古龍頁巖油雙節密閉取芯技術研究與應用

田佳琦，張洪君，向 峰，張紹先

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413）

隨著中國頁巖油氣研究程度加深，勘探不斷獲得突破，目前已在松遼盆地（青山口組）、鄂爾多斯盆地（延長組）、渤海灣盆地（沙河街組）、南襄盆地（核桃園組）、準噶爾盆地（蘆草溝組）等湖相盆地中，不同程度地獲得了頁巖油的工業油流。松遼盆地北部頁巖層厚度大、分布廣泛，有機質豐度高，具備優越的頁巖油發育地質條件，為弄清古龍頁巖儲層的巖性、物性及脆性等特征[1]。為了發現油氣藏、計算該層位的頁巖油真實地質儲量、了解準確可靠的巖芯地質物性資料，進一步認識頁巖油成藏機理，大慶油田在古龍頁巖油青山口組（K2qn）泥頁巖地層進行了多口井取芯。本文主要重點介紹雙節密閉取芯工具結構、工藝流程和現場應用情況，為應用雙節密閉取芯技術積累經驗，也為頁巖油常規取芯提速提效提供技術支持。

1 工程概況

松遼盆地中央坳陷區古龍凹陷青山口組（K2qn）沉積時期為湖泛期，湖相沉積分布范圍廣、厚度大、泥質較純、有機質豐富的泥（頁）巖層是盆地的主力烴源巖之一，為頁巖油的形成提供良好的基礎條件，厚層泥巖對油氣起到一定的遮擋作用，具備生、儲、蓋油氣成藏條件，有可能既是生油層又是儲層。青二三段（K2qn2+3）巖性主要為致密灰黑色泥巖，局部夾灰色泥質粉砂巖；青一段（K2qn1）為致密灰黑色、灰綠色泥巖，夾黑褐色油頁巖。

2 取芯難點和應對措施

2.1 取芯難點

（1）地層軟硬交錯，軟地層粘土含量高、機械鉆速快，極易發生鉆頭泥包和堵芯，機械鉆速變化大，影響取芯判斷。如圖1所示。

（2）橫向和縱向天然裂縫發育，雙筒雙動的密閉取芯工具對巖芯造成二次破壞，破碎的巖芯易發生筒內卡芯，影響單筒進尺和取芯質量。如圖2、圖3所示。

圖2 橫向和縱向天然裂縫

圖3 破碎巖芯塊

（3）地層破裂壓力低，井壁易剝落、坍塌、掉塊，取芯段長，起下鉆次數多，裸眼浸泡時間長，超過井壁坍塌周期會導致井壁失穩，引起井下復雜情況發生。如圖4所示。

圖4 井壁剝落掉塊

（4）青山口組地層泥頁巖致密堅硬，局部含鈣，鉆頭切削齒吃入地層能力差，流道式常規取芯鉆頭普遍機械鉆速低，從6～12刀翼的冠部形狀、13mm齒和8mm齒PDC、巴拉斯等尖齒鉆頭效果都不理想，機械鉆速0.49～0.88m/h之間。

