俄罗斯远东亚极地海域钻井取心技术.pdf

第 37 卷 第 2 期 2015 年 3 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING offshore drilling; coring technology; coring bit; Okhotsk Sea 基金项目 中国石化集团国际石油勘探开发有限公司项目“北维尼凝析气田大位移井钻完井技术研究” （编号RS012009） 。 作者简介 王建宁， 1981 年生。2008 年毕业于俄罗斯国立石油天然气大学海洋钻井专业， 获硕士学位， 现主要从事海洋钻井技术管理工 作， 工程师。电话13269397382。E-mailjnwang.sipc。 俄罗斯远东鄂霍次克海属于亚极地环境海域 ［ 1］ 。 从 2005 年起中国石化集团承担该海域萨哈林 -3 号 项目的油气勘探作业。该海域一年内大部分时间被 冰层覆盖， 每年海上钻井作业窗口不到 90 d［2-3］。取 心作业效率直接影响到钻井施工进度。根据区域地 层特点对井下取心钻具、 地面处理工具进行了严格 优选， 同时制定了合理的施工方案， 最终提高了取心 效率， 节约了宝贵的施工时间。 1 远东亚极地海域钻井取心的主要困难 （1） 亚极地海域狭窄的作业时间窗口对取心效 率要求极高。如果取心作业时间过长就会影响到后 续作业的完成。2011 年 12 月“克尔斯卡娅”号自 升式平台就是由于在该海域作业时间超期， 致使拖 航时遭遇恶劣天气而沉没。为了提高取心效率， 设 计要求取心平均机械钻速不能低于 2 m/h 且不能出 石油钻采工艺 2015 年 3 月（第 37 卷） 第 2 期36 现由于事故而导致的返工。否则后续的油气测试将 没有时间进行。 （2） 对取心收获率的要求很高。由于该海域勘 探程度较低， 一般要求取心收获率不低于 90 并尽 量保持岩心原始形态、 防止断心和冲蚀以利于地质 研究。 （3） 取心地层可钻性差。取心层段埋藏较深， 平 均在 3 000 m 左右。岩性以致密性泥质砂岩为主。 地层研磨性较高， 非均质性较强， 含有大量泥质粉砂 岩硬质夹层和砾石夹层， 对取心钻头的要求较高。 取心时有可能遭遇堵心、 卡心、 卡钻和钻头崩齿等问 题。 （4） 井下复杂情况多。在 215.9 mm 井段， 钻井 液循环压力高， 正常钻进时可达 17.4MPa， 曾经造成 钻具刺漏。地层温度较高， 预测超过 120℃。以上 2 点对取心钻具特别是取心内筒的材质提出很高要 求。地层应力状态不理想， 井壁容易产生剪切破坏 致使井壁大量掉块， 该情况曾出现在 V-3 井 215.9 mm 井段正常钻进过程中［4］。井壁失稳掉块会给取 心作业带来憋钻、 卡钻等复杂情况［ 5］。 （5） 低温环境下海雾严重。亚极地环境下， 作业 期间海面平均温度低于 5℃， 造成大雾天气超过三分 之一。高盐高湿的雾气给平台甲板上岩心处理设备 带来严重影响。电气设备易发生短路等安全故障。 2 远东亚极地海域钻井取心技术措施 根据前期已有的少量钻探经验， 结合目前钻井 取心技术的发展实际， 摸索出一套适合于亚极地海 域窄时间窗口下高效取心作业措施。 2.1 取心工具的优选和配置 2.1.1 钻头 区域内地层非均质性严重， 纵向上岩 性多变［ 6］。泥质砂岩、 泥质粉砂岩、 硬质泥岩和砾 岩互层频繁。根据已有钻井经验， 优选使用切削齿 尺寸适中、 吃入地层能力强、 机械强度高、 机械钻速 优越、 适用于中硬且有一定研磨性致密地层、 同时适 应硬夹层和砾石夹层的取心钻头。为此， 对国内外 6 家生厂商 15 种型号的取心钻头进行了甄别优选。 最终选定了 215.9 mm FC3743 型 PDC 钻头作为本 区域主力取心钻头， 并在实际中取得了较好效果。 