辽河油田D66块火驱开发储层取心技术

石林

中国石油长城钻探工程有限公司工程技术研究院

岩心是研究火驱开发过程中燃烧特征、火线波及规律最准确的资料，但由于火驱开发对地层改造作用较大，导致地层变得松散、破碎，地层温度大幅度升高，在很大程度上也增加了取心难度。实践表明，在火驱开发效果较好的辽河油田D66块，应用常规取心技术其平均岩心收获率仅为33.96%，远低于石油天然气行业标准(SY 5593—93)对松散地层取心收获率要达到50%的要求［1-2］。截至目前，尚无文献探讨过火驱开发后的地层取心技术，而且由于火驱开发后地层地质特征变化较大，也难以借鉴常规取心的成功经验。对此，笔者以辽河油田D66块为例，通过室内实验分析了火驱开发对地层的影响，提出了火驱开发后地层的取心难点，在此基础上对密闭液、取心钻头、岩心爪、内筒及内衬管等取心相关工艺进行了改进，优化设计了钻井参数，在3口井开展了现场取心试验，岩心收获率提高了44～54.36个百分点，证明了该取心工艺对于火驱开发后地层取心具有较好的适用性。

1 火驱对D66块地层的影响及取心难点

1.1 火驱对D66块地层的影响

研究区D66块位于辽河油田西部凹陷西斜坡南端，目的层为古近系沙河街组沙四段杜家台油层，储层岩性为深褐色不等粒砂岩，油层段平均含油饱和度65%。室内实验及实际资料表明，火驱对地层的影响主要体现在以下3个方面。

(1)降低胶结质量。D66块沙四段杜家台油层胶结物以黏土为主，黏土矿物主要为蒙皂石，含量为61.4%，其次是高岭石，含量为19.1%。蒙皂石层间结合力为范德华力，层间吸附大量水化阳离子团，层间结合力弱，易解理，分散度高。此外，高岭石比表面积约为 7～30 m2/g，蒙皂石比表面积约为 810 m2/g，比表面积的悬殊导致毛细管力相差甚大。比表面积越大，毛细管力越大，颗粒间相互吸附力越大，干燥时收缩体积越大，所以蒙皂石具有强水敏性，遇水膨胀率高。实验表明：在火驱过程中，高温烘烤作用使蒙皂石快速脱水，遇水后又迅速膨胀，这种脱水及膨胀过程使胶结物裂开而失去胶结作用，导致固结程度降低，地层变松散甚至垮塌。图1为D66块开展室内火驱实验的岩心照片，其中图1(a)为原始地层岩心，图1(b)为开展火驱实验之后的岩心。由图1可以看出，火驱后的岩心胶结明显变差，与原始地层岩心相比更加松散，局部甚至发生破碎。

图1 D66块火驱前后岩心对比Fig.1 Core comparison before and after the combustion drive in D66 Block

(2)溶蚀岩石骨架颗粒。D66块目的层地层水为 NaHCO3型，总矿化度为 1 987 mg/L，Cl-含量平均值为 159.9 mg/L，Na++K+含量平均值为 571.4 mg/L。火驱过程中高温作用使NaHCO3分解，产生CO2，导致蒸汽冷凝水的pH值升高，呈强碱性。在高温强碱环境下，作为岩石骨架颗粒的石英发生溶解，而且随着pH值的增大石英溶解率不断增加，含量逐渐减少。分析化验证明，火驱后研究区地层中石英含量下降约4.8%，直接导致了岩石骨架松散、垮塌。同时碳酸盐矿物(方解石、白云石等)、高岭石和石英发生反应产生蒙皂石，分析化验结果表明，火驱后研究区地层中蒙皂石含量增加约4.2%，进一步加剧了对胶结质量的影响。

(3)火驱温度不足以使岩石重新固结。D66块火驱温度相对较低，为400～500 ℃，未达到将松散岩石烧结成块所需的温度，这也是D66块火驱后地层松散的原因之一。

1.2 D66块火驱后地层取心难点分析

通过研究火驱对D66块地层的影响以及火驱后的储层特征，认为对火驱后地层开展取心工作主要存在以下难点：(1)火驱导致地层温度大幅度上升，高温高压条件下密闭液稠化容易导致堵心；(2)火驱引起的蒙皂石脱水和膨胀作用以及石英的溶蚀，降低了地层胶结质量，在钻井液的冲蚀下，地层容易发生破碎，使岩心不易成柱，难以进筒且容易掉落，出筒时岩心柱承受压力减小，容易破碎。

2 取心工艺优化

取心工具包括取心钻头、岩心筒、岩心爪、扶正器和悬挂装置等部件，考虑到火驱对地层的影响以及火驱后地层取心的难点，对密闭液、取心钻头、岩心爪、岩心筒的内筒以及内衬管进行了改进。

