肯基亚克盐下油田小井眼取心技术

苏洋 杨立文 刘兴欣

中国石油长城钻探工程技术研究院

哈萨克斯坦肯基亚克盐下油田二叠系为发育在石炭系碳酸盐岩台地上的一套陆源碎屑沉积，油气资源丰富［1］。油藏目的层深埋在4 300 m 以下的石炭系，地层压力系数1.84 以上，属异常高压油藏。该油藏地质条件复杂，上覆巨厚盐丘（3 800 m），钻井液密度高，密度安全窗口小，钻井易喷漏卡塌。特别是更改为4级井身结构后，进一步增加了钻井施工难度，严重影响了肯基亚克油田的勘探开发速度［2］。在小井眼取心技术服务领域出现了一定时期的技术空白和市场空缺，其主要无法解决的技术难题有以下3 点：（1）肯基亚克盐下油藏地质条件复杂，钻井风险大。井壁失稳，缩颈、掉块现象严重，卡钻频发，普通Ø149.2 mm 井眼取心工具难以经受恶劣井眼条件的考验。（2）钻井液密度高，为 1.95～2.0 g/cm3，钻井施工难度增加。小井眼、高密度条件下，循环压耗大，正常钻进排量10 L/s，泵压高达20 MPa，增加了井下工具和钻井设备的负荷，开泵困难，设备刺漏现象频繁。（3）地层属于坚硬易碎地层，可钻性差，机械钻速低，容易发生磨心，掉心现象［3］。经过调查，对于该区块国内外还没有学者进行专门的小井眼取心技术研究。因此，为弥补工具和技术方面的不足，结合肯基亚克盐下油田地层特点，研制了适用于该区块的高强度小井眼钻井取心工具，对取心钻头和内筒总成进行了较大改进，并取得了良好的现场应用效果，为肯基亚克盐下油田的勘探开发提供了技术支持。

1 高强度取心外筒

受井眼条件限制，Ø149.2 mm 井眼取心工具壁厚一般设计为16～18 mm，强度基本可以满足正常的钻井取心要求。但肯基亚克盐下油田四开后井眼条件十分复杂，具体表现为井壁失稳，溢漏同层，密度窗口不好掌握，掉块及缩颈现象严重。正常钻进时扭矩可达8～9 kN·m，为满足在恶劣井眼条件的施工要求，设计了新型高强度取心工具（见图1），特点如下。

图1 取心工具结构Fig.1 Structure of the coring tool

（1） 外筒强度大，安全性高。外筒材料采用抗疲劳的35CrMo调质合金钢，外径 136 mm，内径96 mm，使其壁厚达到了20 mm，比普通的Ø149.2 mm井眼取心工具壁厚增加了 4 mm，故而外筒抗拉和抗扭强度都得到大幅度地提升，并采用高强度梯形螺纹带摩擦环的安全总成，提高了安全系数。

（2） 采用高强度螺纹设计。在加厚外筒的情况下，外筒螺纹由常规取心工具的每英寸6 牙，设计为每英寸5 牙，螺距加大。为了防止螺纹牙跟的应力集中，采用 60°圆螺纹，用标准的成型刀加工以增强外筒螺纹的抗拉强度［4］。

2 内筒总成改进

2.1 应用保形铝合金内筒

以往在该区块使用的各类取心工具均为钢制内筒，从应用效果来看，存在3个弊端，一是钢制内筒易腐蚀生锈，摩擦阻力大；二是原有内筒没有扶正装置，在扭矩较大、地层不均的情况下取心钻进极易发生蹩跳现象，内筒稳定性无法保证；三是盐下油藏灰岩地层坚硬易碎，出心时若操作不当容易对岩心造成二次破坏，失去研究价值。为此，设计了双节保形铝合金内筒作为新型取心工具的内筒。它是由2 根4.5 m 长的铝合金筒连接而成，双筒之间通过内筒扶正接头相连接，可起到扶正内筒的作用，更换和组装都极其方便。内筒材质为7075 优质铝合金，具有较好的抗拉耐磨性能，且内壁光滑，摩阻力仅为钢管的40%，减少了岩心的进筒阻力［5］，出心时可一次性切割更换，提高了对岩心的保护。

