1、天 然 气 勘 探 与 开 发 NATURAL GAS EXPLORATION AND DEVELOPMENT 140 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期筇竹寺组高角度裂缝储层取心复杂处理技术王 军1段绪林1余星颖2黄渝波1吴云开1李 宇1雷立鸥11.中国石油川庆钻探工程有限公司川东钻探公司2.中国石油川庆钻探工程有限公司试修公司摘要川南地区页岩气井下寒武统筇竹寺组是长宁威远国家级页岩气示范区勘探开发与产能建设重要的接替地层。Z201井在筇竹寺地层开展取心作业,面临高角度楔形裂缝发育、分布点多、井段长的地质复杂情况,取心起钻完采用常规敲击方式时出现了地面出心困难的技术难题,严重影响
2、取心作业的质量与效率。针对上述问题,围绕敲击效果提升与敲击力控制方法,自主设计研发了快速出心工具,并形成了配套处理技术:改变敲击位置,缩短敲击点与堵点岩心距离,增加震动效果;优化工具结构,扩大敲击接触面,减少震动应力,控制对取心筒的伤害;优化作业工艺,精准控制敲击力,强化使用后的检验、维护、保养,减少对取心筒的损伤。现场应用中,Z201 井筇竹寺地层完成 14 趟取心作业,取心进尺 171.50 m,心长 170.50 m,取心收获率高达 99.42%,岩心完整率 100%,取心筒完好率 100%。关键词川南地区页岩气井早寒武世取心出心复杂DOI:10.12055/gaskk.issn.167
3、3-3177.2023.03.017 Coring technologies for complex reservoirs of Longwangmiao Formation with high-angle fracturesWANG Jun1,DUAN Xulin1,YU Xingying2,HUANG Yubo1,WU Yunkai1,LI Yu1,and LEI Liou1(1.Chuandong Drilling Company,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited,Chongqing 401120,China;2.We
4、ll Testing and Workover Company,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited,Chengdu,Sichuan 610083,China)Abstract:The Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in southern Sichuan Basin is newly important replacement for exploration,development,and productivity construction in the Changning-Weiyua
5、n National Shale Gas Demonstration Area.However,coring in this formation of Z201 well was confronted with such geological complexities as well developed high-angle wedged fractures with ex-tensive distribution and long well intervals.Moreover,it is hard for cores to be picked out of the ground throu
6、gh traditional knocking,severely disrupting coring quality and efficiency.In order to improve and control knocking efficiency and force,a rapid picking tool was independently developed,and some supporting technologies were formed,including(i)to change knocking locations and to short-en the distance
7、between two points of knocking and blocking,thereby increasing an vibration effect;(ii)to optimize tool structure,to expand an contact area of knocking,to reduce vibration stress,and to control damage to coring cylinders;and(iii)to optimize opera-tional process,to precisely condition knocking force
