肯基亞克鹽下油田小井眼取心技術

蘇洋 楊立文 劉興欣

中國石油長城鉆探工程技術研究院

哈薩克斯坦肯基亞克鹽下油田二疊系為發育在石炭系碳酸鹽巖臺地上的一套陸源碎屑沉積，油氣資源豐富［1］。油藏目的層深埋在4 300 m 以下的石炭系，地層壓力系數1.84 以上，屬異常高壓油藏。該油藏地質條件復雜，上覆巨厚鹽丘（3 800 m），鉆井液密度高，密度安全窗口小，鉆井易噴漏卡塌。特別是更改為4級井身結構后，進一步增加了鉆井施工難度，嚴重影響了肯基亞克油田的勘探開發速度［2］。在小井眼取心技術服務領域出現了一定時期的技術空白和市場空缺，其主要無法解決的技術難題有以下3 點：（1）肯基亞克鹽下油藏地質條件復雜，鉆井風險大。井壁失穩，縮頸、掉塊現象嚴重，卡鉆頻發，普通?149.2 mm 井眼取心工具難以經受惡劣井眼條件的考驗。（2）鉆井液密度高，為 1.95～2.0 g/cm3，鉆井施工難度增加。小井眼、高密度條件下，循環壓耗大，正常鉆進排量10 L/s，泵壓高達20 MPa，增加了井下工具和鉆井設備的負荷，開泵困難，設備刺漏現象頻繁。（3）地層屬于堅硬易碎地層，可鉆性差，機械鉆速低，容易發生磨心，掉心現象［3］。經過調查，對于該區塊國內外還沒有學者進行專門的小井眼取心技術研究。因此，為彌補工具和技術方面的不足，結合肯基亞克鹽下油田地層特點，研制了適用于該區塊的高強度小井眼鉆井取心工具，對取心鉆頭和內筒總成進行了較大改進，并取得了良好的現場應用效果，為肯基亞克鹽下油田的勘探開發提供了技術支持。

1 高強度取心外筒

受井眼條件限制，?149.2 mm 井眼取心工具壁厚一般設計為16～18 mm，強度基本可以滿足正常的鉆井取心要求。但肯基亞克鹽下油田四開后井眼條件十分復雜，具體表現為井壁失穩，溢漏同層，密度窗口不好掌握，掉塊及縮頸現象嚴重。正常鉆進時扭矩可達8～9 kN·m，為滿足在惡劣井眼條件的施工要求，設計了新型高強度取心工具（見圖1），特點如下。

圖1 取心工具結構Fig.1 Structure of the coring tool

（1） 外筒強度大，安全性高。外筒材料采用抗疲勞的35CrMo調質合金鋼，外徑 136 mm，內徑96 mm，使其壁厚達到了20 mm，比普通的?149.2 mm井眼取心工具壁厚增加了 4 mm，故而外筒抗拉和抗扭強度都得到大幅度地提升，并采用高強度梯形螺紋帶摩擦環的安全總成，提高了安全系數。

（2） 采用高強度螺紋設計。在加厚外筒的情況下，外筒螺紋由常規取心工具的每英寸6 牙，設計為每英寸5 牙，螺距加大。為了防止螺紋牙跟的應力集中，采用 60°圓螺紋，用標準的成型刀加工以增強外筒螺紋的抗拉強度［4］。

2 內筒總成改進

2.1 應用保形鋁合金內筒

以往在該區塊使用的各類取心工具均為鋼制內筒，從應用效果來看，存在3個弊端，一是鋼制內筒易腐蝕生銹，摩擦阻力大；二是原有內筒沒有扶正裝置，在扭矩較大、地層不均的情況下取心鉆進極易發生蹩跳現象，內筒穩定性無法保證；三是鹽下油藏灰巖地層堅硬易碎，出心時若操作不當容易對巖心造成二次破壞，失去研究價值。為此，設計了雙節保形鋁合金內筒作為新型取心工具的內筒。它是由2 根4.5 m 長的鋁合金筒連接而成，雙筒之間通過內筒扶正接頭相連接，可起到扶正內筒的作用，更換和組裝都極其方便。內筒材質為7075 優質鋁合金，具有較好的抗拉耐磨性能，且內壁光滑，摩阻力僅為鋼管的40%，減少了巖心的進筒阻力［5］，出心時可一次性切割更換，提高了對巖心的保護。

