石林

中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

巖心是研究火驅(qū)開發(fā)過程中燃燒特征、火線波及規(guī)律最準確的資料，但由于火驅(qū)開發(fā)對地層改造作用較大，導致地層變得松散、破碎，地層溫度大幅度升高，在很大程度上也增加了取心難度。實踐表明，在火驅(qū)開發(fā)效果較好的遼河油田D66塊，應用常規(guī)取心技術(shù)其平均巖心收獲率僅為33.96%，遠低于石油天然氣行業(yè)標準(SY 5593—93)對松散地層取心收獲率要達到50%的要求［1-2］。截至目前，尚無文獻探討過火驅(qū)開發(fā)后的地層取心技術(shù)，而且由于火驅(qū)開發(fā)后地層地質(zhì)特征變化較大，也難以借鑒常規(guī)取心的成功經(jīng)驗。對此，筆者以遼河油田D66塊為例，通過室內(nèi)實驗分析了火驅(qū)開發(fā)對地層的影響，提出了火驅(qū)開發(fā)后地層的取心難點，在此基礎(chǔ)上對密閉液、取心鉆頭、巖心爪、內(nèi)筒及內(nèi)襯管等取心相關(guān)工藝進行了改進，優(yōu)化設計了鉆井參數(shù)，在3口井開展了現(xiàn)場取心試驗，巖心收獲率提高了44～54.36個百分點，證明了該取心工藝對于火驅(qū)開發(fā)后地層取心具有較好的適用性。

1 火驅(qū)對D66塊地層的影響及取心難點

1.1 火驅(qū)對D66塊地層的影響

研究區(qū)D66塊位于遼河油田西部凹陷西斜坡南端，目的層為古近系沙河街組沙四段杜家臺油層，儲層巖性為深褐色不等粒砂巖，油層段平均含油飽和度65%。室內(nèi)實驗及實際資料表明，火驅(qū)對地層的影響主要體現(xiàn)在以下3個方面。

(1)降低膠結(jié)質(zhì)量。D66塊沙四段杜家臺油層膠結(jié)物以黏土為主，黏土礦物主要為蒙皂石，含量為61.4%，其次是高嶺石，含量為19.1%。蒙皂石層間結(jié)合力為范德華力，層間吸附大量水化陽離子團，層間結(jié)合力弱，易解理，分散度高。此外，高嶺石比表面積約為 7～30 m2/g，蒙皂石比表面積約為 810 m2/g，比表面積的懸殊導致毛細管力相差甚大。比表面積越大，毛細管力越大，顆粒間相互吸附力越大，干燥時收縮體積越大，所以蒙皂石具有強水敏性，遇水膨脹率高。實驗表明：在火驅(qū)過程中，高溫烘烤作用使蒙皂石快速脫水，遇水后又迅速膨脹，這種脫水及膨脹過程使膠結(jié)物裂開而失去膠結(jié)作用，導致固結(jié)程度降低，地層變松散甚至垮塌。圖1為D66塊開展室內(nèi)火驅(qū)實驗的巖心照片，其中圖1(a)為原始地層巖心，圖1(b)為開展火驅(qū)實驗之后的巖心。由圖1可以看出，火驅(qū)后的巖心膠結(jié)明顯變差，與原始地層巖心相比更加松散，局部甚至發(fā)生破碎。

圖1 D66塊火驅(qū)前后巖心對比Fig.1 Core comparison before and after the combustion drive in D66 Block

(2)溶蝕巖石骨架顆粒。D66塊目的層地層水為 NaHCO3型，總礦化度為 1 987 mg/L，Cl-含量平均值為 159.9 mg/L，Na++K+含量平均值為 571.4 mg/L?；痱?qū)過程中高溫作用使NaHCO3分解，產(chǎn)生CO2，導致蒸汽冷凝水的pH值升高，呈強堿性。在高溫強堿環(huán)境下，作為巖石骨架顆粒的石英發(fā)生溶解，而且隨著pH值的增大石英溶解率不斷增加，含量逐漸減少。分析化驗證明，火驅(qū)后研究區(qū)地層中石英含量下降約4.8%，直接導致了巖石骨架松散、垮塌。同時碳酸鹽礦物(方解石、白云石等)、高嶺石和石英發(fā)生反應產(chǎn)生蒙皂石，分析化驗結(jié)果表明，火驅(qū)后研究區(qū)地層中蒙皂石含量增加約4.2%，進一步加劇了對膠結(jié)質(zhì)量的影響。

