三筒取心技术在川南页岩气井的应用

卓 云 段绪林 刘 维 雷 波 邓 辉 陈 涛

川南地区是目前页岩气产能建设的主要区域之一[1-4]。该区域井主要以龙马溪组为目的层，含气性好，储层发育[5]。地质要求一般在龙马溪组一亚段取心50～100 m，取心井段长。目前采用单筒、双筒取心技术，平均单次取心进尺不到10 m，实际取心周期超过20 d。采用三筒取心技术，有利于提高单次取心进尺，减少起下钻次数，缩短取心周期，减少页岩层暴露后岩心在井内停留时间，提高岩心质量。

1 三筒取心主要风险与难点

1.1 取心收获率难以保证

1）龙马溪组硬度高，拔心拉力大，需经过多次上提、下放钻具以及摘挂泵和配合转动顶驱才能拔断岩心，岩心爪有可能变形，导致起钻中岩心掉井。

2）取心井段超过3 000 m，钻井液密度高，川南地区页岩层多数段成分不纯，非页岩的组分种类多，有碳质、灰质、硅质、粉砂质、有机质等，岩性复杂，起下钻阻卡多。遇严重阻卡，多采用低转速、倒划眼处理，有甩掉岩心的风险。

3）取心井段长，机械钻速低，导致取心钻进时间长，对设备性能要求高。若因设备故障或人为因素造成溜、顿钻，收获率得不到保障。

4）龙马溪组多含硅质、黄铁矿等，相对比较破碎，导致出心困难。出心极度困难时，只能把内筒倒向场地，割断内筒出心，影响取心收获率。

1.2 长时间空井增加井控风险

1）取心工具井口连接时间长。采用三筒取心，工具组装工序多、工具间隙调整时间相对较长，增加空井等待时间。

2）长段岩心出心时间长。若岩心破碎，会进一步增加空井等待时间。

3）龙马溪组为页岩气井目的层，储层发育，气显示活跃。若钻进中发生溢流，因拔心困难，钻具只能停留在井底，可能导致关井失败。

4）若出心时发生溢流，需将内外筒组装好后才能将工具提出井口，增加关井时间。

1.3 钻具刚性变化增加卡钻风险

1）川南地区龙马溪组钻井液密度高，横向差异大，安全窗口窄，平衡点难以准确掌握，容易井漏、垮塌，卡钻风险大。

2）设计采用川8-5取心工具，工具外径Ø180 mm，超过钻进中使用的钻铤外径（Ø165.1 mm）。三筒取心时，钻具组合的刚性变化大，遇阻卡几率增大。

3）川8-5取心工具抗拉强度1 400 kN，抗扭强度35 kN·m，三筒连接，降低了取心筒稳定性和抗复杂能力，遇阻卡后处理手段受限。

1.4 岩心重增加出心风险

1）计算30 m岩心，重650～700 kg。由于顶驱高度、钻具长度限制，用管钳卸缩径套的位置偏低，增加了操作难度和风险。

2）出心时的岩心卡盘卡在连接套上。若岩心破碎，极易卡在连接套内，难以出心。

1.5 地质与工艺因素影响取心效率

1）取心井段间断有硅质、暗色矿物等研磨性强的岩石，容易引起取心钻头先期磨损，影响取心进尺。据统计，川南地区龙马溪组单只取心钻头进尺为20～40 m。

2）龙马溪组岩石相对比较破碎，容易堵心、卡心，影响单次进尺。统计WY地区部分井，单次平均取心进尺6.78 m，最高为13 m。

3）龙马溪组岩石可钻性相对较差，邻井取心显示，黄铁矿条带、斑点发育，多数为灰质、硅质、砂质页岩，目前常用的金刚石取心钻头、PDC取心钻头，取心钻进平均机械钻速仅0.30～0.50 m/h。

2 三筒取心关键技术

1）井眼畅通，避免取心钻头划眼。若取心前一趟起下钻挂卡严重，应通井后再取心。

2）优化钻井液性能，减少摩阻，缓解托压。

3）首选PDC取心钻头，以提高单次进尺、提高机械钻速。

4）下钻完，循环排后效，大排量冲洗井底，用10～30 kN钻压进行树心，钻进0.30～0.50 m后逐步加至规定钻压钻进。

5）取心前测试空载扭矩。附加10～12 kN·m为取心钻进最高扭矩。

6）使用液压大钳紧卸扣，不得用转盘卸扣，防甩掉岩心。

7）需用短钻杆调整放入时，应接在最后一个立柱之下或在钻具未进入裸眼段前的立柱之间。

8）连接套丝扣卸完后，连接套仍套在岩心柱上，首先应将安全防护网装在内筒下端，防岩心四处飞溅伤人。再将连接套上部岩心闪断后，快速下放钻具，降低内筒高度，防止内筒中岩心快速掉落，引起岩心顺序错乱。最后在内筒下端的加厚处装上岩心卡盘正常出心。

9）因内筒中岩心较重，应在岩心卡盘手柄中套上加力管，防止出心失控。

10）三筒连接长度31.30 m。组合工具、出心时，提出内筒前，调整三处防碰天车，专人观察顶驱状态。组合工具、出心结束，恢复防碰天车设置。

3 现场试验效果

WY204井是川南页岩气井中的一口开发井。WY地区龙马溪组压力系数横向差异大[6-9]，WY204井实钻过程中，龙马溪组钻遇多个显示层，取心前钻井液密度由2.20 g/cm3调整至2.30 g/cm3，加之岩性混杂，非页岩的组分比例高，可钻性差，采用PDC钻头全面钻进时机械钻速仅2.5～3.0 m/h，处于该区域较低水平。为提高取心速度，减少岩心井内停留时间，在该井开展三筒取心试验获得成功，最高进尺25 m，取得取心作业的重大突破。

3.1 取心要求

WY204井Ø244.5 mm套管下至井深2 953 m，Ø215.9 mm井眼龙马溪组设计取心进尺为70 m。分别为：龙马溪组龙一2亚段底部页岩段垂厚20 m，龙一1亚段优质页岩垂厚约46 m，五峰组垂厚约1 m，进宝塔组垂厚3 m（表1）。

3.2 取心钻具

采用川8-5取心工具，岩心直径Ø105 mm （表2）。

表1 WY204井取心要求

表2 取心钻具组合及参数设计

3.3 取心指标

WY204井成功完成三筒取心，最高进尺25 m，平均进尺达21.66 m（表3）。取心周期12 d（含中途通井扩眼1趟1.7 d），同比节约钻井周期9 d（表4）。

4 结论与认识

1）针对川南地区龙马溪组地层页岩层发育、取心井段长的特点，实施三筒取心技术，缩短了取心周期，大大减少了岩心井内停留时间，为提高岩心质量奠定了基础。

2）装备配套、钻井液性能良好、取心工具配套是三筒取心成功的基础。

3）川渝地区长筒取心技术处于探索阶段，加之龙马溪组取心机械钻速还没有实现整体突破，取心筒不稳定性、长时间取心钻进卡钻风险显著增加，还需要在取心参数优化、取心钻头优选、卡钻风险控制、堵心卡心预防等方面深入研究和试验。

表3 取心进尺统计

表4 取心速度与NX202对比

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