2.2 采用密封軸承

取心收獲率低時通常存在一個共同現象，就是大量的巖心斷面上出現磨光面，且成對出現（見圖2）。通過分析判斷，這些磨光面的出現和軸承的失效有很大關系。軸承所起的作用是防止內外筒一起旋轉，即實現所謂的雙筒單動功能，這樣才能保證巖心與內筒之間不會發生轉動摩擦。而當軸承失效后，內外筒一起旋轉，導致巖心也隨著內筒發生轉動［6］，加上地層裂縫發育較多，整體性差，從而造成多節巖心以不同的速度旋轉，在斷裂面不斷發生摩擦，逐漸形成了這些磨光面。而在互相研磨的同時，膠結差的巖心磨損丟失，從而導致取心收獲率降低。

圖2 巖心上的磨光面Fig.2 Polished surface on the core

經過分析，軸承不適應惡劣的井眼條件是導致軸承失效的主要原因。以往使用的是開放式潤滑軸承，采用鋼制軸承滾珠，允許鉆井液通過對軸承進行潤滑和冷卻［7］。但是肯基亞克鹽下油田具有井底壓力高、溫度高、鉆井液密度高的特點，使得開放式軸承無法適應如此惡劣的井下工況，軸承有不同程度的刺漏和損壞。為此，專門使用了一種密封軸承來提高其適應能力，其具有以下幾個特點［8］：

（1） 采用陶瓷球作為推力球軸承滾動體，不生銹、強度高、壽命長；

（2） 采用密封設計，避免了鉆井液的沖刷，也阻擋了鉆井液當中有害固相的腐蝕；

（3） 軸承套圈材料選用不銹鋼9Cr18，代替軸承鋼提高了套圈的防銹性能，且在硬度、耐摩擦性和耐腐蝕性等方面有了較大的提高。

2.3 防鉆井液倒返裝置

在以往的取心施工過程中，經常發生下鉆到底開泵難的現象，有時甚至因為無法開泵而只能將取心工具起出重新通井，大幅度地增加了無效起下鉆的次數。通過對起出工具的檢查發現，大量的濾餅和井底巖屑堵塞了工具頂部的流通水眼是導致開泵困難的直接原因。通過分析，這與井底壓力高、井壁失穩和井底沉砂掉塊較多有很大關系。取心工具下鉆時，鉆頭和井壁環空間隙非常小，而取心工具中心是一個較大的中通通道，下鉆的激動壓力驅使鉆井液由內筒的中通通道向上倒返，加上井壁穩定性差，沉砂掉塊較多，隨鉆井液進入鉆鋌后下落沉積在球座處，將水眼堵死，從而導致開泵困難［9］。為此，在內筒的頂部設計了一個防鉆井液倒返裝置（見圖3），以起到阻止鉆井液攜砂上返的作用。利用一個翻板式浮閥［10］閥芯，在浮閥閥板上開一個小孔，小孔允許鉆井液通過，但能阻止沉砂和掉塊的通過。由于小孔的存在，內筒與上部投球通道還保持連通，所以巖心進筒時，不會影響上部回壓閥的作用，也能保證下鉆到底后的正常循環。

圖3 防鉆井液倒返裝置結構圖Fig.3 Structure of the fluid return preventing unit

2.4 使用籃式巖心爪

肯基亞克鹽下油藏屬于堅硬地層，應優選卡箍式巖心爪［11］。但是存在2 個問題，一是取心鉆進機械鉆速低，地層裂縫發育較多，鉆頭長時間的研磨容易導致巖心破碎；二是井眼易縮徑造成鉆具托壓，有時因無法加上有效鉆壓而導致巖心直徑變細。在這種情況下，單一的自鎖式巖心爪無法有效保證取心收獲率，很容易造成起鉆時巖心掉落。為此，在割心總成里添置了籃式巖心爪［12］，采用卡箍巖心爪割心為主、籃式巖心爪為輔的方式，使得巖心只進不出，有效防止巖心的掉落（見圖4）。

圖4 籃式巖心爪Fig.4 Basket type core catcher

3 取心鉆頭改進

針對石炭系硬地層取心，曾在其他區塊使用過?152.4 mm 人造金剛石取心鉆頭，綜合性能表現較為良好，基本可以滿足常規的取心任務。但是對于肯基亞克鹽下油藏特殊的井眼條件，原有取心鉆頭結構存在2個缺陷：一是鉆頭為內洗式［13］，無水眼，其較小的流道面積容易導致泵壓過高，對取心工具內部組件不利；二是原有鉆頭的排屑槽過于狹窄，巖屑不能得到有效清洗和排出，容易導致堵心的發生。為此，在綜合考慮安全性、耐磨性和水力結構性能的前提下，對取心鉆頭進行了重新設計和改進（見圖 5），特點如下：

