绳索取心技术在煤层气DP1井的应用

2018-04-11孙志和朱克华刘超宁军孙天宇邵帅付君豪

石油钻采工艺 2018年6期

孙志和朱克华刘超宁军孙天宇邵帅付君豪

1.中国石油华北油田公司；2.渤海钻探第四钻井工程公司；3.渤海钻探第五钻井工程公司；4.渤海钻探定向井公司

DP1井是部署在河北省沧县隆起大城凸起构造带的第一口该区域煤层气水平勘探井，勘探的主要目的是获取地质资料，试验水平井开发中阶煤煤层气的适应性。如何准确获取煤层的埋深、厚度，安全快速地取出煤心成为本井施工的关键。该井采用二开井身结构，先钻直导眼井落实地质分层情况，取全资料，为水平井钻进提供基础数据，再以实际地层情况设计出侧钻水平井轨道，实现准确着陆，并提高水平段煤层钻遇率，达到求取煤层气产能地质目的。所钻遇地层从上到下依次为平原组、明化镇组、馆陶组、石盒子组、山西组、太原组。DP1井的井身结构一开用Ø311.2 mm钻头钻进至253 m后下入Ø244.5 mm套管，二开直导眼采用Ø215.9 mm钻头钻进至1 345 m煤底板，设计取心3层，总进尺40 m，岩心直径大于60 mm，重点取煤层及其顶、底板位置煤样。

煤层段取心存在诸多难题，如煤层具有强度低、胶结性差、均质性差、孔隙压力低、易碎裂、成柱性差等特性［1］，导致取心收获率低；同时，为了尽量减少甲烷吸附气的散失，要求取心时间、起钻时间和煤心样品到达地面后装入密封解吸罐所需时间的总和越短越好。

绳索取心技术是不用起下钻而由钻杆内捞取岩心的取心工艺，它具有工具结构简单、取心效率高、减少煤层气逸出少、取出岩心质量好等特点［2］。DP1 井成功应用该技术，在最短时间将煤岩取出装罐［3］，达到了取全、取准煤层参数的目的，为煤层取心提供可借鉴经验。

1 绳索取心工具的优选及改进

1.1 常规绳索取心工具

绳索取心是在钻进过程中，当岩心充满岩心筒后，不需提钻取岩心，而是以钻杆为通道，借助于绳索和专用打捞工具，把钻进过程中贮存于内岩心筒中的岩心提升到孔外的取心钻进方法，可以极大减少起下钻具的时间。

绳索取心钻具的型号很多，规格各异，但其基本结构大同小异，均由外筒总成、内筒总成和打捞器3部分组成。

外筒总成包括弹卡挡头、弹卡室、稳定接头（上扩孔器）、外筒、下扩孔器和钻头；内筒总成由捞矛头、弹卡、悬挂环、到位报讯、单动、内筒保护、调节、扶正、内筒、岩心卡取等机构组成。

1.2 绳索取心工具优选

取心钻头选用Ø215.9 mm PDC取心钻头，钻头内径60 mm并具备保径功能。卡心机构采用标准卡箍岩心爪或弹簧片式岩心爪，取砂泥岩时内筒采用整筒，取煤岩时采用半合管，取心外筒直接与钻杆连接。钻杆选用G-105钢级Ø127 mm钻杆，钻杆本体及接头内不能有台肩，弯曲度不超过1 mm/m，水眼通径不小于82 mm，对入井钻具用Ø82 mm通径规逐根通径。

依据煤层岩性变换岩心爪，若钻遇煤阶低、成岩性好的地层选用弹簧片式岩心爪，有效地防止煤岩脱落；对于煤层岩性疏松的选取篮爪式岩心爪，并选取半合管内筒，防止煤岩进入内筒后出现膨胀堵心、卡心等问题。

1.3 绳索取心工具改进

1.3.1 取心钻头初期使用的取心钻头为阶梯状且顶部为连续圆环，适用于松散地层，钻进砂泥岩时，钻时慢易造成岩心冲蚀及直径磨细，割心时岩心爪无法卡住岩心，起出内筒后无岩心。改进后的钻头为梭形结构，顶部改为非连续环，齿间设计水槽，将八刀翼4复合片改为六刀翼6复合片结构，增强了攻击性。同时进行了水眼优化，去除内圆水眼，减少对岩心的冲蚀（见图1）。