8、and strengthen inspection and maintenance after use,and to minimize damage to the cylinders.These technologies have been applied to 14-trip coring in Qiongzhusi Formation of Z201 well,achieving coring footage of 171.50 m,core length of 170.50 m,core recovery as high as 99.42%,core integrity rate of
9、100%,and cylinder availability of 100%,respectively.Key words:Southern Sichuan Basin;Shale gas well;Early Cambrian;Coring;Core picked out;Complexity作者简介:王军,男,1980 年生,高级工程师,本科;主要从事钻井技术管理工作。地址:(400021)重庆市渝北区红石路 258 号。E-mail:duanxl1_王军等:筇竹寺组高角度裂缝储层取心复杂处理技术 141 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期0引言川南地区页岩气井下寒武统筇竹寺组
10、是长宁威远国家级页岩气示范区继下志留统龙马溪组勘探开发之后的产能建设重要接替地层。与龙马溪页岩地层比较,筇竹寺地层页岩裂缝更发育,岩石更破碎,渗透性更强,单次取心进尺更低。中国石油首口筇竹寺页岩气水平井 Z201 井更是出现了 2 个取心复杂井段,每个井段连续 5 趟地面出心困难,如果处理不好,就要破坏岩心,影响地质分析与下步勘探部署,或者损坏取心工具。通过国内文献调研1-25,没有发现类似报道。为此,自主进行快速出心工具设计研发,提升敲击效果,精准控制敲击力,解决筇竹寺页岩多裂缝地层取心复杂问题,确保岩心完整率、取心筒完好率。1取心难点与对策1.1作业难点Z201 井设计对筇竹寺组、麦地坪组
11、进行取心,取心进尺合计为 170 m,要求岩心直径 105 mm,岩心收获率达 95%以上(表 1)。实施难点主要在于:设计取心井段长,且不连续,起下钻次数多,作业时间长,井控风险大;筇竹寺组、麦地坪组含页岩、粉砂岩、泥岩、硅质、黄铁矿等,岩性混杂,取心钻头难以选择,机械钻速低,取心收获率难以保证;川南页岩气井筇竹寺组、麦地坪组取心次数少,目前仅完成威远 1 口井取心作业26,多次发生堵心卡心复杂情况;对该区域取心地层裂缝发育程度、发育特点认识少,堵心卡心判断难度大,单次取心进尺难以提高。表 1Z201 井取心要求一览表层 位取心段设计取心井段/m储层取心进尺/m岩心直径/mm收获率筇二段14
12、 400 4 415号15105 95%筇一2亚段24 510 4 570号60筇一1亚段34 710 4 770号60筇一1亚段44 820 4 835号15麦地坪组54 840 4 860201.2针对措施采用川 8-5 取心工具,加入随钻震击器,提高复杂处理能力;优选 PDC 取心钻头,提高机械钻速。优化形成的取心钻具组合为:214.4 mmPDC取心钻头+川 8-5 取心工具+配合接头+165.1 mm 止回阀+165.1 mm 无磁钻铤 1 根+165.1 mm钻铤 1 根+旁通阀 165.1 mm 钻铤 16 根+随钻震击器 165.1 mm 钻铤 3 根+127 mm 斜坡钻杆+
13、139.7 mm 斜坡钻杆。优化取心参数,钻压为 50 80 kN,转速为50 60 rpm;精细取心工艺27,做好实钻取心参数跟踪;应用“堵心卡心三三快速判断法则”、微钻时分析法及时判断是否堵心卡心,并用加压调整法正确处理,提高单次取心进尺,减少起下钻次数,降低作业风险。2出心困难分析Z201 井筇竹寺组取心作业中发生了多次复杂情况,主要是岩心裂缝发育,影响进尺,影响出心。深入分析该地层主要岩性特点、取心作业中的复杂表现,总结目前取心的作业痛点、卡点。2.1岩性特点筇竹寺组中上部以灰黑色、深灰色砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩为主,夹灰色粉砂岩,局部可见灰色、褐灰色灰岩,底为黑色页岩。2.2地面出