（1） 鉆頭外徑設計為148.2 mm，為非滿眼取心鉆頭，以適應復雜的井眼條件，降低井下作業風險；

（2） 設計為6 刀翼PDC 取心鉆頭，切削齒直徑8 mm，中錐形，使其對硬地層具有更好的適應能力，其耐磨性和耐高溫性能也有所提高；

（3） 增設水眼，使流道面積增加至 690 mm2，減少鉆頭處的水力壓降，提升冷卻效果；其更寬的排屑槽也有助于提升清洗和排屑性能。

圖5 PDC 取心鉆頭Fig.5 PDC coring bit

4 制定取心安全措施

針對肯基亞克鹽下油藏特殊的井眼條件，盡量簡化取心鉆具組合，在鉆具組合上嚴禁攜帶扶正器［14］，以保證取心作業安全進行。在原有取心作業操作規程的基礎上，提出了進入四開裸眼段后必須遵循的幾點安全措施：

（1） 進入四開裸眼段后，要嚴格控制下鉆速度，不得超過0.5 m/s，防止對井壁造成破壞和井底激動壓力過高；

（2） 每下鉆15 柱打通水眼1次，打通水眼要遵循“分多次，緩慢開”的原則，密切觀察泵壓變化，防止泵壓過高憋漏地層；

（3） 下鉆剩最后1柱時打通水眼，打通原則同上；正常開泵后，用最慢速度下放鉆具，下放到底后充分循環鉆井液，清洗井底；

（4） 若井底有沉砂導致遇阻，可稍帶轉速，小鉆壓剝離清除，并經常活動鉆具，切勿大段劃眼；期間密切觀察扭矩表，防止扭矩過大，一切正常后方可取心鉆進；若遇阻嚴重，扭矩異常，則不能繼續冒險嘗試，應盡快起鉆［15］。

5 實例應用

新型小井眼取心技術已在肯基亞克鹽下油田進行了2口井的現場應用（見表1），累計完成取心進尺82 m，累計巖心長度77.15 m，平均取心收獲率94.09%。

表1 小井眼取心技術現場應用情況Table 1 Field application of slim whole coring technology

在811A 井發生過取心結束后起鉆遇卡情況，采用一系列措施成功解卡后，工具起出狀態完好，探傷檢查合格。新型PDC 取心鉆頭的綜合性能也表現良好，取心鉆進時扭矩和機械鉆速保持平穩，使用壽命也有所提高。

6 結論

（1） 針對肯基亞克鹽下油田小井眼取心難點，結合特殊的?149.2 mm 井眼四層井身結構鉆井特點，在取心工具強度、取心鉆頭適應性、內筒穩定性等方面做了較多的研究和改進，有效克服了該區塊地質條件復雜、鉆井液密度高等因素所帶來的技術難題，應用效果顯著，值得進一步推廣應用。

（2） 采用了密封軸承和鋁合金內筒后，多次取心未見磨光面，提高了巖心的完整性；籃式巖心爪的使用也解決了起鉆時巖心掉落問題，取心收獲率和巖心質量都得到了有效保障。

（3） 防鉆井液倒返裝置能有效解決井底沉砂上返堵塞鉆井液通道的問題，減少了無效起下鉆的次數，提高了取心作業效率的同時也節省了深井鉆探的成本。同時對于高壓油氣藏的鉆探開發，該裝置在一定程度上也起到了防止鉆具內溢流和井噴的作用。

（4） 簡化鉆具組合，有針對性的制定安全施工措施，及時準確地掌握參數變化并進行有效處理，對于高風險井取心作業至關重要。

參考文獻：

［1］王一博，朱筱敏，王繼平，李德江，杜金玲.肯基亞克鹽下油田二疊系層序地層及沉積特征［J］.天然氣工業，2010，30（1）：42-44.WANG Yibo, ZHU Xiaomin, WANG Jiping, LI Dejiang,DU Jinling.Sequence stratigraphy and sedimentary features of the Permian in pre-salt Kenjiyake oilfield,Kazakhstan［J］.Natural Gas Industry, 2010, 30（1）: 42-44.

［2］陳來軍，石文玉，杜平，駱驥，李清磊.肯基亞克油田高密度水平井鉆井技術集成應用［J］.西部探礦工程，2015（12）：21-24.CHEN Laijun, SHI Wenyu, DU Ping, LUO Ji, LI Qinglei.Drilling technology integrated application of horizontal wells using high density drilling fluid in Kenjiyake oilfield［J］.West-china Exploration Engineering, 2015 (12): 21-24.

