跨多能源勘探中随钻取心技术的应用

2019-06-11刘英伟李晓刚张羽臣

天津科技 2019年5期

刘英伟，李晓刚，张羽臣

(1.中海油能源发展工程技术分公司天津300452；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司天津300452)

加里里盆地为澳大利亚东部主要的含煤盆地，盆地整体呈马蹄形，北西—南东向，是晚石炭世到中三叠世的残留断陷盆地，叠合在由西部 Maneroo 地台和东部泥盆—石炭纪盆地组成的复合基底上[1]。初期的勘探作业显示，侏罗系有常规油气显示，二叠系为主要含煤层系，石炭系为主要页岩层系。作为新区勘探，为了验证目的层埋深，评价地层物性及资源状况，使勘探成果最大化，决定对钻遇到的三套油/气显示层均进行取心作业。

1 作业面临的挑战

1.1 取心卡层难

仅有的部分二维地震资料，品质不高，主要反射层反射特征不明显，受此影响，侏罗系和三叠系界面不明显，尤其是侏罗系的 Hutton地层，底深不明(图1)；二叠系的Betts Creek和Aramac地层主要为含煤岩系，累计厚度 50～300m 不等，埋深在 1000～1500m 之间，呈现总厚度中等、层数多、单层薄、横向分布不连续[1]；石炭系的 Toolebuc地层主要为页岩，地质厚度 20～50m不等，埋深在 400～800m之间，受剥蚀作用影响，石炭系埋深不一。三套地层都面临如何准确卡层的问题。

1.2 岩心直径不统一

煤层气取心要求收获率高，出心速度快，煤心甲烷散失少，且成本低[2]，主要以绳索取心为主，岩心直径一般在 60～70mm 之间[3]。钻井常规取心岩心直径一般在 66～120mm 之间[4]，取心工艺的选择需要兼顾本项目煤层气全尺寸岩心解吸实验[5]和常规油气岩心分析的需要。

图1 加里里盆地构造纲要图Fig 1 Tectonic divisions of Galilee basin

1.3 井身结构影响钻井物资共享

若以考虑浅部的煤层气取心为主，井身结构方案一：178mm套管，10m＋114mm套管，65m＋98mm钻头裸眼完钻。若考虑深部的页岩气和常规油气勘探，以及有发现后转为开发井，井身结构方案二推荐为：356mm 套管，(6～10)m＋244m 套管，(300～350)m＋216mm 井眼(套管或裸眼完钻)。潜在造成钻头、管材、钻具等钻井物资共享程度低。

1.4 作业模式影响钻机资源配置

若以煤层气取心为主，可用专门的取心钻机[6]，作业井深1000m，上提负荷为16t左右；若考虑深部的页岩气和常规油气勘探，需使用车载液压钻机，上提负荷为 60～84t之间。加里里盆地所处地理位置每年分为旱季和雨季，旱季作业窗口 6～7个月。为了完成矿区义务工作量，加快勘探进度，计划使用两部钻机同时作业。井位布选既要结合钻机能力，又要优化搬迁路径，确保雨季来临时，钻机撤出矿区，减少待命费。

2 取心工艺及其工具选择

常规的油气钻井取心工具和工艺，不能满足煤层气井对取心的要求，且工艺复杂、成本高，因此绳索式取心工具和工艺就成了最佳选择[7]。随钻取心系统是在绳索取心技术上发展起来的，不用更换钻头，不会漏掉取心层位，可以减少起下钻次数，节约大量时间和体力，在深井取心、长段取心、机动取心时，这一优越性更为突出[8]。

加拿大Quest coring公司制造的随钻取心工具有QC76和 QC89两个系列[9]。QC76系列取心直径为76mm，适用于 159mm井眼，配合高扭曲钻杆，每桶取心长度为 9m；QC89系列取心直径为 89mm，适用于216mm井眼，配合高扭曲钻杆，每桶取心9m，最多可实现 27m的 3桶连续取心。经过综合考虑，本项目使用液压车载钻机，单根钻进，井身结构选择方案二，所有取心层段均位于 216mm 井眼，取心方案选择QC89系列随钻取心工艺。

3 随钻取心工具介绍

Quest coring公司的随钻取心系统主要包括地面钢丝绞车和井下取心工具 2部分。钢丝绞车主要用来下入/打捞井下取心工具，井下取心工具主要包括嵌入头组件、内筒组件和外筒组件[10]。

嵌入头组件包括嵌入头、分流短节、心轴、单流阀、快速坐落总成、锁定总成、分流总成、打捞头(图2)。内筒组件包括下岩心爪、上岩心爪、内筒、悬挂总成、快速坐落总成、分流总成、打捞头(图3)。外筒组件包括取心钻头、外筒、扶正器、快速坐落短节、坐落接头(图4)。

图2 嵌入头组件Fig.2 Drilling insert assembly

图3 内筒组件Fig.3 Inner barrel assembly

图4 外筒组件Fig.4 Outer barrel assembly

嵌入头组件可以在钻台上提前与外筒组件一起下入，也可以通过钢丝作业下入。嵌入头能通过侧面的导向销，使其周向的 3个定位销坐入取心钻头内，为钻进过程提供扭矩，同时通过上部的锁定总成限制其轴向运动，为钻进过程中提供钻压。钻进至取心深度时，钢丝作业打捞嵌入头组件，下入内筒转件，转换为取心作业。内筒组件通过快速坐落总成定位于外筒的快速坐落短节内，使其轴向不能活动，同时利用其自身的悬挂总成可周向自由转动。

针对煤层胶结性差，割理和裂隙发育极易破碎的特点，在内筒的下端设计了 2个岩心爪(图 5)，底部的篮式岩心爪为锥形，侧开口设计，通过收缩变形，提高割心成功率；顶部的指形弹簧岩心爪能够承担所取岩心的重量，防止岩心落井，提高收获率。内筒还配套一内壁光滑的铝质衬筒(图 6)，衬筒为不连续割缝结构，方便地面出心。

图5 岩心爪Fig.5 Dual catcher system

图6 铝质衬筒Fig.6 Aluminum inner tube

4 随钻取心技术实钻应用

本项目累计钻探8口探井，选择了其中6口井的165mm 井段对随钻取心工具进行实验，其中煤层气探井3口，页岩气探井2口，常规油气探井1口。就该新型取心工具在钻进/取心的转化、机械钻速、岩心收获率、钻套管附件和工具可靠性等方面的性能进行实际验证。

4.1 钻进/取心相互转化

如表1所示，第一口煤层气探井 Alma-1试用中，相对谨慎，利用常规钻头钻进至预测的取心深度，然后起钻更换为取心钻头，在钻台对嵌入头的安装进行确认。对于取心内筒，利用钢丝作业出井，开泵下入，来验证打捞机构、锁定机构、钢丝绞车的功能适用性，效果良好。在第二口页岩气探井Darr-1试用中，主要测试嵌入头的导向销能否引导定位销顺利就位，外筒的快速坐落总成能否成功锁定嵌入头组件的坐落短节，结果显示良好。基于上述 2口井的成功经验，在第三口常规油气探井Katherine west-1中，将各环节再次验证，均满足使用要求。相比于常规的取心作业后换钻头/扩眼，使用嵌入头节约时间 80%～85%。