李進(jìn) 張曉誠 李思洋 劉鵬飛 蔣廣蓬

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室 3. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 4. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

油氣開發(fā)過程中，獲取不同深度地層的地質(zhì)資料至關(guān)重要。在探井鉆井作業(yè)過程中，可利用隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)分析間接獲取儲層地質(zhì)信息[1-2]，但測井作業(yè)易受井眼尺寸、鉆井液濾失、固井質(zhì)量和設(shè)備的影響，同時對解釋人員專業(yè)水平要求較高。而密閉取心技術(shù)作為獲取儲層地質(zhì)資料的最直接手段，避免了鉆井液等外部因素對原始巖心的污染，可獲取地層的原始資料信息，對準(zhǔn)確描述油氣儲層孔滲飽等性質(zhì)，指導(dǎo)鉆完井作業(yè)安全高效地實施具有重要意義[3-4]。

早在1980年，常規(guī)取心技術(shù)在中硬地層和疏松砂巖地層取心收獲率已超過90%，而密閉取心技術(shù)的平均收獲率只有88.7%，平均密閉率75%[5]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，到2010年，密閉取心技術(shù)在頁巖氣井中取心成功，收獲率達(dá)到99%，標(biāo)志我國密閉取心技術(shù)已經(jīng)達(dá)到常規(guī)取心水平，該技術(shù)也逐漸被推廣應(yīng)用到井眼軌跡更復(fù)雜、井斜更大、地層更松軟的地層。同年，大慶油田以93%的取心收獲率攻克了在松散地層密閉取心的難題[6]。2012年，勝利油田采用Rmb-8100型取心工具在坨28-斜檢1井成功實現(xiàn)了定向井密閉取心作業(yè)，取心段最大井斜30.5°，取心收獲率99.41%[7]。2016年，西部鉆探工程公司在躍8652井采用含浮動活塞結(jié)構(gòu)的MQX194-120取心工具，成功解決了砂巖地層取心時的卡心、巖心抽筒和掉心問題。大港油田提出合理卡層是保障密閉取心作業(yè)高收獲率的關(guān)鍵。2019年，大港油田在羊三木區(qū)塊松軟地層進(jìn)行密閉取心作業(yè)，為保障取心工具不受彎曲應(yīng)力影響，取心井的狗腿度和造斜率被嚴(yán)格限制，取心段最大狗腿度為每30 m 2.05°，最大井斜為5.53°，取心收獲率96.92%，密閉率88.64%[8]。2020年，大慶油田采用改進(jìn)后的雙筒雙動無懸掛軸承密閉取心工具在儲層巖石分選差、膠結(jié)松軟的方7井以90%的收獲率和95%的密閉率完成取心作業(yè)[9]。

海上油田受平臺空間限制，多采用少井高產(chǎn)、多層同采策略，主要以定向井和水平井開采為主[10]。在油田開發(fā)初期，取心以探井取心為主，井斜一般不超過50°[11-12]。而到油田開發(fā)中后期，加密調(diào)整是挖潛增儲的關(guān)鍵技術(shù)手段，往往需要在大斜度井中進(jìn)行取心作業(yè)，從而進(jìn)一步認(rèn)識儲層地質(zhì)性質(zhì)及變化。隨著井斜的增大，現(xiàn)有密閉取心工具及工藝技術(shù)無法滿足大井斜調(diào)整井取心需求，且該類井的取心在海上油田的需求越來越大，亟需通過技術(shù)攻關(guān)、升級和改進(jìn)密閉取心工具及工藝，滿足海上油田開發(fā)生產(chǎn)需求。

1 技術(shù)難點

密閉取心技術(shù)于2009年首次在渤海油田應(yīng)用[13]，目前已累計應(yīng)用近10口井，取心井段最大井斜為50°，取心收獲率86.7%～100%，具體參數(shù)如表1所示。