［3］陳立，馮明，張金海，陳曉彬.超深井取心技術在塔深1井的應用［J］.鉆采工藝，2007，30 （1）：1-3.CHEN Li, FENG Ming, ZHANG Jinhai, CHEN Xiaobin.Application of coring technology for ultra-deep well in well Tashen 1［J］.Drilling & Production Technology,2007, 30 （1）: 1-3.

［4］張國麗.欠平衡取心工具設計及現場應用研究［D］.大慶：東北石油大學，2015.ZHANG Guoli.Underbalance coring tool design research and field application［D］.Daqing: Northeast Petroleum University, 2015.

［5］梁海明，裴學良，趙波.頁巖地層取心技術研究及現場應用［J］.石油鉆探技術，2016，44（1）：21-22.LIANG Haiming, PEI Xueliang, ZHAO Bo.Coring techniques in shale formation and their application ［J］.Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44 （1）: 21-22.

［6］薄珉，揚立文，吳玉濱，孫文濤，王光玥.玻璃鋼取心工具研制與應用［J］.石油鉆采工藝，2001，23（1）：32-34.BO Min, YANG Liwen, WU Yubin, SUN Wentao,WANG Guangyue.Development and application of glass fiber reinforced plastic coring tool［J］.Oil Drilling &Prodution Technology, 2001, 23（1）: 32-34.

［7］朱永宜.KZ型單動雙管取心鉆具的研制與應用［J］.石油鉆探技術，2006，34 （3）：19 -22.ZHU Yongyi.Development and Application of KZ single rotary and double tube core barrel［J］.Petroleum Drilling Techniques, 2006, 34 （3）: 19 -22.

［8］孫少亮.中長筒保形取心技術在頁巖氣井中的應用［J］.鉆采工藝，2013，36 （5）：111-113.SUN Shaoliang.Application of shape-preserving middlelong barrel coring technology in shale gas wells［J］.Drilling & Production Technology, 2013, 36 （5）: 111-113.

［9］肖力彤，鄭泳，鄭嘉英，劉鳴，謝毅.“F”型新型鉆具浮閥研制與應用［J］.鉆采工藝，2010，33（4）：80 -82.XIAO Litong, ZHENG Yong, ZHENG Jiaying, LIU Ming,XIE Yi.Development and application of the "F" type drill pipe float valve［J］.Drilling & Production Technology,2010, 33（4）: 80 -82.

［10］張曉東，王慶倉，嚴永發，陶赟，蔡光林，楊文武.基于CFD的翻板式浮閥流場模擬分析［J］.石油礦場機械，2015，44（1）：22-26.ZHANG Xiaodong, WANG Qingcang, YAN Yongfa,TAO Yun, CAI Guanglin, YANG Wenwu.Simulation analysis of flow field of the flapper float valve based on CFD ［J］.Oil Field Equipment, 2015, 44（1）: 22-26.

［11］楊立文，孫文濤，羅軍，王光玥，王俊明.GWY194-70B型保溫保壓取心工具的研制和應用［J］.石油鉆采工藝 2014，36（5）：58-61.YANG Liwen, SUN Wentao, LUO Jun, WANG Guangyue,WANG Junming.Study and application of GWY194-70BB heat and pressure preservation coring tool［J］.Oil Drilling & Prodution Technology 2014, 36（5）: 58-61.

［12］孔志剛，于希.遼河油田古潛山儲層鉆井取心技術［J］.石油鉆探技術，2014，42（3）：50-54.KONG Zhigang, YU Xi.Coring techniques for buried hill reservoirs in Liaohe oilfield［J］.Petroleum Drilling Techniques, 2014, 42 （3）: 50-54.

［13］楊立文，廖潤康，孫文濤.LS241.3 mm松散地層取心工具的研制與應用［J］.石油鉆采工藝，2000，22（3）：17-19，22.YANG Liwen, LIAO Runkang, SUN Wentao.Development and application of loose formation coring tool of LS241.3 mm［J］.Oil Drilling & Prodution Technology,2000, 22（3）: 17-19, 22.

［14］唐亮.肯基亞克油田鉆井施工措施及軌跡控制技術［J］.中外能源，2010，15（4）：50-54.TANG Liang.Drilling operating measure and trajectory control techniques in Kenkyak oilfield［J］.Sino-global Energy, 2010, 15（4）: 50-54.

［15］陳世春.TZ5X-1大斜度定向井小井眼取心技術［J］.石油鉆采工藝，2002，24（4）：26-28.CHEN Shichun.Slim hole coring techniques for highinclination directional well in well TZ5X-1［J］.Oil Drilling & Prodution Technology, 2002, 24（4）: 26-28.