2.1.2 岩心爪 卡箍式岩心爪由于结构简单、 操作 方便， 所以事故率最低。该区域地层完整性较好、 几 乎无破碎， 属于卡箍式岩心爪的适用范围。最终优 选卡箍岩心爪型号为 H27X06CC， 岩心爪和缩径套 配合锥面的锥度为 1∶5。该型岩心爪内壁正常敷焊 有 16 条粒度为 25 目的碳化钨颗粒摩擦条， 整体摩 擦因数为 0.6。在进行长筒取心时， 可将摩擦条数提 高到 22 条， 摩擦因数可达到 0.82， 完全有能力锁紧 长达 60 m 的砂岩岩心。岩心爪在悬垂时上端自由 空间小于 10 mm 保证了岩心上行时岩心爪不会被顶 翻， 利于顺利钻进。 2.1.3 取心筒 取心外筒选用铬锰合金钢材质， 强 度高， 对内筒保护能力好。外筒外径 171.45 mm， 最 低可承受 20 kNm 扭矩。在选择取心内筒时对玻璃 钢、 塑料、 铝制和钢制等材料进行了逐个分析， 最终 选择了铝制材料内筒。铝制内筒有材质轻、 耐高温、 承重能力强、 易切割和摩擦因数小等优点。在 3 口 井的取心实践中均未发生堵心、 卡心和管内折心等 问题， 表明铝制内筒收心能力强、 性能稳定、 适合高 机械钻速取心作业。 2.1.4 安全接头和悬挂装置 安全接头主要作用是 当取心外筒在井下被卡时， 可倒开安全接头提出内 筒和岩心， 增加取心的成功率。对于 18 m 以下的中、 短取心作业选用常规垫圈调节式悬挂装置。即当内 筒下入后， 需上提钻具出井口检查内筒和钻头内台 肩的距离， 再视情况增减悬挂接头处的垫圈， 以达到 内筒和外筒相互独立的目的。对于 18 m 以上的长 筒取心， 由于大钩高度限制， 内筒一旦安装完毕就不 能再将钻具提出井口。因此就需选用内嵌式悬挂装 置， 即内筒先通过可调螺纹悬挂于安全接头内部， 安 全接头再和外筒通过粗螺纹连接。内筒安装好后， 根据公式（1） ［7］计算出内筒最终自由伸长量再使用 “T” 型把手将内筒上旋至安全高度。此方法成功在 NV-3 井中使用。 AlFesfin 0.001 0.001 aaTT LG H --∆ （1） 式中， H 为手柄上旋高度， mm； aA1为铝的线弹性 系数， 取值 23.610-6/℃ ； aFe为钻杆线弹性系数， 1/℃ ； Ts为地表温度， ℃ ；Tf为油藏温度， ℃ ； Lin 为铝制内筒总长， m； ∆G 为钻进时内筒和钻头的安 全间隙， mm。 2.1.5 钻具组合方式 为提高钻具的稳定性和取心 质量， 减少井下事故。推荐使用刚性扶正器。取心 工具在井下的状态是一个压杆稳定问题， 只有增加 外管扶正器后才有利于增大临界钻压［8］。特别要求 在定向井中扶正器数量应与外筒数量一致。较为密 集的扶正器的使用有利于“双筒单动” 避免外筒弯 曲对内筒造成干扰， 有利于稳斜钻进， 便于卡准层位 和精确计算地层厚度。此外， 扶正器的使用还有利 于 PDC 取心钻头受力均匀， 延长钻头使用寿命， 有 利于井眼造型并降低割心起钻难度。 37王建宁等俄罗斯远东亚极地海域钻井取心技术 2.2 地面工具的选择 2.2.1 岩心保护槽 所有出井岩心都要使用气动绞 车甩下钻台。但亚极地海域气象条件不稳定， 阵风 可达 15 m/s 以上。此过程中如果不对岩心做必要保 护就容易产生磕碰， 影响岩心应力研究。为此设计 使用了岩心钢制保护槽。岩心内筒出转盘后既被固 定在保护槽内然后再送下平台。保护槽两端均安装 有滚轮， 利于在甲板上移动。 2.2.2 气动锯的使用 由于区域内海雾严重， 岩心 的切割选择使用了气动锯。仅需 1 根软管连接平台 气源即可。切割岩心快捷高效， 且避免了大雾天气 下电器短路故障。 2.3 取心作业施工方法 2.3.1 取心前准备 井眼规则、 井壁稳定是取心作 业的第一道保障。