2.2 采用密封轴承

取心收获率低时通常存在一个共同现象，就是大量的岩心断面上出现磨光面，且成对出现（见图2）。通过分析判断，这些磨光面的出现和轴承的失效有很大关系。轴承所起的作用是防止内外筒一起旋转，即实现所谓的双筒单动功能，这样才能保证岩心与内筒之间不会发生转动摩擦。而当轴承失效后，内外筒一起旋转，导致岩心也随着内筒发生转动［6］，加上地层裂缝发育较多，整体性差，从而造成多节岩心以不同的速度旋转，在断裂面不断发生摩擦，逐渐形成了这些磨光面。而在互相研磨的同时，胶结差的岩心磨损丢失，从而导致取心收获率降低。

图2 岩心上的磨光面Fig.2 Polished surface on the core

经过分析，轴承不适应恶劣的井眼条件是导致轴承失效的主要原因。以往使用的是开放式润滑轴承，采用钢制轴承滚珠，允许钻井液通过对轴承进行润滑和冷却［7］。但是肯基亚克盐下油田具有井底压力高、温度高、钻井液密度高的特点，使得开放式轴承无法适应如此恶劣的井下工况，轴承有不同程度的刺漏和损坏。为此，专门使用了一种密封轴承来提高其适应能力，其具有以下几个特点［8］：

（1） 采用陶瓷球作为推力球轴承滚动体，不生锈、强度高、寿命长；

（2） 采用密封设计，避免了钻井液的冲刷，也阻挡了钻井液当中有害固相的腐蚀；

（3） 轴承套圈材料选用不锈钢9Cr18，代替轴承钢提高了套圈的防锈性能，且在硬度、耐摩擦性和耐腐蚀性等方面有了较大的提高。

2.3 防钻井液倒返装置

在以往的取心施工过程中，经常发生下钻到底开泵难的现象，有时甚至因为无法开泵而只能将取心工具起出重新通井，大幅度地增加了无效起下钻的次数。通过对起出工具的检查发现，大量的滤饼和井底岩屑堵塞了工具顶部的流通水眼是导致开泵困难的直接原因。通过分析，这与井底压力高、井壁失稳和井底沉砂掉块较多有很大关系。取心工具下钻时，钻头和井壁环空间隙非常小，而取心工具中心是一个较大的中通通道，下钻的激动压力驱使钻井液由内筒的中通通道向上倒返，加上井壁稳定性差，沉砂掉块较多，随钻井液进入钻铤后下落沉积在球座处，将水眼堵死，从而导致开泵困难［9］。为此，在内筒的顶部设计了一个防钻井液倒返装置（见图3），以起到阻止钻井液携砂上返的作用。利用一个翻板式浮阀［10］阀芯，在浮阀阀板上开一个小孔，小孔允许钻井液通过，但能阻止沉砂和掉块的通过。由于小孔的存在，内筒与上部投球通道还保持连通，所以岩心进筒时，不会影响上部回压阀的作用，也能保证下钻到底后的正常循环。

图3 防钻井液倒返装置结构图Fig.3 Structure of the fluid return preventing unit

2.4 使用篮式岩心爪

肯基亚克盐下油藏属于坚硬地层，应优选卡箍式岩心爪［11］。但是存在2 个问题，一是取心钻进机械钻速低，地层裂缝发育较多，钻头长时间的研磨容易导致岩心破碎；二是井眼易缩径造成钻具托压，有时因无法加上有效钻压而导致岩心直径变细。在这种情况下，单一的自锁式岩心爪无法有效保证取心收获率，很容易造成起钻时岩心掉落。为此，在割心总成里添置了篮式岩心爪［12］，采用卡箍岩心爪割心为主、篮式岩心爪为辅的方式，使得岩心只进不出，有效防止岩心的掉落（见图4）。

图4 篮式岩心爪Fig.4 Basket type core catcher

3 取心钻头改进

针对石炭系硬地层取心，曾在其他区块使用过Ø152.4 mm 人造金刚石取心钻头，综合性能表现较为良好，基本可以满足常规的取心任务。但是对于肯基亚克盐下油藏特殊的井眼条件，原有取心钻头结构存在2个缺陷：一是钻头为内洗式［13］，无水眼，其较小的流道面积容易导致泵压过高，对取心工具内部组件不利；二是原有钻头的排屑槽过于狭窄，岩屑不能得到有效清洗和排出，容易导致堵心的发生。为此，在综合考虑安全性、耐磨性和水力结构性能的前提下，对取心钻头进行了重新设计和改进（见图 5），特点如下：