表1 渤海油田密閉取心井統(tǒng)計Table 1 Statistics of sealed coring wells in Bohai Oilfield

通過10余年的應(yīng)用實踐與探索，渤海油田先后實現(xiàn)了疏松砂巖儲層、硬地層和特殊復(fù)雜地層井段的密閉取心作業(yè)。常用的定向井密閉取心工具主要為Rmb-8100型，多采用機械加壓方式進(jìn)行割心，機械加壓迫使巖心爪收縮變形，保證巖心進(jìn)筒后不掉不漏[14-18]。同時，配合采用鋁合金襯筒，減小疏松砂巖取心進(jìn)通阻力，采用封閉式巖心爪防止砂巖膠結(jié)疏松而漏心。但隨著渤海油田大斜度井的取心需求逐漸增加、取心井段井斜角的增大，為密閉取心帶來了難題，具體如下：

(1)井斜角較大或井深較淺時，鉆具配重不夠、投鋼球不到位導(dǎo)致機械加壓取心工具無法割心或不滿足割心要求。

(2)取心鉆具在重力作用下易躺臥在井眼低邊，導(dǎo)致鉆具不居中，同時受復(fù)雜井眼軌跡摩阻的影響，極易導(dǎo)致取心工具在下鉆過程中鉆頭密封活塞銷釘提前剪斷，密閉液受到污染；另外，大井斜使得取心工具的內(nèi)筒居中度差，取心作業(yè)過程中巖心極易斷裂而導(dǎo)致堵心，影響取心收獲率。

(3)大斜度井摩阻與扭矩大，取心作業(yè)參數(shù)判斷困難，極易出現(xiàn)誤判而采取不適宜的技術(shù)措施，從而影響取心收獲率，甚至導(dǎo)致取心作業(yè)失敗。

(4)傳統(tǒng)水基密閉液密閉性能差，密閉率低。

2 取心成套技術(shù)

2.1 液力加壓取心工具

針對大斜度井取心作業(yè)特點，對Rmb-8100型取心工具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的取心工具型號為YLRmb-8100。工具結(jié)構(gòu)和參數(shù)分別如圖1和表2所示。

1—密封鋼球；2—加壓鋼球；3—泄壓盤；4—分水接頭；5—外巖心筒；6—內(nèi)巖心筒；7—巖心爪。

表2 YLRmb-8100液力加壓密閉取心工具參數(shù)Table 2 Parameters of YLRmb-8100 hydraulic pressurized sealed coring tool

由圖1可知，相比傳統(tǒng)的密閉取心工具，為滿足疏松地層、大斜度井或水平井等密閉取心需求，YLRmb-8100型取心工具采用球懸掛、液力加壓割心方式，通過液壓迫使巖心爪收縮變形，解決大斜度井機械加壓鋼球不居中的問題。YLRmb-8100取心工具工作原理為：取心鉆進(jìn)至設(shè)計深度后，投入1個?47 mm鋼球或尼龍球，開泵送球，球就位后鉆具內(nèi)流道被堵住，泵壓逐漸升高，達(dá)到7 MPa時承壓桿銷釘被剪斷，內(nèi)外筒分離，內(nèi)筒下行到鉆頭內(nèi)腔臺階處；繼續(xù)泵入鉆井液，液壓力通過內(nèi)筒傳遞到巖心爪上，巖心爪沿鉆頭內(nèi)腔的斜面收縮，割斷巖心并收攏；繼續(xù)泵入鉆井液至泵壓達(dá)到設(shè)定的泄壓壓力，泄壓盤上的螺釘被剪斷，鉆井液進(jìn)入旁通流道，泵壓被釋放，鉆具內(nèi)壓力恢復(fù)正常，割心完成。

結(jié)合YLRmb-8100型取心工具結(jié)構(gòu)和工作原理，其特點如下：

(1)采用三筒組合結(jié)構(gòu)，在取心內(nèi)筒中內(nèi)置保形襯筒，保形襯筒選用單根9.3 m鋁合金襯筒，具有耐高溫且不易變形的特點，出心時直接帶巖心切割襯筒并冷凍保存，滿足松軟地層取心保形的技術(shù)需求。