（5）密閉取芯工具巖芯直徑大，鉆頭水眼有水力破巖作用，機械鉆速高（機械鉆速2.04～6.48m/h 之間），最大可取巖芯長度9.5m，取芯效率低。

2.2 應對措施

（1）采用鉀鹽共聚物鉆井液體系保護井壁穩定性，高密度、低失水的鉆井液平衡地層壓力，防止井壁剝落失穩。

（2）設計雙筒單動的雙節密閉取芯工具，提高單趟取芯進尺，減少起下鉆次數，縮短取芯周期。

（3）設計攻擊力強的8刀翼帶水眼PDC 取芯鉆頭，提高取芯機械鉆速，取芯鉆頭外徑設計為?215.9mm，避免取芯段牙輪鉆頭劃眼破壞井壁泥餅。

3 雙節密閉取芯技術

3.1 工具結構

MQ178-115 型雙節密閉取芯工具主要由大接頭、泄壓絲堵、懸掛總成，內筒三點扶正機構、內筒、外筒、巖芯爪、密閉頭和取芯鉆頭幾部分組成。如圖5所示。

圖5 雙節密閉取芯工具示意圖

工具分為雙層結構，大接頭內部連接懸掛總成、內筒，外部連接上接頭、外筒、下接頭和取芯鉆頭；內外筒分為上下兩節，提高了單趟取芯進尺；密閉頭固定在鉆頭上形成內筒下密封，上密封采用能夠泄壓的絲堵形成上密封；內筒中形成的密封區裝滿密閉液，進筒的巖芯迅速被密閉液包裹，避免了巖芯被鉆井液侵入，達到密閉效果；采用自鎖式巖芯爪實現上提鉆具割芯，操作簡單。取芯工具的主要參數：工具長度20.5m，巖芯直徑115mm，鉆頭尺寸?215.9mm，最長可取巖芯長度19.0m，適應巖芯成柱性好的中軟—極硬地層，性能特點如下：

（1）雙筒單動懸掛技術。通過采用懸掛總成結構實現了雙筒單動，內筒懸掛于懸掛總成下面，不受外筒旋轉的影響，防止了上下節內筒倒扣，減小了取芯工具對巖芯造成的機械性破壞，從而降低了堵芯風險，保護了巖芯的完整，有利于提高巖芯收獲率。

（2）三點內筒扶正結構。上部采用滾動軸承、中部設置內筒扶正環、下部采用內筒與鉆頭內密封面配合，形成三點扶正機構設計，有效保證了內外筒同軸居中，提高了內筒穩定性，防止內筒彎曲，有利于巖芯進筒，預防了堵芯幾率發生，提高了單趟取芯進尺。

（3）可泄壓式上密封裝置。泄壓絲堵作為內筒上密封，具有封堵內筒、釋放內筒壓力的作用，泄壓雙通道，效率快、安全性高，防止了內筒憋壓、絲堵飛出傷人事件，提高了安全性。

3.2 高效取芯鉆頭

古龍頁巖油青山口組地層呈水平紋理層狀結構，巖性致密堅硬，流道式常規取芯鉆頭吃入地層能力差，重復破巖導致取芯機械鉆速慢，巖屑清理不及時易泥包鉆頭，影響單筒進尺；針對以上問題和地層特點，優化設計了水力破巖能力強的8刀翼取芯鉆頭，優化鉆頭冠部形狀、對切屑齒的大小、布齒密度、切削齒仰角進行了優化改進，水眼增加抗沖蝕保護套，提高鉆頭抗沖蝕能力，提高鉆頭壽命。

3.3 專用出芯器

雙節工具18m巖芯質量達到900kg，且巖芯表面存有光滑的密閉液，增加了巖芯表面的潤滑性，為了完成不拆卸內筒，巖芯整體安全出筒和提高出芯效率要求，研制了專用的出芯器，巖芯卡內壁采用三角螺紋結構，提高了巖芯和卡箍內壁的摩擦力，加長了出芯器下壓桿，提供更高的巖芯卡緊力，操作方便省力，能夠有效控制出芯長度，降低了控制不住巖芯傷人的風險，提高了出芯安全性。

4 取芯工藝流程

4.1 組裝鉆頭

密閉頭上安裝密封圈，裝配到鉆頭上，用銷釘固定，巖芯爪放入到位，組裝好鉆頭。

4.2 連接工具

首先把下節工具放入鼠洞，上節工具與下節工具連接緊扣后，再把組裝好的鉆頭與下節外筒上緊，工具放入井，打牢安全卡瓦。

4.3 灌密閉液

從工具最上端灌入密閉液，灌滿內筒為止，靜止10min后上緊泄壓絲堵。

4.4 下鉆

下放鉆具應平穩，不得用取芯鉆頭劃眼，下鉆遇阻不得超過40kN，嚴防井下落物。下鉆至離井底1m，大排量循環沖洗井底。

4.5 取芯鉆進

待井底清洗干凈，示蹤劑分散均勻，含量達到要求后即可取芯鉆進。首先將鉆具放至井底，加壓60～100kN，剪斷銷釘，上提鉆具啟動轉盤，調整鉆壓10～20kN，樹芯鉆進0.3m后，按設計鉆進參數開始正常鉆進。