14、心困难的表现特点刚开始取心,地面出心就很困难。其中第 1趟进尺 16.8 m,发生卡心,起钻,采用常规敲击方式出心,不成功,观察岩心,发现底部有 1 m的高角度裂缝,岩心极为破碎,卡于取心工具内筒中,出心困难,只能破坏岩心疏通内筒;第 2趟取心进尺 18.2 m,取满起钻,收获率 100%,可见岩心有大段立缝,岩心在内筒中发生错位,采用敲击方式完成出心,但耗时较长;第 3 趟取心进尺 2.9 m,卡心起钻,心短,得以出心正常;第 4 趟取心进尺 18.1 m,心满起钻,岩心发育大王军等:筇竹寺组高角度裂缝储层取心复杂处理技术 142 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期段斜裂缝和竖直
15、裂缝,常规敲击出心,耗时长;第 5 趟取心进尺 18.0 m,心满起钻,多段岩心存在高角度斜缝,岩心成楔状,内筒卡心严重,用常规敲击方式已无法出心,建设方不允许再次破碎岩心,我方也不可能损坏取心工具,必须重新考虑出心工具和出心方案的问题。2.3取心作业复杂特点2.3.1取心井段多角度裂缝发育根据 Z201 井前 5 趟岩心形状分析,筇竹寺页岩地层存在大段的立缝、斜缝及平缝,钻进中多次卡心,岩心在内筒中形成楔状,导致出心困难。2.3.2常规敲击出心效果差钻井取心作业中,常规出心方式是采用大榔头敲击内筒最下端的加厚部位,靠震击力使岩心掉出内筒。如果岩石破碎,破碎岩心会严重卡在取心工具内筒中,因内筒
16、本体壁薄,不能敲击,就只有采用大力震击加厚部位,大力震击不仅引起岩心更加破碎,而且取心工具内筒加厚部位受长期大力的固定敲击,易变形,缩短内筒使用寿命;如果采用长筒取心,部分岩心卡在内筒顶端或中部,在最下端敲击的震击力传到上部岩心处已十分微弱,较弱的震击力对岩心出筒更无帮助,只有把内筒放在场地上,用小于内筒直径的长管线困难地捅岩心,此时捅出的岩心已十分破碎,更无任何分析价值。3取心复杂处理技术针对上述取心作业的卡点问题,取心人员进行了岩心分析,对比区域地质特点,仔细梳理了出心过程,并调研了类似井的取心作业过程,判断导致该井地面出心困难的关键问题是榔头手工敲击时的震动位置在岩心卡盘附近,距离岩心被
17、卡处太远,震动力不足,岩心受力偏小。必须针对取心筒结构,分析受力状态,研发出一种能同时提高岩心震动力、降低取心筒损伤的快速出心工具。3.1研制专用出心工具快速出心工具包括带有蒙板的缩径套和内筒保护套两部分组成(图 1),安装简易(图 2)。通过改进结构,取心筒受到敲击时的受力面积由 0.01 m2提高到 0.14 m2,榔头敲击时产生的震动力一般为 50 100 N,取心筒受到的震动应力由 5 000 10 000 N/m2降低至 357 714 N/m2,平均降低了 92.86%,实际上就是榔头敲击力可以提高 14倍,岩心受到的震动力可以提高 14 倍。3.2不同复杂情况下的使用方法针对不同
18、复杂情况,制订了相应配套措施:若吊起内筒在钻台上出心,就把带有蒙版的缩径套装在内筒最下端,将内筒放入外筒里或鼠洞内,再把内筒保护套卡在内筒相应位置,用榔头敲击内筒上的保护套,岩心受震击力,快速下落至缩径套处,再将内筒重新提出,卸掉有蒙版的缩径套,取出岩心;若吊起内筒在钻台下出心,就把保护套装在对应位置,利用气动绞车调节内筒高度,敲击保护套,实现快速出心;若岩心被卡不是很严重,由于出心时在内筒最下端加厚部位上装有岩心钳,敲击榔头十分不便,可把保护套装在内筒 1.5 m 高处,方便榔头敲击,比敲击加厚部位出心更快。3.3地面快速出心方案如果出心困难,及时停止敲击方式出心,颠倒内筒,使用快速出心工具
19、,进行反向出心,尽力保持岩心完整。快速出心工具位置推荐尽量靠近被卡岩心处。图 1快速出心工具示意图图 2出心工具安装示意图王军等:筇竹寺组高角度裂缝储层取心复杂处理技术 143 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期若采用颠倒内筒反向出心方式仍然较困难,尽量采用同一方向出心,避免双方向受力让岩心堵卡更严重。3.4地面出心困难的预防因地层岩石存在大段立缝、斜缝,取心钻进中易发生卡心、堵心现象,优化取心钻井参数,转速40 50 rpm,排量 18 20 L/s。如发生卡心、堵心,立即停止取心钻进,果断割心。优选取心钻头,改善流道。优化钻具组合,提高取心工具稳定性。保证入井取心工具性能 可靠
20、。4现场应用效果Z201 井筇竹寺页岩地层取心作业中出现的岩心裂缝数量之多,类型之全,分布井段之长,分布形态之特殊,地面出心之困难,在川渝地区皆为首见。但是通过出心工具改良和出心方案的优化,Z201 井成功完成筇竹寺组 14 趟取心作业,取心进尺 171.50 m,心长 170.50 m,取心收获率 99.42%,岩心完整率 100%,取心筒完好率 100%(表 2)。其中采用快速出心工具 6 趟,取心、出心过程艰难,但结果圆满(表 3)。表 2Z201 井取心指标统计一览表取心趟次取心井段/m进尺/m心长/m收获率起钻原因14451.0 4467.816.816.6599.1%卡心24467
