高渗透易阻卡地层防卡旋转割心工艺<br/>——以威207井为例

高渗透易阻卡地层防卡旋转割心工艺
——以威207井为例

2021-12-03段绪林熊鸿照陈锦泉张运迪

天然气勘探与开发 2021年3期

段绪林卓云张杰熊鸿照陈锦泉张运迪

中国石油川庆钻探工程有限公司川东钻探分公司

0 引言

在储层段的取心作业，是天然气勘探开发中的重要环节。大部分储层段的裂缝、孔洞发育，渗透性强，取心作业易发生阻卡现象，严重时导致复杂故障发生，尤其是取心钻进结束后的割心环节，因井壁滤饼影响，极易发生阻卡现象，井壁滤饼愈厚，割心上提钻具高度愈高，阻卡愈严重[1-5]。上提钻具割心时常有卡钻故障发生，如川渝地区的蓬莱103井、磨溪107井、威207井等，最为典型的是威207井寒武系下统筇竹寺组取心，因地层渗透性强、岩石破碎等因素引起取心段井壁快速形成厚滤饼，割心上提钻具中频繁发生阻卡及卡钻，极大地影响该井后续取心作业和延误岩心资料的及时分析[6-10]。

目前，割心均采用停顶驱（转盘）、不停泵，直接上提钻具的方式将岩心进行拔断，该割心工艺能满足正常地层取心需要，但在高渗透破碎地层割心作业遇阻卡时，为确保取心收获率，都只能采取多次上下活动钻具的方式消除阻卡，严重时采用随钻震击器震击，复杂情况的处理手段单一，效果差[11-20]。为了有效实现安全割心，需要从操作程序入手，探索一种新的割心工艺，解决高渗透易阻卡井段取心作业难题。

笔者以威远页岩气风险作业区威207井为例，针对该井在高渗透易阻卡井段取心作业难点，详细阐述现场创新提出并实施的防卡旋转割心工艺技术，并总结提炼形成安全操作配套工艺。

1 取心作业复杂表现与前期处理

威远页岩气风险作业区威207井原计划开展下部筇竹寺组页岩气储层评价取心作业，设计在井段2 930～3 175 m之间，完成取心进尺170 m ，其评价效果将直接关系到威远风险作业区页岩气产能建设的有序接替及下步勘探方向的转移。但是现场上，Ø244.5 mm套管下至1 644.10 m，在下志留统龙马溪组直改平钻进中2次卡钻，因此只能更改设计，利用原井眼直接加深钻至筇竹寺组取心，事实上是Ø215.9 mm井眼钻至井深3 000 m取心，取心井段3 000～3 243 m，累计取心进尺213.37 m ,其上部井眼轨迹复杂，摩阻大、扭矩大，前12次取心作业，在上提钻具割心过程中引起7次严重阻卡和2次严重卡钻，其中2次卡钻经过多次顶驱蹩扭矩25～28 kN·m和1 600～1 900 kN反复大力活动，最终通过随钻震击器震击解卡，高扭矩和大的拉力造成两只取心钻头胎体被扭破，Ø165.1 mm钻铤母接头根部出现2/3圈的断口，险些酿成二次井下事故。根据单次取心作业过程分析，取心钻进扭矩高，割心困难，割心后阻卡严重，在实钻中，根据随钻情况实时优化调整各项参数，采取相应措施。

1.1 取心作业扭矩高

1）钻井取心参数：1～4次取心，钻压70～100 kN，转速50～55 rpm，排量20 L/s。因钻压、转速高，引起取心钻进扭矩高，所以降低取心参数钻进。自第5次取心开始，局部井段钻进扭矩波动范围在14～24 kN·m，为控制钻进扭矩，适当降低取心参数钻进。5～12 次取心，钻压30～40kN，转速40～45 rpm，排量20 L/s。

2）该井上部井段经过2次侧钻，为有效检验井眼畅通性，在井深1 610 m测试空转扭矩4～5 kN·m，井深1 900 m空转扭矩增至8～9 kN·m，取心井段空转扭矩14～17 kN·m，钻进扭矩14～23 kN·m，超出其它页岩取心井钻进扭矩8～12 kN·m，加之多处取心井段需长时正、倒划眼才能通过并频繁蹩停顶驱（扭矩设置23～24 kN·m），导致取心工具及钻头长期承受较大交变应力易产生疲劳而引发故障。