4.6 割芯

取芯進尺達到預計長度時停鉆、停轉、停泵，上提鉆具割芯，割芯后立即起鉆，起鉆操作應平穩，嚴禁猛提、猛放、猛蹾。

4.7 巖芯出筒

工具起出井口，卸掉鉆頭，打撈專用出芯器，在鉆臺上出芯，按巖芯出筒順序標出方向、序號，依次擺放在巖芯盒內。出芯過程注意保護巖芯，防止巖芯被二次污染。

5 現場應用

5.1 應用情況

（1）密閉取芯。古頁8HC 井是雙節密閉取芯技術在古龍頁巖油區塊應用的1 口密閉取芯井，共取芯8筒，總進尺128.72m，總芯長127.68m，平均巖芯收獲率99.19%，平均單趟進尺16.09m，最長單趟進尺18.8m。見表1。

表1 雙節密閉取芯工具應用取芯數據表

（2）常規取芯。雙節密閉取芯工具在古龍頁巖油區塊應用3 口常規取芯井，共取芯30 筒，總進尺482.4m，總芯長478.92m，平均巖芯收獲率99.28%，平均單趟進尺16.08m，最長單趟進尺19.0m。見表1。

（3）采取的技術措施。

①采用低鉆壓、低轉數、高排量的“兩低一高”技術參數，鉆壓30～40kN、轉數50～60r/min、排量30～34L/s，減少鉆具振動對井壁的破壞，提升鉆井液的攜砂能力。

②取芯結束后，向井內打入5m3稠漿，大排量循環稠漿舉砂，清潔井眼環空。

③起下鉆無阻卡，不通井劃眼，減少牙輪鉆頭劃眼對井壁的破壞。

④控制鉆井液密度和失水，平衡地層壓力又不壓漏地層。

5.2 應用效果

現場應用表明，該技術應用效果好、取芯時效快、密閉能力強，工具結構簡單、操作方便，采取的取芯參數合理、技術措施得當；優選的高粘度、流動性好DSM型油基密閉液，包裹能力強、密閉效果好，在密閉液的保護下，巖芯完整率95%以上，有效解決了巖芯水化、破碎引起的堵芯難題。

（1）機械鉆速對比。雙節密閉取芯工具在古龍頁巖油區塊共應用4 口井，機械鉆速3.65～4.51m/h，相比常規取芯工具機械鉆速提高4倍以上。如圖6所示（見松頁油2井取芯數據[2]）。

圖6 機械鉆速對比圖

（2）單趟進尺對比。雙節密閉取芯工具應用4 口井，平均單趟進尺15.08～16.72m，相比單節密閉取芯工具，平均單趟進尺提高一倍左右。如圖7所示。

圖7 平均單趟進尺對比圖

6 結論與認識

（1）雙節密閉取芯工具具有結構簡單、操作方便、巖芯直徑大、機械鉆速快、密閉效果好、收獲率高等優點，為頁巖油密閉取芯提速提效提供了有效的技術手段，填補了油田內雙節密閉取芯技術空白。

（2）雙節密閉取芯技術適應松遼盆地青山口組頁巖油取芯，選用的鉆頭型號與地層匹配，采取的取芯參數合理，出芯工藝安全可靠，有效解決了常規取芯工具機械鉆速慢的技術難題，提高了單筒進尺和取芯效率。

（3）該技術兼顧密閉取芯和常規取芯兩種功能，為其它地區頁巖油取芯提供一種強有力的技術手段和經驗方法，具有廣闊的應用前景。