處沙漠邊緣但靠近天山，完鉆井深7510m，目的層是中-下奧陶統鷹山組、蓬萊壩組和寒武系。本井在超深井段取心4次，使用250P取心工具，取心情況如表3所示。
4 結論與認識
    1) 超深井段取心作業選好取心鉆頭與工具是關鍵。根據所鉆井眼尺寸、井深、井下安全、取心技術要求等因素選擇相應的取心工具尺寸與類型，根據地層特性，優選機械鉆速較高、研磨性強的取心鉆頭。川7-5型、川5-4型、川5-5型及250P等取心工具基本滿足了超深井取心施工的需要，PC328、SC226鉆頭在我國西部地區超深井段取心中取得了較好的應用效果。
    2) 取心作業制訂好有針對性的技術措施是保障。要根據超深井地層特性與井眼狀況，制訂安全、高效的取心技術措施和各個環節的應急預案，取心過程中加強對于井下情況的分析研究，確保取心全過程的井下安全。
    3) 可以試驗應用井下動力取心工作。在國外，超深井取心作業中多次使用井下馬達，在四川取心也取得較好的效果。用井下馬達可以實施高轉速低鉆壓取心，鉆具運轉平穩，可防止工具失穩，震動小，巖心損壞小，從而提高了巖心收獲率與機械鉆速。
參考文獻
[1] 李讓，肖國益，夏彬，等.深井密閉取心技術在普光8井中的運用[J].石油鉆采工藝，2008，30(1)：38-42.
[2] 王大勛，劉洪，韓松，等.深部巖石力學與深井鉆井技術研究[J].鉆采工藝，2006，29(3)：6-10.
[3] 李兵，蔡章偉.川式深井小井眼鉆井取心工具技術特點與應用[J].鉆采工藝，2007，30(1)：13-15.
[4] 熊繼有，蒲克勇，周健.庫車坳陷山前構造超深井巖石可鉆性研究[J].天然氣工業，2009，29(11)：59-61.
[5] 涂茂川，王希勇，朱禮平，等.元壩地區超深含硫氣井安全快速鉆井難點及對策[J].天然氣工業，2009，29(7)：48-51.
[6] 王土權.塔深1井超深井段取心工藝[J].鉆采工藝，2007，30(4)：24-25.
 
(本文作者：王興武1 李讓1 王萬紅2 1.中石化中原石油勘探局鉆井工程技術研究院；2.中石化中原石油勘探局塔里木鉆井公司)