劉英偉，李曉剛，張羽臣

(1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)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(fù)合基底上[1]。初期的勘探作業(yè)顯示，侏羅系有常規(guī)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(qū)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(yè)。

1 作業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 取心卡層難

僅有的部分二維地震資料，品質(zhì)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(xiàn)總厚度中等、層數(shù)多、單層薄、橫向分布不連續(xù)[1]；石炭系的 Toolebuc地層主要為頁巖，地質(zhì)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(tǒng)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(guī)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(guī)油氣巖心分析的需要。

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

1.3 井身結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guī)油氣勘探，以及有發(fā)現(xiàn)后轉(zhuǎn)為開發(fā)井，井身結(jié)構(gòu)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(yè)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(yè)井深1000m，上提負荷為16t左右；若考慮深部的頁巖氣和常規(guī)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(yè)窗口 6～7個月。為了完成礦區(qū)義務(wù)工作量，加快勘探進度，計劃使用兩部鉆機同時作業(yè)。井位布選既要結(jié)合鉆機能力，又要優(yōu)化搬遷路徑，確保雨季來臨時，鉆機撤出礦區(qū)，減少待命費。

2 取心工藝及其工具選擇

常規(guī)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(fù)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(tǒng)是在繩索取心技術(shù)上發(fā)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(shù)，節(jié)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(yōu)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(xiàn) 27m的 3桶連續(xù)取心。經(jīng)過綜合考慮，本項目使用液壓車載鉆機，單根鉆進，井身結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(nèi)筒組件和外筒組件[10]。

嵌入頭組件包括嵌入頭、分流短節(jié)、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(nèi)筒組件包括下巖心爪、上巖心爪、內(nèi)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(jié)、坐落接頭(圖4)。

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

圖3 內(nèi)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(yè)下入。嵌入頭能通過側(cè)面的導(dǎo)向銷，使其周向的 3個定位銷坐入取心鉆頭內(nèi)，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(yè)打撈嵌入頭組件，下入內(nèi)筒轉(zhuǎn)件，轉(zhuǎn)換為取心作業(yè)。內(nèi)筒組件通過快速坐落總成定位于外筒的快速坐落短節(jié)內(nèi)，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(zhuǎn)動。

針對煤層膠結(jié)性差，割理和裂隙發(fā)育極易破碎的特點，在內(nèi)筒的下端設(shè)計了 2個巖心爪(圖 5)，底部的籃式巖心爪為錐形，側(cè)開口設(shè)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(nèi)筒還配套一內(nèi)壁光滑的鋁質(zhì)襯筒(圖 6)，襯筒為不連續(xù)割縫結(jié)構(gòu)，方便地面出心。

圖5 巖心爪Fig.5 Dual catcher system

圖6 鋁質(zhì)襯筒Fig.6 Aluminum inner tube

4 隨鉆取心技術(shù)實鉆應(yīng)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(guī)油氣探井1口。就該新型取心工具在鉆進/取心的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guī)鉆頭鉆進至預(yù)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(nèi)筒，利用鋼絲作業(yè)出井，開泵下入，來驗證打撈機構(gòu)、鎖定機構(gòu)、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(dǎo)向銷能否引導(dǎo)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(jié)，結(jié)果顯示良好。基于上述 2口井的成功經(jīng)驗，在第三口常規(guī)油氣探井Katherine west-1中，將各環(huán)節(jié)再次驗證，均滿足使用要求。相比于常規(guī)的取心作業(yè)后換鉆頭/擴眼，使用嵌入頭節(jié)約時間 80%～85%。

表1 隨鉆取心工具鉆進/取心的轉(zhuǎn)換應(yīng)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(guī) 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(guī)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(guī)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(shè)計為 5刀翼，6個水眼呈環(huán)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(nèi)，4刀翼，2個水眼，作為內(nèi)排齒其磨損較輕，80%以上可以重復(fù)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(yè)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(nèi)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(nèi)，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(fā)生在第一口井探井作業(yè)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(dǎo)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(zhì)合金磨損嚴重，摩擦力不足，導(dǎo)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(fā)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(fā)現(xiàn)有沖蝕現(xiàn)象。

除上述情況外，嵌入頭的快速導(dǎo)向機構(gòu)，配合外筒的鎖定機構(gòu)，作為整個隨鉆取心工具的核心機構(gòu)，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(nèi)筒的鎖定及鋼絲打撈，在整個作業(yè)過程中系統(tǒng)無故障發(fā)生。

5 結(jié) 論

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

②工具設(shè)計可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆進和取心的快速轉(zhuǎn)換，在單根起下鉆時，能節(jié)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(guī) PDC鉆頭，但就作業(yè)時效而言，在長井段取心或需要精確卡層的取心作業(yè)中，優(yōu)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(fā)揮隨鉆取心優(yōu)勢具有重要影響。

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