（1） 钻头外径设计为148.2 mm，为非满眼取心钻头，以适应复杂的井眼条件，降低井下作业风险；

（2） 设计为6 刀翼PDC 取心钻头，切削齿直径8 mm，中锥形，使其对硬地层具有更好的适应能力，其耐磨性和耐高温性能也有所提高；

（3） 增设水眼，使流道面积增加至 690 mm2，减少钻头处的水力压降，提升冷却效果；其更宽的排屑槽也有助于提升清洗和排屑性能。

图5 PDC 取心钻头Fig.5 PDC coring bit

4 制定取心安全措施

针对肯基亚克盐下油藏特殊的井眼条件，尽量简化取心钻具组合，在钻具组合上严禁携带扶正器［14］，以保证取心作业安全进行。在原有取心作业操作规程的基础上，提出了进入四开裸眼段后必须遵循的几点安全措施：

（1） 进入四开裸眼段后，要严格控制下钻速度，不得超过0.5 m/s，防止对井壁造成破坏和井底激动压力过高；

（2） 每下钻15 柱打通水眼1次，打通水眼要遵循“分多次，缓慢开”的原则，密切观察泵压变化，防止泵压过高憋漏地层；

（3） 下钻剩最后1柱时打通水眼，打通原则同上；正常开泵后，用最慢速度下放钻具，下放到底后充分循环钻井液，清洗井底；

（4） 若井底有沉砂导致遇阻，可稍带转速，小钻压剥离清除，并经常活动钻具，切勿大段划眼；期间密切观察扭矩表，防止扭矩过大，一切正常后方可取心钻进；若遇阻严重，扭矩异常，则不能继续冒险尝试，应尽快起钻［15］。

5 实例应用

新型小井眼取心技术已在肯基亚克盐下油田进行了2口井的现场应用（见表1），累计完成取心进尺82 m，累计岩心长度77.15 m，平均取心收获率94.09%。

表1 小井眼取心技术现场应用情况Table 1 Field application of slim whole coring technology

在811A 井发生过取心结束后起钻遇卡情况，采用一系列措施成功解卡后，工具起出状态完好，探伤检查合格。新型PDC 取心钻头的综合性能也表现良好，取心钻进时扭矩和机械钻速保持平稳，使用寿命也有所提高。

6 结论

（1） 针对肯基亚克盐下油田小井眼取心难点，结合特殊的Ø149.2 mm 井眼四层井身结构钻井特点，在取心工具强度、取心钻头适应性、内筒稳定性等方面做了较多的研究和改进，有效克服了该区块地质条件复杂、钻井液密度高等因素所带来的技术难题，应用效果显著，值得进一步推广应用。

（2） 采用了密封轴承和铝合金内筒后，多次取心未见磨光面，提高了岩心的完整性；篮式岩心爪的使用也解决了起钻时岩心掉落问题，取心收获率和岩心质量都得到了有效保障。

（3） 防钻井液倒返装置能有效解决井底沉砂上返堵塞钻井液通道的问题，减少了无效起下钻的次数，提高了取心作业效率的同时也节省了深井钻探的成本。同时对于高压油气藏的钻探开发，该装置在一定程度上也起到了防止钻具内溢流和井喷的作用。

（4） 简化钻具组合，有针对性的制定安全施工措施，及时准确地掌握参数变化并进行有效处理，对于高风险井取心作业至关重要。

参考文献：

［1］王一博，朱筱敏，王继平，李德江，杜金玲.肯基亚克盐下油田二叠系层序地层及沉积特征［J］.天然气工业，2010，30（1）：42-44.WANG Yibo, ZHU Xiaomin, WANG Jiping, LI Dejiang,DU Jinling.Sequence stratigraphy and sedimentary features of the Permian in pre-salt Kenjiyake oilfield,Kazakhstan［J］.Natural Gas Industry, 2010, 30（1）: 42-44.

［2］陈来军，石文玉，杜平，骆骥，李清磊.肯基亚克油田高密度水平井钻井技术集成应用［J］.西部探矿工程，2015（12）：21-24.CHEN Laijun, SHI Wenyu, DU Ping, LUO Ji, LI Qinglei.Drilling technology integrated application of horizontal wells using high density drilling fluid in Kenjiyake oilfield［J］.West-china Exploration Engineering, 2015 (12): 21-24.