(3)火驅(qū)溫度不足以使巖石重新固結(jié)。D66塊火驅(qū)溫度相對較低，為400～500 ℃，未達到將松散巖石燒結(jié)成塊所需的溫度，這也是D66塊火驅(qū)后地層松散的原因之一。

1.2 D66塊火驅(qū)后地層取心難點分析

通過研究火驅(qū)對D66塊地層的影響以及火驅(qū)后的儲層特征，認為對火驅(qū)后地層開展取心工作主要存在以下難點：(1)火驅(qū)導致地層溫度大幅度上升，高溫高壓條件下密閉液稠化容易導致堵心；(2)火驅(qū)引起的蒙皂石脫水和膨脹作用以及石英的溶蝕，降低了地層膠結(jié)質(zhì)量，在鉆井液的沖蝕下，地層容易發(fā)生破碎，使巖心不易成柱，難以進筒且容易掉落，出筒時巖心柱承受壓力減小，容易破碎。

2 取心工藝優(yōu)化

取心工具包括取心鉆頭、巖心筒、巖心爪、扶正器和懸掛裝置等部件，考慮到火驅(qū)對地層的影響以及火驅(qū)后地層取心的難點，對密閉液、取心鉆頭、巖心爪、巖心筒的內(nèi)筒以及內(nèi)襯管進行了改進。

2.1 研制高溫密閉液

火驅(qū)會引起地層溫度大幅度升高，為了避免密閉液在高溫高壓環(huán)境下稠化［3］，研制了適用于火驅(qū)后地層取心的密閉液配方，將過氯乙烯樹脂更換為改性樹脂和氧化瀝青，使密閉液的抗高溫能力從原來的120 ℃提高到160 ℃以上，密閉液恒溫滾動從 120 ℃、8 h 提高到 180 ℃、16 h，提高了密閉液在高溫高壓條件下的穩(wěn)定性，有效避免了在火驅(qū)后地層取心時因密閉液稠化而導致的堵心，提高了取心作業(yè)工作效率和巖心收獲率。

2.2 設計防沖蝕鉆頭

D66塊目的層巖性為不等粒砂巖，受火驅(qū)影響地層變得松散易碎。常規(guī)取心過程中，鉆井液流過取心鉆頭內(nèi)腔和內(nèi)唇面，可以清洗并攜帶鉆頭內(nèi)唇面切削的巖屑，但對于松散地層而言鉆井液會沖蝕巖心導致巖心破碎、無法進筒或者掉落［4-5］。為了減少由于鉆井液沖蝕作用而導致的巖心進筒阻力增大和巖心破碎無法進筒的情況，設計了外斜水眼和防沖蝕水槽。如圖2所示，改進后的水眼向外側(cè)有一定角度的傾斜，改變了水流噴出方向，可以避免鉆井液直接沖蝕巖心，減少了鉆井液對巖心的損害。防沖蝕水槽可以使鉆井液先進入凹槽，然后從槽底的水眼流出，進一步降低取心鉆進時鉆井液對巖心的沖刷，由此最大程度保證巖心的完整性。

圖2 防沖蝕鉆頭Fig.2 Erosion-proof bit

2.3 采用復合式巖心爪

針對火驅(qū)后地層破碎、使用常規(guī)巖心爪容易掉心的問題［6-7］，改進了巖心爪，采用卡箍結(jié)合全封閉的復合式巖心爪來避免掉心的情況發(fā)生(圖3)。當取心井段受火驅(qū)影響較小，地層相對較硬時，全封閉巖心爪下壓收縮難以割斷巖心，此時采用卡箍式巖心爪卡緊并割斷巖心；當?shù)貙铀缮?，巖心比較破碎時，卡箍式巖心爪難以防止巖心掉落，這時全封閉巖心爪將下壓收縮割斷巖心，并且閉合，防止巖心掉落，從而保證巖心收獲率。

