跨多能源勘探中隨鉆取心技術的應用

劉英偉，李曉剛，張羽臣

(1.中海油能源發展工程技術分公司 天津300452；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

加里里盆地為澳大利亞東部主要的含煤盆地，盆地整體呈馬蹄形，北西—南東向，是晚石炭世到中三疊世的殘留斷陷盆地，疊合在由西部 Maneroo 地臺和東部泥盆—石炭紀盆地組成的復合基底上[1]。初期的勘探作業顯示，侏羅系有常規油氣顯示，二疊系為主要含煤層系，石炭系為主要頁巖層系。作為新區勘探，為了驗證目的層埋深，評價地層物性及資源狀況，使勘探成果最大化，決定對鉆遇到的三套油/氣顯示層均進行取心作業。

1 作業面臨的挑戰

1.1 取心卡層難

僅有的部分二維地震資料，品質不高，主要反射層反射特征不明顯，受此影響，侏羅系和三疊系界面不明顯，尤其是侏羅系的 Hutton地層，底深不明(圖1)；二疊系的Betts Creek和Aramac地層主要為含煤巖系，累計厚度 50～300m 不等，埋深在 1000～1500m 之間，呈現總厚度中等、層數多、單層薄、橫向分布不連續[1]；石炭系的 Toolebuc地層主要為頁巖，地質厚度 20～50m不等，埋深在 400～800m之間，受剝蝕作用影響，石炭系埋深不一。三套地層都面臨如何準確卡層的問題。

1.2 巖心直徑不統一

煤層氣取心要求收獲率高，出心速度快，煤心甲烷散失少，且成本低[2]，主要以繩索取心為主，巖心直徑一般在 60～70mm 之間[3]。鉆井常規取心巖心直徑一般在 66～120mm 之間[4]，取心工藝的選擇需要兼顧本項目煤層氣全尺寸巖心解吸實驗[5]和常規油氣巖心分析的需要。

圖1 加里里盆地構造綱要圖Fig 1 Tectonic divisions of Galilee basin

1.3 井身結構影響鉆井物資共享

若以考慮淺部的煤層氣取心為主，井身結構方案一：178mm套管，10m＋114mm套管，65m＋98mm鉆頭裸眼完鉆。若考慮深部的頁巖氣和常規油氣勘探，以及有發現后轉為開發井，井身結構方案二推薦為：356mm 套管，(6～10)m＋244m 套管，(300～350)m＋216mm 井眼(套管或裸眼完鉆)。潛在造成鉆頭、管材、鉆具等鉆井物資共享程度低。

1.4 作業模式影響鉆機資源配置

若以煤層氣取心為主，可用專門的取心鉆機[6]，作業井深1000m，上提負荷為16t左右；若考慮深部的頁巖氣和常規油氣勘探，需使用車載液壓鉆機，上提負荷為 60～84t之間。加里里盆地所處地理位置每年分為旱季和雨季，旱季作業窗口 6～7個月。為了完成礦區義務工作量，加快勘探進度，計劃使用兩部鉆機同時作業。井位布選既要結合鉆機能力，又要優化搬遷路徑，確保雨季來臨時，鉆機撤出礦區，減少待命費。

2 取心工藝及其工具選擇

常規的油氣鉆井取心工具和工藝，不能滿足煤層氣井對取心的要求，且工藝復雜、成本高，因此繩索式取心工具和工藝就成了最佳選擇[7]。隨鉆取心系統是在繩索取心技術上發展起來的，不用更換鉆頭，不會漏掉取心層位，可以減少起下鉆次數，節約大量時間和體力，在深井取心、長段取心、機動取心時，這一優越性更為突出[8]。

加拿大Quest coring公司制造的隨鉆取心工具有QC76和 QC89兩個系列[9]。QC76系列取心直徑為76mm，適用于 159mm井眼，配合高扭曲鉆桿，每桶取心長度為 9m；QC89系列取心直徑為 89mm，適用于216mm井眼，配合高扭曲鉆桿，每桶取心9m，最多可實現 27m的 3桶連續取心。經過綜合考慮，本項目使用液壓車載鉆機，單根鉆進，井身結構選擇方案二，所有取心層段均位于 216mm 井眼，取心方案選擇QC89系列隨鉆取心工藝。

3 隨鉆取心工具介紹

Quest coring公司的隨鉆取心系統主要包括地面鋼絲絞車和井下取心工具 2部分。鋼絲絞車主要用來下入/打撈井下取心工具，井下取心工具主要包括嵌入頭組件、內筒組件和外筒組件[10]。

嵌入頭組件包括嵌入頭、分流短節、心軸、單流閥、快速坐落總成、鎖定總成、分流總成、打撈頭(圖2)。內筒組件包括下巖心爪、上巖心爪、內筒、懸掛總成、快速坐落總成、分流總成、打撈頭(圖3)。外筒組件包括取心鉆頭、外筒、扶正器、快速坐落短節、坐落接頭(圖4)。

圖2 嵌入頭組件Fig.2 Drilling insert assembly

圖3 內筒組件Fig.3 Inner barrel assembly

圖4 外筒組件Fig.4 Outer barrel assembly

嵌入頭組件可以在鉆臺上提前與外筒組件一起下入，也可以通過鋼絲作業下入。嵌入頭能通過側面的導向銷，使其周向的 3個定位銷坐入取心鉆頭內，為鉆進過程提供扭矩，同時通過上部的鎖定總成限制其軸向運動，為鉆進過程中提供鉆壓。鉆進至取心深度時，鋼絲作業打撈嵌入頭組件，下入內筒轉件，轉換為取心作業。內筒組件通過快速坐落總成定位于外筒的快速坐落短節內，使其軸向不能活動，同時利用其自身的懸掛總成可周向自由轉動。

