GW-CP194-80A型保壓取心工具的研制

楊立文 蘇 洋 羅 軍 孫少亮

中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

0 引言

保壓取心技術(shù)可以使取出的巖心保持在原始地層壓力狀態(tài)下，能最大限度地減少巖心中油氣等組分的損失，進而準(zhǔn)確求取井底條件下儲層流體飽和度等重要地層參數(shù)，是目前最先進且技術(shù)難度最高的鉆井取心技術(shù)[1-3]。根據(jù)行業(yè)需求，保壓取心技術(shù)現(xiàn)主要被應(yīng)用于油氣勘探開發(fā)、海洋資源勘探和地質(zhì)勘查等領(lǐng)域[4-7]。近年來，我國的保壓取心技術(shù)已取得了較大的進展，并逐漸形成了海上繩索式保壓取心技術(shù)和陸上起鉆式保壓取心技術(shù)兩大技術(shù)類別。2017年5月，中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院研制的天然氣水合物（以下簡稱水合物）保溫保壓取心工具在我國南海海域水合物賦存區(qū)進行了13筒次的現(xiàn)場試驗，9筒次成功獲取到水合物巖心樣品，打破了國外繩索式水合物保壓取心技術(shù)的壟斷[8-9]。中國石油集團長城鉆探工程有限公司（以下簡稱長城鉆探公司）工程技術(shù)研究院具有完善的保壓取心技術(shù)研發(fā)和服務(wù)能力，連續(xù)多年進行起鉆式保壓取心技術(shù)研究和應(yīng)用，2014年研制出GWY194-70BB型保壓取心工具，保壓能力為20 MPa、所取巖心直徑為70 mm，綜合技術(shù)水平在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位[10]。但是，較之于國外同類產(chǎn)品，國內(nèi)現(xiàn)有的保壓取心工具在巖心直徑和保壓能力兩項主要技術(shù)指標(biāo)方面尚存在著明顯的差距，尤其是在保壓能力方面，成為制約保壓取心技術(shù)向深井以及深海鉆探拓展的技術(shù)瓶頸[12]。為此，長城鉆探公司基于GWY194-70BB型保壓取心工具，設(shè)計研發(fā)了GW-CP194-80A型起鉆式保壓取心工具（以下簡稱新工具），所取巖心直徑由70 mm提升至80 mm、保壓能力由20 MPa提升至60 MPa。新工具在陸上油田進行了5口井27筒次的現(xiàn)場試驗和應(yīng)用，取得了平均取心收獲率為87.5%、保壓成功率達(dá)92.6%的良好效果。

1 新工具的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

1.1 新工具的結(jié)構(gòu)及原理

GW-CP194-80A型保壓取心工具主要由液壓差動總成、上部密封機構(gòu)、測量總成、保壓內(nèi)筒總成、球閥密封裝置、外筒和取心鉆頭組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

新工具的工作原理是：保壓內(nèi)筒的下端連接球閥密封裝置，上部依次連接測量總成、上部密封機構(gòu)和液壓差動總成。取心鉆進時，球閥處于打開狀態(tài)，巖心通過球閥進入保壓內(nèi)筒。鉆取完巖心后，差動總成可在液壓作用下進行差動，并帶動內(nèi)筒相對外筒做反向抬升運動，在此過程中，上部密封機構(gòu)和球閥密封裝置同時被關(guān)閉，完成內(nèi)筒的保壓密封。測量總成可以對內(nèi)筒中的溫度和壓力進行連續(xù)測量和存儲，通過細(xì)小的趨勢變化可以更加詳細(xì)地了解巖心樣本在起鉆過程中油氣成分的揮發(fā)分解過程。

圖1 GW-CP194-80A型保壓取心工具結(jié)構(gòu)圖

1.2 新工具的主要技術(shù)參數(shù)

GW-CP194-80A型保壓取心工具的主要技術(shù)參數(shù)包括：工具總長8.00 m，外徑194 mm，取心鉆頭尺寸215.9 mm；單次可取巖心長度6.0 m，巖心直徑80 mm，額定保壓60 MPa；割心方式為液力加壓和自鎖式割心相結(jié)合[12]，采用鉆具起下作業(yè)方式。

2 新工具關(guān)鍵部件的研制

2.1 大通徑球閥密封裝置

對于保壓取心工具來說，巖心直徑和保壓能力互為制約關(guān)系，提升保壓能力勢必要犧牲巖心直徑。長城鉆探公司前期研制的GWY194-70BB型保壓取心工具采用70 mm通徑球閥，保壓能力20 MPa，僅能滿足淺井保壓取心作業(yè)。為了實現(xiàn)巖心直徑和保壓能力的同步提升，通過對70 mm通徑球閥密封裝置進行材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進，設(shè)計研制了80 mm通徑可受控轉(zhuǎn)動的機械式旋轉(zhuǎn)大通徑球閥密封裝置，如圖2所示。