2.1 研制高温密闭液

火驱会引起地层温度大幅度升高，为了避免密闭液在高温高压环境下稠化［3］，研制了适用于火驱后地层取心的密闭液配方，将过氯乙烯树脂更换为改性树脂和氧化沥青，使密闭液的抗高温能力从原来的120 ℃提高到160 ℃以上，密闭液恒温滚动从 120 ℃、8 h 提高到 180 ℃、16 h，提高了密闭液在高温高压条件下的稳定性，有效避免了在火驱后地层取心时因密闭液稠化而导致的堵心，提高了取心作业工作效率和岩心收获率。

2.2 设计防冲蚀钻头

D66块目的层岩性为不等粒砂岩，受火驱影响地层变得松散易碎。常规取心过程中，钻井液流过取心钻头内腔和内唇面，可以清洗并携带钻头内唇面切削的岩屑，但对于松散地层而言钻井液会冲蚀岩心导致岩心破碎、无法进筒或者掉落［4-5］。为了减少由于钻井液冲蚀作用而导致的岩心进筒阻力增大和岩心破碎无法进筒的情况，设计了外斜水眼和防冲蚀水槽。如图2所示，改进后的水眼向外侧有一定角度的倾斜，改变了水流喷出方向，可以避免钻井液直接冲蚀岩心，减少了钻井液对岩心的损害。防冲蚀水槽可以使钻井液先进入凹槽，然后从槽底的水眼流出，进一步降低取心钻进时钻井液对岩心的冲刷，由此最大程度保证岩心的完整性。

图2 防冲蚀钻头Fig.2 Erosion-proof bit

2.3 采用复合式岩心爪

针对火驱后地层破碎、使用常规岩心爪容易掉心的问题［6-7］，改进了岩心爪，采用卡箍结合全封闭的复合式岩心爪来避免掉心的情况发生(图3)。当取心井段受火驱影响较小，地层相对较硬时，全封闭岩心爪下压收缩难以割断岩心，此时采用卡箍式岩心爪卡紧并割断岩心；当地层松散，岩心比较破碎时，卡箍式岩心爪难以防止岩心掉落，这时全封闭岩心爪将下压收缩割断岩心，并且闭合，防止岩心掉落，从而保证岩心收获率。

图3 复合式岩心爪Fig.3 Combination core catcher

2.4 改进岩心筒内筒及内衬管

岩心筒内筒的作用是储存和保护岩心，常规钢制取心内筒在长时间接触钻井液后生锈会导致内壁粗糙，增大岩心进筒阻力，当摩擦阻力大于岩心承载能力时会压碎岩心［8］，而且容易堵心。为此研制了铝合金内筒，由于铝合金内筒具有优良的低摩阻特性且不会因为接触钻井液而生锈，在很大程度上减小了岩心进筒阻力，降低了岩心破碎几率。此外，在铝合金内筒中加装了耐高温PVC内衬管，其摩阻力仅为常规钢制管的25%［9］，不仅有利于提高岩心进筒速度，且可以有效提高岩心出筒时的完整性。

3 优化钻井参数

考虑到火驱后的地层特征，结合S1-47-040C井开展的取心试验，确定了“高钻压、低转速、小排量”的钻井参数模式。一般情况下，在相对较软地层中钻进时多采用“低钻压、高转速”的钻井参数模式，这样既可以产生更大的冲击载荷也有利于保护钻头，但是该参数模式对于火驱后地层取心并不适用，由于火驱后地层变得松散破碎，“高钻压、低转速、小排量”更有利于减少对岩心的破坏，从而提高岩心收获率。由表1可以看出，当钻压由50～60 kN 升至 70～80 kN、转速由 65 r/min 降至 60 r/min、排量由 0.75 m3/min 减至 0.55 m3/min 时，平均岩心收获率由33.98%提高到了76.27%，提高幅度较大。

4 取心效果分析

共计完成3口井的取心工作，分别是S1-47-040C井、S1-46-K037井和S1-47-K039井。技术改进之前在S1-47-040C井累计完成取心进尺9.01 m，累计岩心长度3.06 m，平均收获率仅33.96%，远低于石油天然气行业标准(SY 5593—93)对松散地层取心收获率50%的标准要求。技术改进之后在S1-47-040C井累计完成取心进尺50.51 m，累计岩心长度39.38 m，平均收获率 77.96%；S1-46-K037 井累计完成取心进尺 123.9 m，累计岩心长度109.43 m，平均收获率88.32%；S1-47-K039井累计完成取心进尺54 m，累计岩心长度 46.2 m，平均收获率 85.56%。使用新技术后岩心收获率提高44～54.36个百分点。

表1 S1-47-040C 井取心参数及收获率Table 1 Coring parameters and core recovery of Well S1-47-040C

5 结论

火驱对地层的改造作用主要表现在以下两个方面：一是地层温度大幅度升高；二是高温烘烤作用使胶结物失去胶结作用和岩石骨架溶解而导致地层变得松散。进而直接导致取心时密闭液稠化、钻井液冲蚀使岩心破碎、岩心不易成柱、难以进筒以及容易掉落等问题。针对上述问题，综合应用改进后的耐高温密闭液、防冲蚀钻头、复合式岩心爪、铝合金内筒和PVC内衬管等适用于火驱后地层的取心工具，结合高钻压、低钻速、小排量的钻井参数设计，可以大幅度提高岩心收获率。