針對煤層膠結性差，割理和裂隙發育極易破碎的特點，在內筒的下端設計了 2個巖心爪(圖 5)，底部的籃式巖心爪為錐形，側開口設計，通過收縮變形，提高割心成功率；頂部的指形彈簧巖心爪能夠承擔所取巖心的重量，防止巖心落井，提高收獲率。內筒還配套一內壁光滑的鋁質襯筒(圖 6)，襯筒為不連續割縫結構，方便地面出心。

圖5 巖心爪Fig.5 Dual catcher system

圖6 鋁質襯筒Fig.6 Aluminum inner tube

4 隨鉆取心技術實鉆應用

本項目累計鉆探8口探井，選擇了其中6口井的165mm 井段對隨鉆取心工具進行實驗，其中煤層氣探井3口，頁巖氣探井2口，常規油氣探井1口。就該新型取心工具在鉆進/取心的轉化、機械鉆速、巖心收獲率、鉆套管附件和工具可靠性等方面的性能進行實際驗證。

4.1 鉆進/取心相互轉化

如表1所示，第一口煤層氣探井 Alma-1試用中，相對謹慎，利用常規鉆頭鉆進至預測的取心深度，然后起鉆更換為取心鉆頭，在鉆臺對嵌入頭的安裝進行確認。對于取心內筒，利用鋼絲作業出井，開泵下入，來驗證打撈機構、鎖定機構、鋼絲絞車的功能適用性，效果良好。在第二口頁巖氣探井Darr-1試用中，主要測試嵌入頭的導向銷能否引導定位銷順利就位，外筒的快速坐落總成能否成功鎖定嵌入頭組件的坐落短節，結果顯示良好。基于上述 2口井的成功經驗，在第三口常規油氣探井Katherine west-1中，將各環節再次驗證，均滿足使用要求。相比于常規的取心作業后換鉆頭/擴眼，使用嵌入頭節約時間 80%～85%。

表1 隨鉆取心工具鉆進/取心的轉換應用Tab.1 Conversion of drilling/coring

4.2 機械鉆速

分別選取了 2組鄰近的頁巖氣井，對常規 PDC鉆頭、嵌入頭及取心3種工況下的機械鉆速進行對比(表2)。整體來看，使用常規PDC鉆頭機械鉆速略高于新型 PDC取心鉆頭，嵌入頭機械鉆速高于取心機械鉆速。全井段平均機械鉆速，使用隨鉆取心比使用常規PDC鉆頭低12%。

表2 不同工況下機械鉆速對比Tab.1 ROP of drilling/coring mode

4.3 取心收獲率

在累計 6口井的取心過程中，無論是煤層、砂泥巖及頁巖，全井巖心收獲率均超過91%(表3)。

4.4 使用壽命

取心鉆頭設計為 5刀翼，6個水眼呈環狀均布，13mm主切削齒，從出井評價(表4)來看，進尺更多，磨損也更嚴重(可再用的除外)，75%以上的鉆頭純鉆時間超過 68h；嵌入頭處在鉆頭直徑的 2/3以內，4刀翼，2個水眼，作為內排齒其磨損較輕，80%以上可以重復利用。

表3 巖心收獲率Tab.3 Coring recovery

表4 鉆頭/嵌入頭出井評價Tab.4 Bit dull grade out

4.5 工具可靠性

作業過程中，要控制鉆井液固相含量在 5%以下，否則會有粉砂堆積在分流接頭的臺肩處，造成內外筒之間間隙過小，在工具上提過程中鋼絲易從打撈繩帽處滑脫；在出心過程中，距離井底 100m 以內，宜控制起鉆速度小于 35m/min，高速起鉆會造成抽吸。上述意外事件均發生在第一口井探井作業中。

要密切檢查入井工具組件。Katherine west-1井的嵌入頭橡膠扶正器磨損，導致不能座封，起出更換橡膠扶正器后成功座封。Rocky creek-1井由于籃式巖心爪老舊，覆焊的硬質合金磨損嚴重，摩擦力不足，導致割心失敗，單趟收獲率為零。

取心鉆頭長時間使用后，要注意檢查嵌入頭和取心鉆頭之間的接觸面，避免發生沖蝕。Katherine west-1井在嵌入頭單趟累計鉆進783.2m后，起鉆至井口，發現有沖蝕現象。

除上述情況外，嵌入頭的快速導向機構，配合外筒的鎖定機構，作為整個隨鉆取心工具的核心機構，無論是鉆井過程中、鉆套管附件、鉆具蹩跳、嵌入頭的鎖定及鋼絲打撈，還是取心時內筒的鎖定及鋼絲打撈，在整個作業過程中系統無故障發生。

5 結 論

①隨鉆取心技術適用于加里里盆地的煤層氣、頁巖氣和常規油氣的取心作業，取心收獲率超過91%。

②工具設計可靠，能夠實現鉆進和取心的快速轉換，在單根起下鉆時，能節約 80%～85%的起下鉆換鉆頭時間。

③隨鉆取心不用更換鉆頭，雖機械鉆速略低于常規 PDC鉆頭，但就作業時效而言，在長井段取心或需要精確卡層的取心作業中，優勢明顯。

④良好的泥漿性能，對提高巖心收獲率，減少井下抽吸，發揮隨鉆取心優勢具有重要影響。

⑤隨鉆取心技術在大地層傾角下對井斜的影響、在定向井和深井作業的表現以及多筒連續取心的效果，還有待進一步驗證。