为此进行取心工具优化，更换为强度更高的CQX180-105取心工具，其抗拉强度1 400 kN、抗扭强度35 kN·m，并先后倒换使用7套，及时释放复杂条件下的取心工具应力，确保了取心工具安全。

1.2 上提钻具割心阻卡严重

首次割心上提钻具遇阻，在第2次取心前将钻井液油含量由5%提至8%， 2～3次割心上提钻具正常， 4～12次割心发生阻卡复杂7次，卡钻2次。

后来进行钻井液性能优化，采用有机盐钾聚磺钻井液，密度1.42 g/cm3，黏度60 s，失水1.6 mL，泥饼0.5 mm，油含5%，切力2.0/8.5 Pa，含砂0.3%，pH值10。该钻井液具有润滑性较好、对泥页岩水化分散抑制性较强的特点。每趟钻坚持使用除泥除砂器和一体机，维护较好。第1次取心下钻至井底循环及取心钻进过程中，振动筛有极少量圆颗粒状岩屑返出。在第5次、第7次取心前，2次提高钻井液密度至1.55 g/cm3，并将高温高压失水由1.6降至1.4 mL，油含维持8%，其余筒次取心及扩眼均未见掉块，井壁稳定。钻井液各项性能指标经多次优化，井下阻卡频繁的状况未见改善。

同时强化井眼修复，加大取心作业中扩眼频率，取心作业2次就采用牙轮钻头扩眼1次，扩眼钻具带Ø 210 mm扶正器。

经以上措施处理，割心遇阻卡未见明显改善，自第8次取心开始，在扩眼井段下钻均需长时划眼才能通过并频繁蹩停顶驱。

2 取心作业阻卡频繁的复杂原因

针对取心作业扭矩高、阻卡多的复杂表现，从地层渗透性、泥饼质量等岩性特点出发，结合取心作业、扩眼作业复杂发生与处理特点，分析了阻卡频繁发生的复杂原因。

2.1 地层渗透率高

威207井设计在筇竹寺组取心173 m，取心收获率要求95%以上，取心井段长，技术要求高，取心难度大。取心作业中，观察取出岩心，3 000～3 045 m为黑色页岩；3 046～3 171 m砂质页岩与黑色页岩互层，砂质页岩为主；3 165～3 171 m以粉砂岩为主，夹页岩薄层。第一次割心提钻遇阻后将钻井液油含提至8%，第2、第3次取心均能正常提钻，从井深3 046 m即第4次取心末段开始，钻取长段砂质页岩且页理发育，出井岩心如饼状，厚度介于3～100 mm，岩石页理发育且砂质含量高，存在一定孔隙度，地层渗透率高。

2.2 厚滤饼形成小井眼

砂质页岩段取心，钻屑近似粉末状，混杂于钻井液中，虽经振动筛、除泥除砂器等固控设备过滤，但受地层渗透性和取心排量小返速低的双重影响，部分粉末状钻屑在井底上返途中被吸附于井壁，同时因取心钻头无喷嘴，钻井液从岩心钻孔中流出并经取心钻头刀翼之间的流道上返，水马力减弱，对取心钻头以上的井壁不能起到较好清洁，逐步形成滤饼，渗透性愈好的井段，滤饼愈厚。

受取心钻头结构影响，钻头每个刀翼顶端存在台阶，割心提钻时井壁泥饼在台阶处堆积（钻井液主要从两刀翼间的流道上返），随提钻高度的增加（金刚石与聚晶金刚石复合片取心钻头同比，与井壁接触面更大），堆积的泥饼随之增加并与井壁相互挤压逐步形成小井眼，引起割心提钻遇阻，井壁泥饼愈厚、钻具上提高度愈多，阻卡愈严重。在出井取心钻头和扩眼起出的扶正器上均能见证滤饼。

3 旋转割心工艺

在前期取心作业与复杂处理中，对取心钻头、取心工具、取心参数、钻井液性能、取心钻具组合、井眼修复等技术进行了优化，通过现场应用，效果不理想，阻卡依然频繁发生。作为取心工艺技术的重要组成部分的取心作业操作程序，需要进一步优化。

3.1 常规割心工艺局限性

常规割心工艺在取心结束后，停顶驱、不停泵上提钻具，产生一定拉力作用于岩心爪上，迫使岩心爪下行并向内收缩，卡住并割断岩心。割心前停顶驱的目的是防止因钻具转动甩掉岩心。虽然该工艺能满足井下正常时的作业需要，但在井壁快速形成较厚滤饼的高阻卡井段割心作业中极易发生卡钻，存在不适应复杂地层取心的局限性。