21、.8 4486.018.218.20100%双筒取满34486.0 4488.92.92.5086.0%卡心44488.9 4507.018.118.50102.2%双筒取满54548.0 4566.018.017.9599.7%双筒取满64566.0 4570.34.34.30100%卡心74570.3 4588.518.218.20100%双筒取满84588.5 4607.018.518.50100%双筒取满94607.0 4625.018.018.00100%双筒取满104740.0 4757.517.517.2098.3%卡心114757.5 4763.05.55.2095.0%卡心1
22、24763.0 4765.22.22.1597.7%卡心134765.2 4770.35.15.0098.0%卡心144770.3 4778.58.28.20100%卡心表 3Z201 井应用工具出心统计一览表取心趟次出心方式复杂与处理过程1常规敲击+破坏岩心岩心底部有 1 m 高角度裂缝,岩心极为破碎,卡于取心工具内筒中,出心困难,破坏岩心疏通内筒2常规敲击岩心有大段立缝,岩心在内筒中发生错位,出心困难,耗时较长3常规敲击出心正常4常规敲击岩心分别有大段斜裂缝和竖直裂缝,出心较困难5专用工具多段岩心存在高角度斜缝,岩心成楔形状,内筒卡心严重,采用快速出心工具,用时 2 h,将内筒剩余 4.2
23、0 m 岩心出完。岩心分 3 段卡在内筒中。从上到下分别为0.50 m,0.27 m,1.10 m。岩心斜向破裂,上段和下段斜面方向相反6专用工具取心至井深 4 570.30 m,扭矩下降至空转扭矩 3 kNm,加压不能持续跟进,指重表不回,判断为卡心,割心循环起钻,出心困难,岩心卡于内筒,采用快速出心工具敲击内筒本体 2 段卡心点,出心成功。岩心分别有大段斜裂缝和竖直裂缝王军等:筇竹寺组高角度裂缝储层取心复杂处理技术 144 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期取心趟次出心方式复杂与处理过程7常规敲击取心钻进过程中多次扭矩异常,最高 20 kNm 顶驱憋停一次,出心困难,常规敲击出
24、心成功,岩心多条斜向,众向,横向,裂缝破裂8常规敲击所取井段没有钻遇平缝、斜缝、竖缝等破碎裂缝,岩石成塑性较好,出心内筒畅通,无阻卡,出心顺利9常规敲击所取井段没有钻遇平缝、斜缝、竖缝等破碎裂缝,岩石成塑性较好,出心内筒畅通,无阻卡,出心顺利10常规敲击岩心 3 处斜向裂缝,众向裂缝,横向裂缝破裂,出心比较困难,常规敲击出心成功,取心钻头损坏严重,磨损地方比较均匀,其他地方比较完好,硅质含量最高 20%11专用工具所取岩石岩心 3 条裂缝,多段岩心存在高角度斜缝,岩心成楔形状,内筒卡心严重,出心困难,常规敲击不能顺利出心,使用快速出心工具敲击内筒卡点出心12专用工具所取岩石岩心遇多段斜向破碎裂
25、缝,成楔子状卡死于内筒,不能顺利出心,使用快速出心工具敲击内筒本体卡点 30 min,出心成功13专用工具取心钻遇卡心,岩心大段斜向楔形破碎裂缝,卡死于内筒,常规敲击出心不成功,使用快速出心工具敲击内筒本体三段卡点出心14专用工具岩心顶部及中上部 4 条斜向裂缝破裂卡心,顶部 2 m 左右内筒里面,岩心卡死,采用快速出心工具敲击内筒本体出心成功5结论优化出心工具结构后,取心筒受到敲击时的受力面积由 0.01 m2提高到 0.14 m2,取心筒受到的震动应力由 5 000 10 000 N/m2降低至 357 714 N/m2,平均降低了 92.86%。自制的快速出心工具,可以最大限度地靠近取心
26、筒内被卡的岩心,提高了震动效果,适应于解决长井段、多点、多方向、硬脆性、高角度斜裂缝导致的岩心在取心内筒中形成楔状的地面出心困难问题。配套地面出心工艺有利于保护岩心,保护取心筒,减少取心作业复杂时间,降低作业风险。参考文献 1 胡畔,何超,向贵川.破碎地层高温高压密闭取心工具的研制及现场应用 J.钻采工艺,2016,39(1):89-91.HU Pan,HE Chao,XIANG Guichuan.Developing a sealed coring technology for broken formations or HTHP wells and its applicationJ.Dril
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