图1 取心钻头Fig.1 Coring bit

1.3.2 岩心爪目前常用的岩心爪为卡箍式和篮爪式，卡箍式用于成岩性较好地层，松软地层及煤层选用篮爪式。但在钻井取心作业中，地层岩性变化大或对地层掌握不准时，容易造成岩心爪失效的情况，卡箍卡不住松散岩心，篮爪割不断胶结致密的岩心，造成岩心缺失，且篮爪式岩心爪在煤层取心钻进时出现过疏松煤心［1］未进内筒被冲蚀情况。为增强岩心爪的适用性，将岩心爪合二为一（见图2），从而提高了岩心爪的通用性。

图2 岩心爪Fig.2 Core catcher

2 施工过程

2.1 取心前准备

地面管汇及泥浆泵出口加装滤清器，防止杂物进入循环流程。安装滑轮组，保证在提升内筒时能够活动钻具；打捞绞车选用直径8～9 mm的钢丝绳，通过卡绳器将打捞机构与钢丝绳连接，保证旋转接头转动灵活；组装好内、外筒并调整内筒距钻头内台肩的间隙3～5 mm。对内筒进行试提放，确保下放到底，与钻头间隙保证取心要求，上提无阻卡且保证卡簧在弹卡室的制动功能。

2.2 循环钻井液

下钻过程中分段循环钻井液，遇阻严禁硬压，防止岩屑及软泥挤入取心外筒。下钻到底大排量循环钻井液，将钻具内壁的滤饼和井底沉砂充分循环清洗干净，防止投入内筒时在钻具内遇卡。

取心2次后，根据取出岩心及下放钻具遇阻情况确定钻井液排量，防止井下岩心破碎，影响收获率。煤层取心时采用10～15 L/s排量钻进，取心2～3次后，应大排量循环钻井液冲洗携沙1周。记录不同排量时的循环泵压，为判断内筒是否到位提供依据。

2.3 取心

送入内筒有2种方式：绳索送入与井口投入。发生少量漏失导致钻具内液面较低时，使用内筒为半合管，宜采用绳索送入方式；未发生漏失时，内筒选用整筒时可采用井口投入方式。内筒到位后，开泵，泵压升高1 MPa左右说明内筒悬挂座已安全坐封在外筒悬挂套上。

钻压选取：若是砂泥岩取心，采用10～20 kN树心，50～100 kN钻进；若是松散煤岩取心，则采用开泵、开启转盘后快速加压至60～80 kN钻进，防止树心时冲蚀，确保煤岩快速进入内筒［4］。

排量选取：对于胶结致密成岩性好的砂泥岩地层，排量选用20～25 L/s，以有效携岩为主；对于煤层取心，根据取心煤岩胶结强度及收获率，及时调整排量，宜选用10～15 L/s或更低排量。

取心长度确定：绳索取心一般每筒长1.3～1.5 m，但在煤层顶底板及煤层取心时宜每筒长0.5～1 m，根据取心收获率及岩性变化，及时调整钻进参数。

2.4 割心

常规取心作业割心前需停止钻进恢复钻压，将岩心磨细，停泵后采用大吨位上提拔断岩心的方式。与常规钻井取心方式相比，绳索上提力小，绳索取心岩心直径小，采用间断转动转盘的割心方式［5］，上提割心一般无明显悬重变化。

2.5 打捞内筒

取心钻进完成后，从钻具内用钢丝绳下入打捞机构与内筒的矛头对接成功，上提打捞出内筒。打捞器在钻具内距井口30 m和距井底30 m时要缓慢下放、上提。

内筒遇阻或不到位、遇卡的处理：（1）内筒坐到外筒悬挂座后，才能正常取心，因此投放内筒后，若泵压没有变化，不能确认内筒是否坐入卡座的，严禁进行取心作业，须起出内筒经检查后再重新投放，必要时进行起钻检查；（2）若内筒打捞成功上提遇卡，经反复上提无效后，则从井口投入解卡器，使打捞机构与内筒分离后，起出打捞机构。开泵大排量循环冲洗内外筒间杂物，间断高转速转动钻具，使内外筒松动后再次进行打捞内筒作业。