3.2 旋转割心工艺原理与安全性评价

针对砂质页岩地层特点，结合对取心工具结构的思考，创新提出一种非常规割心工艺，兼顾割心与防卡。通过安全性、可行性分析，该工艺增加了掉心的风险，但能通过精细操作加以控制，实现风险可控。

3.2.1 技术原理

取心结束前，增大排量循环，不停顶驱、不停泵，间断上提钻具，利用取心钻头旋转清除井壁滤饼，降低卡钻几率，同时利用间断上提钻具逐渐产生的拉力割断岩心。

3.2.2 安全性分析

取心筒由内筒、外筒组成，内筒上部由悬挂总成连接，取心钻进中，外筒随顶驱（转盘）转动，内筒不旋转，便于岩心进入内筒，在割心作业中，即使钻具转动，受悬挂轴承作用，内筒及装在内筒中的岩心和内筒下端的岩心爪都不随外筒转动。

3.3 旋转割心工艺风险与控制技术

针对旋转割心工艺过程，分析了割心作业新增的掉心风险，提出了确保取心工具质量，严格控制上提速度、扭矩、排量、转速等参数的旋转割心关键要点，并制定了旋转割心安全操作工艺程序。

风险分析认为，如果取心工具使用前检查、保养不到位，或者外筒旋转时操作不当，容易导致轴承失效，在旋转割心过程中内筒跟随外筒转动，引起岩心爪磨损或产生错位而造成岩心掉井。

关键要点在于：①确保取心工具质量，每一次工具入井前应仔细检查及保养悬挂轴承，防止因轴承失效在旋转割心过程中内筒跟随外筒转动，引起岩心爪磨损或产生错位而造成岩心掉井；②割心过程中严格控制每一次上提钻具的拉力、控制顶驱转速以及扭矩、控制循环排量。

作业步骤分作4步：①取心钻进完，不停顶驱或转盘，按取心工具最大允许排量循环5～10 min带砂；②顶驱扭矩按取心工具额定抗扭的60%设定，保持顶驱转速及排量不变，上提钻具一段高度（高度由施加的钻压确定），恢复钻压带来的压缩距（初始阶段上提钻具应缓慢，防瞬时扭矩过大蹩停顶驱而导致卡钻）；③观察扭矩变化情况，扭矩趋于平稳，间断上提钻具一定高度并严格控制钻具拉力，每次上提高度30～100 mm，直至将岩心割断（注意：经多次间断上提钻具后，当指重表上显示的拉力逐步增加，说明岩心爪已抓牢岩心，由此，每次上提钻具的高度应不大于50 mm，且应以顶驱扭矩的变化情况作为实时参考数据，防止顶驱蹩停导致卡钻）；④岩心割断后，降低顶驱转速20%～30%，视井下复杂情况继续间断上提钻具，直到提至安全井段，完成循环或起钻。

旋转割心期间，在取心钻头距离井底1 m间距内，上提钻具拉力应不超过15～20 kN，不论是上提高度还是上提拉力都应以顶驱扭矩的变化情况决定，以保证顶驱不被蹩停，从而预留1 m的安全距离，该距离可用于后续顶驱蹩停时恢复顶驱转动的空间。

4 应用效果

旋转割心工艺在该井筇竹寺组取心井段3 171～3 189.5 m、3 120～3 143 m成功应用4次，完成取心进尺41.5 m，心长41.4 m，收获率99.76%。该段岩石仍以粉砂岩为主，夹页岩薄层。该工艺的使用，避免了上提钻具割心的频繁遇卡现象（在井段3 189.5～3 190.37 m取心钻进中，因钻遇胶结差的粉砂岩产生高扭矩造成取心钻头被卡，继续取心困难，换牙轮钻头钻至3 220 m恢复取心钻进）。

与前期同比，通过严格控制上提钻具拉力、实时调整顶驱转速，将扭矩控制在16～20 kN·m之间割断岩心（扭矩设置21 kN·m），取心工具及钻头在旋转割心期间承受的扭矩得到降低；割断岩心旋转上提钻具中，受井壁滤饼影响，扭矩波动大，顶驱多次蹩停，因钻头与井底已形成一定安全空间，下放钻具即可恢复顶驱转动、完成倒划眼。