(2)采用密閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒頂部和鉆頭內(nèi)腔分別通過密封絲堵和活塞進(jìn)行密封，內(nèi)筒中充滿密閉液體，保護(hù)進(jìn)筒后的巖心不被鉆井液污染。

(3)巖心爪收縮后內(nèi)腔內(nèi)徑為25 mm，使疏松的油砂進(jìn)筒后在起鉆過程中不漏不掉。

(4)具有上下自動扶正功能，能夠保證在斜井取心時內(nèi)筒居中，防止巖心斷裂、錯位造成堵心。

(5)井斜較大時起下鉆摩阻較大，為避免起下鉆或劃眼過程中活塞受到早期破壞，內(nèi)筒采用浮動活塞結(jié)構(gòu)，可自動消除井眼液柱壓力對工具密閉性的影響，保證巖心的密閉率。

(6)工具設(shè)計有泄壓盤，當(dāng)立管壓力達(dá)到19～21 MPa時可剪斷泄壓盤銷釘泄壓，避免割心時工具內(nèi)憋壓。井口出心時可能會放炮傷人，須保證現(xiàn)場作業(yè)安全。

(7)設(shè)計備用憋壓工具，若井斜較大，憋壓鋼球可根據(jù)情況更換為密度較小的尼龍球，保證憋壓球順利到位。

2.2 取心鉆頭

在鉆進(jìn)取心作業(yè)過程中，鉆頭的結(jié)構(gòu)直接決定著泥餅的形成效果以及巖屑的特征，為提高鉆頭在大井斜復(fù)雜作業(yè)工況下的適應(yīng)性，對配套取心鉆頭進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如圖2所示。采用新型低污染鉆頭結(jié)構(gòu)，優(yōu)化刀翼的流道結(jié)構(gòu)、水眼水力和方位，使水眼向外側(cè)傾斜，可有效防止鉆井液射流對巖心的沖蝕，減輕對巖心的污染程度；增加抗回旋設(shè)計，有效控制鉆頭側(cè)向力，減輕鉆頭回旋，減少對巖心柱的損傷；鉆頭切削齒采用13 mm的PDC片，根據(jù)“等切削原理”布齒，確保取心過程中鉆頭的受力平衡，使鉆頭工作平穩(wěn)，磨損均勻。

圖2 密閉取心鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of sealed coring bit

2.3 新型合成基密閉液

傳統(tǒng)水基密閉液流動性和抗溫性差，在海上不能有效地密閉巖心。為適應(yīng)海上鉆井所需的鉆井液體系，提高巖心的密閉率、取心收獲率，保障大斜度井密閉取心效果，研發(fā)了一種新型憎水高分子膠體混合密閉液，其性能參數(shù)如表3所示。

表3 新型合成基密閉液性能Table 3 Performance of new synthetic-based sealing fluid

該合成基密閉液在隔離巖心和鉆井液的同時，既不會污染巖心，也不會被鉆井液所溶化，其性能特征如下：具有良好的黏附強度，能在巖心表面形成一層致密的保護(hù)膜以堵塞巖心表面的孔隙，阻止鉆井液進(jìn)入而污染巖心；流動性好，在巖心進(jìn)入內(nèi)筒的同時，密閉液易被替出；具有抗溫防腐能力，且其成分不影響巖心密閉率的測定。

2.4 現(xiàn)場作業(yè)措施

為了滿足大斜度井密閉取心作業(yè)需求，保障取心作業(yè)順利實施，制定現(xiàn)場取心作業(yè)措施：

(1)控制狗腿度、維持鉆井液性能、保證井壁穩(wěn)定，取心鉆具組合起下鉆遇阻不應(yīng)超過30 kN。

(2)鉆進(jìn)至設(shè)計取心層位，起鉆前進(jìn)行短起下作業(yè)，將井底處理干凈，保證井眼順暢。

(3)取心鉆進(jìn)前根據(jù)實際情況優(yōu)化鉆具組合，增強鉆具穩(wěn)定性；準(zhǔn)確測量鉆具上提下放摩阻，準(zhǔn)確探測井底。

(4)嚴(yán)格控制取心鉆進(jìn)參數(shù)，減輕鉆井液對巖心的沖刷，防止排量過低導(dǎo)致堵心；作業(yè)過程中根據(jù)地層變化，及時調(diào)整取心參數(shù)，要求技術(shù)熟練人員操作剎把，保證送鉆均勻，跟壓及時，防止鉆頭放空。