［3］陈立，冯明，张金海，陈晓彬.超深井取心技术在塔深1井的应用［J］.钻采工艺，2007，30 （1）：1-3.CHEN Li, FENG Ming, ZHANG Jinhai, CHEN Xiaobin.Application of coring technology for ultra-deep well in well Tashen 1［J］.Drilling & Production Technology,2007, 30 （1）: 1-3.

［4］张国丽.欠平衡取心工具设计及现场应用研究［D］.大庆：东北石油大学，2015.ZHANG Guoli.Underbalance coring tool design research and field application［D］.Daqing: Northeast Petroleum University, 2015.

［5］梁海明，裴学良，赵波.页岩地层取心技术研究及现场应用［J］.石油钻探技术，2016，44（1）：21-22.LIANG Haiming, PEI Xueliang, ZHAO Bo.Coring techniques in shale formation and their application ［J］.Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44 （1）: 21-22.

［6］薄珉，扬立文，吴玉滨，孙文涛，王光玥.玻璃钢取心工具研制与应用［J］.石油钻采工艺，2001，23（1）：32-34.BO Min, YANG Liwen, WU Yubin, SUN Wentao,WANG Guangyue.Development and application of glass fiber reinforced plastic coring tool［J］.Oil Drilling &Prodution Technology, 2001, 23（1）: 32-34.

［7］朱永宜.KZ型单动双管取心钻具的研制与应用［J］.石油钻探技术，2006，34 （3）：19 -22.ZHU Yongyi.Development and Application of KZ single rotary and double tube core barrel［J］.Petroleum Drilling Techniques, 2006, 34 （3）: 19 -22.

［8］孙少亮.中长筒保形取心技术在页岩气井中的应用［J］.钻采工艺，2013，36 （5）：111-113.SUN Shaoliang.Application of shape-preserving middlelong barrel coring technology in shale gas wells［J］.Drilling & Production Technology, 2013, 36 （5）: 111-113.

［9］肖力彤，郑泳，郑嘉英，刘鸣，谢毅.“F”型新型钻具浮阀研制与应用［J］.钻采工艺，2010，33（4）：80 -82.XIAO Litong, ZHENG Yong, ZHENG Jiaying, LIU Ming,XIE Yi.Development and application of the "F" type drill pipe float valve［J］.Drilling & Production Technology,2010, 33（4）: 80 -82.

［10］张晓东，王庆仓，严永发，陶赟，蔡光林，杨文武.基于CFD的翻板式浮阀流场模拟分析［J］.石油矿场机械，2015，44（1）：22-26.ZHANG Xiaodong, WANG Qingcang, YAN Yongfa,TAO Yun, CAI Guanglin, YANG Wenwu.Simulation analysis of flow field of the flapper float valve based on CFD ［J］.Oil Field Equipment, 2015, 44（1）: 22-26.

［11］杨立文，孙文涛，罗军，王光玥，王俊明.GWY194-70B型保温保压取心工具的研制和应用［J］.石油钻采工艺 2014，36（5）：58-61.YANG Liwen, SUN Wentao, LUO Jun, WANG Guangyue,WANG Junming.Study and application of GWY194-70BB heat and pressure preservation coring tool［J］.Oil Drilling & Prodution Technology 2014, 36（5）: 58-61.

［12］孔志刚，于希.辽河油田古潜山储层钻井取心技术［J］.石油钻探技术，2014，42（3）：50-54.KONG Zhigang, YU Xi.Coring techniques for buried hill reservoirs in Liaohe oilfield［J］.Petroleum Drilling Techniques, 2014, 42 （3）: 50-54.

［13］杨立文，廖润康，孙文涛.LS241.3 mm松散地层取心工具的研制与应用［J］.石油钻采工艺，2000，22（3）：17-19，22.YANG Liwen, LIAO Runkang, SUN Wentao.Development and application of loose formation coring tool of LS241.3 mm［J］.Oil Drilling & Prodution Technology,2000, 22（3）: 17-19, 22.

［14］唐亮.肯基亚克油田钻井施工措施及轨迹控制技术［J］.中外能源，2010，15（4）：50-54.TANG Liang.Drilling operating measure and trajectory control techniques in Kenkyak oilfield［J］.Sino-global Energy, 2010, 15（4）: 50-54.

［15］陈世春.TZ5X-1大斜度定向井小井眼取心技术［J］.石油钻采工艺，2002，24（4）：26-28.CHEN Shichun.Slim hole coring techniques for highinclination directional well in well TZ5X-1［J］.Oil Drilling & Prodution Technology, 2002, 24（4）: 26-28.