圖3 復合式巖心爪Fig.3 Combination core catcher

2.4 改進巖心筒內(nèi)筒及內(nèi)襯管

巖心筒內(nèi)筒的作用是儲存和保護巖心，常規(guī)鋼制取心內(nèi)筒在長時間接觸鉆井液后生銹會導致內(nèi)壁粗糙，增大巖心進筒阻力，當摩擦阻力大于巖心承載能力時會壓碎巖心［8］，而且容易堵心。為此研制了鋁合金內(nèi)筒，由于鋁合金內(nèi)筒具有優(yōu)良的低摩阻特性且不會因為接觸鉆井液而生銹，在很大程度上減小了巖心進筒阻力，降低了巖心破碎幾率。此外，在鋁合金內(nèi)筒中加裝了耐高溫PVC內(nèi)襯管，其摩阻力僅為常規(guī)鋼制管的25%［9］，不僅有利于提高巖心進筒速度，且可以有效提高巖心出筒時的完整性。

3 優(yōu)化鉆井參數(shù)

考慮到火驅(qū)后的地層特征，結(jié)合S1-47-040C井開展的取心試驗，確定了“高鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小排量”的鉆井參數(shù)模式。一般情況下，在相對較軟地層中鉆進時多采用“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速”的鉆井參數(shù)模式，這樣既可以產(chǎn)生更大的沖擊載荷也有利于保護鉆頭，但是該參數(shù)模式對于火驅(qū)后地層取心并不適用，由于火驅(qū)后地層變得松散破碎，“高鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小排量”更有利于減少對巖心的破壞，從而提高巖心收獲率。由表1可以看出，當鉆壓由50～60 kN 升至 70～80 kN、轉(zhuǎn)速由 65 r/min 降至 60 r/min、排量由 0.75 m3/min 減至 0.55 m3/min 時，平均巖心收獲率由33.98%提高到了76.27%，提高幅度較大。

4 取心效果分析

共計完成3口井的取心工作，分別是S1-47-040C井、S1-46-K037井和S1-47-K039井。技術(shù)改進之前在S1-47-040C井累計完成取心進尺9.01 m，累計巖心長度3.06 m，平均收獲率僅33.96%，遠低于石油天然氣行業(yè)標準(SY 5593—93)對松散地層取心收獲率50%的標準要求。技術(shù)改進之后在S1-47-040C井累計完成取心進尺50.51 m，累計巖心長度39.38 m，平均收獲率 77.96%；S1-46-K037 井累計完成取心進尺 123.9 m，累計巖心長度109.43 m，平均收獲率88.32%；S1-47-K039井累計完成取心進尺54 m，累計巖心長度 46.2 m，平均收獲率 85.56%。使用新技術(shù)后巖心收獲率提高44～54.36個百分點。

表1 S1-47-040C 井取心參數(shù)及收獲率Table 1 Coring parameters and core recovery of Well S1-47-040C

5 結(jié)論

火驅(qū)對地層的改造作用主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是地層溫度大幅度升高；二是高溫烘烤作用使膠結(jié)物失去膠結(jié)作用和巖石骨架溶解而導致地層變得松散。進而直接導致取心時密閉液稠化、鉆井液沖蝕使巖心破碎、巖心不易成柱、難以進筒以及容易掉落等問題。針對上述問題，綜合應用改進后的耐高溫密閉液、防沖蝕鉆頭、復合式巖心爪、鋁合金內(nèi)筒和PVC內(nèi)襯管等適用于火驅(qū)后地層的取心工具，結(jié)合高鉆壓、低鉆速、小排量的鉆井參數(shù)設計，可以大幅度提高巖心收獲率。