(5)地質(zhì)監(jiān)督通過精細(xì)化地層對比，確保在參數(shù)和巖屑混雜的不利情況下卡準(zhǔn)取心層位置。

(6)取心工程師做好監(jiān)測和判斷，保證取心收獲率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

渤海C油田A11S1井是一口側(cè)鉆調(diào)整井，為了評價該油田開發(fā)中后期的儲層孔滲特征及變化情況，計劃在明化鎮(zhèn)組取心2筒，取心段斜深1 351～1 388 m，垂深925.5～934.5 m，井眼直徑為311.15 mm(12in)，井斜角63.2°。該井設(shè)計采用密閉取心，其主要難點如下：取心層位埋藏較淺，壓實成巖差，巖心疏松易破碎；取心作業(yè)中易發(fā)生鉆井液沖掉巖心，堵心、磨心等問題，影響取心收獲率和密閉率；取心存在井眼不通暢、井壁不穩(wěn)定、摩阻扭矩大等問題；取心鉆具組合起下鉆困難，經(jīng)過側(cè)鉆窗口時存在鉆頭損壞或鉆頭密封活塞提前剪斷的風(fēng)險，影響井下安全。

針對A11S1井密閉取心面臨的難題，優(yōu)化設(shè)計取心鉆具組合：第一筒取心鉆具組合為取心鉆頭+YLRmb-8100取心工具(410扣)+轉(zhuǎn)換接頭+?203.20 mm DC×1+?304.80 mm扶正器+?203.20 mm DC×5+?203.20 mm(F/J+JAR)+HWDP+DP；第二筒取心鉆具組合為取心鉆頭+YLRmb-8100取心工具(410扣)+轉(zhuǎn)換接頭+?165.10 mm DC×9+轉(zhuǎn)換接頭+?203.20 mm(F/J+JAR)+HWDP+DP。取心作業(yè)過程中，按照表4所示參數(shù)進(jìn)行取心作業(yè)。

表4 A11S1井取心鉆進(jìn)參數(shù)Table 4 Core drilling parameters of Well A11S1

2022年8月，隨著第二筒巖心順利出井，該井完成2筒密閉取心作業(yè)，進(jìn)尺15.6 m，巖心長15.6 m，取心收獲率和密閉率均為100%，取心層位井斜高達(dá)63.2°，為渤海油田取心之最，打破了渤海油田最大井斜密閉取心紀(jì)錄，為今后在大斜度井中的密閉取心作業(yè)積累了經(jīng)驗。

4 結(jié) 論

(1)針對大斜度井面臨的取心難題，通過優(yōu)化密閉取心工具結(jié)構(gòu)、改進(jìn)取心鉆頭設(shè)計、研發(fā)新型合成基密閉液，創(chuàng)新形成了一套海上油田大斜度井密閉取心工藝技術(shù)，可有效保障取心收獲率和密閉率。

(2)大井斜密閉取心技術(shù)在渤海C油田A11S1井中成功應(yīng)用，在明化鎮(zhèn)組下段地層中密閉取心2筒，收獲率和密閉率均為100%，取心層位井斜角高達(dá)63.2°，突破了渤海油田密閉取心井斜極限，為渤海油田取心之最，為大斜度井密閉取心作業(yè)積累了經(jīng)驗。

(3)應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)從根本上保證了海上油田大斜度井取心的收獲率和密閉率，可準(zhǔn)確定量分析油層的油水動態(tài)，水淹油層情況及水驅(qū)油效果，為后續(xù)制定合理的勘探開發(fā)方案提供技術(shù)保障。