取心前最后 1 次起钻应通畅无阻， 钻井液性能稳定并循环干净， 井壁无坍塌掉块。所 有计划下井钻具均使用通径规通过， 确保钻具内部 无任何阻挡投球下落的障碍物。 取心钻头无论新旧， 下井之前都要重新检查切削齿和喷嘴的完整性。岩 心爪要张弛适度， 内敷摩擦条完好。取心外筒和内 筒确认无变形无裂痕。悬挂轴承转动灵活。方余配 置合理。 2.3.2 取心下钻 裸眼中下钻速度控制在 0.5 m/s 左右， 防止压力激动， 遇阻超过 3 t 时必须通井。在 造斜段、 高狗腿段和套管鞋附近控制下钻速度不大 于 0.3 m/s， 且不得旋转防止钻出新眼或剥落套管鞋 附近水泥块。下钻距井底约 9 m 时， 缓慢开泵并逐 步提高到正常排量以清井。投入钢球， 用 6570 正常排量推动钢球入位， 最终缓慢旋转下放钻具到 井底。下钻过程中操作要平稳柔和， 不猛放猛停， 避 免井下压力震荡， 防止不必要的井下事故。 2.3.3 取心钻进 树心时要控制钻压在 11.5 t， 转 数不超过 50 r/min， 树心约 0.4 m 左右。树心质量关 系到最终的岩心收获率。取心钻进的前 23 m 调 整钻进参数以达到最大机械钻速。对于 215.9 mm 井段， 在避免憋钻、 跳钻前提下， 控制钻压在 7 t 左 右， 排量控制在 25 L/min 以内， 转数控制在 8090 r/ min。取心过程中要送钻均匀， 不能停转停泵， 更不 能随意将钻具提离井底。连贯稳定的钻进参数有利 于 PDC 钻头寿命的延长［9］， 也利于在本区域砾石层 中钻进。每钻进 0.5 m 记录 1 次钻进参数， 以便了解 井下情况、 判断参数的优劣。 2.3.4 割心起钻 割心起钻是取心作业的第一步， 司钻动作要更加谨慎。钻至割心深度后打高黏钻井 液清井、 录取砂样。停止转动， 上提钻具使岩心爪下 行抓紧岩心， 超拔 3 t， 拔断岩心。如果岩心未断则适 当加大排量， 最大超拔到 5 t 并稳住直到岩心拔断。 此过程中不得频繁上下活动钻具避免岩心爪功能失 效造成岩心落井。岩心割断后上提 3 m， 再下放到距 井底 0.5 m 以检验是否有岩心落井， 但不得故意触碰 井底。之后起钻， 起钻过程中尽量不要旋转， 如果遇 阻超过 15 t 可适当以低转数划眼通过， 并保持排量 直到岩屑出井。起钻速度控制在 0.5 m/s 左右， 避免 井底抽汲。 3 应用效果 （1）SA-1 井位于阿达博金区块， 水深 76 m， 是区 域内一口重点探井， 完钻井深 3 067 m。在下努托瓦 组和奥克贝凯组各取心 1 次， 取心井眼直径为 215.9 mm。采用优选的 215.9 mm FC3743 型 PDC 取心 钻头、 H27X06CC 型岩心爪和铝制内筒。此井取心 难度较大， 实际取心地层倾角达到 15， 钻井液密度 1.781.79 g/cm3。实际取心效果较好， 平均机械钻速 为 5.2 m/h， 取心收获率达到 99.3， 比计划节约时间 1.8 d。取心情况见表 1。 表 1 SA-1 井取心数据 取心段 /m进尺 /m 心长 /m 收获率 /地层 2 734.632 744.9310.3010.30100.0下努托瓦组 2 937.012 954.9017.8917.6998.8奥克贝凯组 合计 / 平均28.1927.9999.3 取心钻具组合为215.9 mm 取心钻头 213 mm 扶正器 178 mm 取心筒 悬挂总成和安全接 头 165.1 mm 钻铤 165.1 mm 振击器 127 mm 加重钻杆 127 mm 钻杆。取心钻进参数为 钻压 29 t， 泵压 1215 MPa， 排量平均为 1 400 L/ min， 顶驱转数为 5065 r/min。 （2）NV-1 井是 NV 油田的发现井， 水深 40 m， 完 钻井深 3 252 m。实际取心 2 层， 分别为上努托瓦组 和下达吉组。仍采用 215.9 mm FC3743 型 PDC 钻 头、 H27X06CC 型岩心爪和铝制内筒， 取心机械钻速 达到 9.1 m/h， 取心收获率为 91.23， 比计划节约时 间 2.5 d。取心数据见表 2。 表 2 NV-1 井取心数据 取心段 /m进尺 /m 心长 /m 收获率 /地层 1 639.121 656.2017.0815.5591.10上努托瓦组 2 720.202 738.7118.5116.9291.40下达吉组 合计 / 平均35.5932.4791.23 石油钻采工艺 2015 年 3 月（第 37 卷） 第 2 期38 取心钻具组合为215 mm 取心钻头 213 mm 扶正器 178 mm 取心筒 悬挂总成和安全接 头 215.9 mm 钻铤 振击器 127 mm 加重钻 杆 127 mm 钻杆。钻进参数为钻压 4.55.5 t， 平均泵压 3.45 MPa， 平均排量为 890 L/min， 顶驱转 速为 50 r/min， 扭矩为 6.513 kNm， 钻井液密度 1.3 g/cm3。 （3）NV-3 井是 NV 油田发现后的 1 口探边井， 完钻井深 3 832 m， 最大井斜 21.54 。取心层段为 一层， 位于上达吉组。取心钻具共下井 3 次， 钻遇多 个砾石层， 且首次采用了长筒取心作业， 即 1 次取心 长度超过 18 m。取心钻具沿用优选的 215.9 mm FC3743 型 PDC 钻头、 H27X06CC 型岩心爪和铝制 内筒。同时选用了岩心保护槽和气动锯。取心情况 请见表 3。 表 3 NV-3 井取心数据 取心段 /m进尺 /m 心长 /m 收获率 /地层 2 9903 0314140.999.8上达吉组 3 0313 084.653.653.6100上达吉组 3 0853 1031818100上达吉组 合计 / 平均166.6112.599.9 该井取心钻具结构和 SA-1 井、 NV-1 井类似， 只在取心筒之间均安装有扶正器以提高钻具的稳 定性， 利于在斜井中稳斜钻进。平均机械钻速高达 12 m/h， 取心收获率也达到 99.9。该井实际收获岩 心长度 112.5 m， 但仅下井 3 次， 比计划节约用时 14 d， 给平台按时拖离井场创造了条件。在上述 3 口井 中， 该井实际取心长度最长， 节约施工时间也最多， 表明亚极地海域取心技术的应用越来越成熟。 4 结论 （1） 在俄罗斯远东亚极地海域通过对取心工具的 优选和对施工措施的合理安排可节约施工时间， 且 取心层段越长、 节约时间越明显。 （2）所 优 选 的 关 键 取 心 工 具 如 215.9 mm FC3743 型 PDC 钻头、 H27X06CC 型岩心爪和铝制 内筒等非常适合在该区域泥质砂岩为主夹杂有泥质 粉砂岩硬质夹层和砾石层的地层使用。配合合理的 钻进参数， 机械钻速可达 12 m/h， 取心收获率可保持 在 90 以上。 （3） 岩心保护槽和气动锯的使用改善了岩心出井 后的操作条件， 保证了大风和海雾等极端天气下岩 心和人员安全。 （4） 根据区域地层实际， 制定出了合理的钻进参 数和操作注意事项。避免了井下事故的发生， 保证 了作业期间无中断， 无返工。 （5） 通过钻具优选和合理钻进参数的制定切实提 高了亚极地环境下海上钻井取心效率， 缓解了狭窄 时间窗口对钻井周期的制约。 参考文献 ［1］ MILLER CHARLES B, FROST BRUCE W, BOOTH Beatrice, et al. 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