圖2 大通徑球閥密封裝置圖

球閥在下鉆和取心鉆進期間為打開狀態(tài)，取心鉆進時，巖心通過球閥進入內(nèi)筒，鉆取巖心完成后，在內(nèi)外筒差動作用下旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，實現(xiàn)內(nèi)筒下部密封[13]。該裝置以40CrMo合金鋼為原料，配合采用高性能密封圈，額定保壓60 MPa。

2.2 高強度保壓內(nèi)筒總成

為了滿足煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣藏地層條件，同時滿足地面巖心冷凍、切割現(xiàn)場作業(yè)需求，保壓內(nèi)筒應(yīng)具有低摩阻、強度大、易切割的特點。經(jīng)過系列材質(zhì)優(yōu)選，保壓內(nèi)筒選用7075型超硬鋁合金，調(diào)質(zhì)處理，并采用加強螺紋提升其承壓能力[14]。為模擬井下作業(yè)工況，保壓內(nèi)筒與球閥密封裝置組成的保壓系統(tǒng)通過了室內(nèi)高溫高壓試驗，測試周期45 h，在測試周期內(nèi)分別進行了增壓、穩(wěn)壓、降壓試驗。其中最高試驗溫度70 ℃，最高試驗壓力86 MPa，穩(wěn)壓15 h無壓力泄漏（圖3），使保壓系統(tǒng)具備了在深井高密度條件下的保壓取心作業(yè)能力。

圖3 高溫、高壓試驗數(shù)據(jù)圖

2.3 內(nèi)提式液壓差動總成

差動總成的作用是使內(nèi)、外筒產(chǎn)生差動位移，在差動過程中觸發(fā)球閥關(guān)閉機構(gòu)和上部密封機構(gòu)，實現(xiàn)保壓內(nèi)筒的上下同步密封。GWY194-70BB型保壓取心工具采用機械式差動總成，差動方式為內(nèi)筒不動，外筒下行。因此存在著外筒與井壁摩擦的問題，如果井眼不規(guī)則或摩阻較大，容易導(dǎo)致外筒下行困難，差動失敗。GW-CP194-80A型保壓取心工具采用內(nèi)提式液壓差動總成，工作時通過投球，利用液壓作用剪斷銷釘并進行差動，在差動過程中外筒不動，內(nèi)筒在外筒內(nèi)部完成提升，因而避免了井斜因素對差動效果的影響，可以滿足大斜度井、水平井保壓取心作業(yè)需求。

2.4 上部密封機構(gòu)

受保壓取心工具結(jié)構(gòu)影響，內(nèi)筒上部無回壓閥，巖心進入內(nèi)筒后，內(nèi)筒中的鉆井液通過巖心與內(nèi)筒之間的縫隙從下部排出。當(dāng)在煤層或破碎地層取心時，巖心易將縫隙填充，封堵在內(nèi)筒中的鉆井液難以釋放，就會成為后續(xù)巖心的進筒阻力[15]。現(xiàn)場試驗證明，該種無回壓閥的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)極易造成內(nèi)筒壓力過高，甚至對巖心產(chǎn)生反向鉆壓作用力，加劇巖心的破碎和堵心。上下同步密封機構(gòu)是為防止堵心，減小巖心進筒阻力作出的特殊設(shè)計，在鉆進過程中可以起到保持內(nèi)筒內(nèi)外壓力平衡的作用，井底壓力測量數(shù)據(jù)也更為準(zhǔn)確。其原理是在內(nèi)筒上部設(shè)計一單向排壓閥，如圖4所示。

圖4 上部密封機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

在鉆取巖心過程中，單向排壓閥處于打開狀態(tài)，可將內(nèi)筒中的壓力和鉆井液及時排放出去。鉆進結(jié)束后，在差動作用下，上部密封活塞被頂進密封接頭，將單向排壓閥關(guān)閉，完成內(nèi)筒的上部密封。上部密封機構(gòu)配合球閥密封裝置，可實現(xiàn)保壓內(nèi)筒的上下同步密封。

3 新工具的配套工藝技術(shù)

由于非常規(guī)油氣資源成藏機理、賦存形態(tài)及開發(fā)技術(shù)不同于常規(guī)油氣資源，在進行保壓取心作業(yè)時，GW-CP194-80A型保壓取心工具提供了3種配套工藝技術(shù)，可根據(jù)常規(guī)及非常規(guī)油氣藏地質(zhì)特點和地質(zhì)需要進行配套工藝技術(shù)選擇，以下分述之。

3.1 液氮冷凍技術(shù)

保壓取心工具達(dá)到地面后，取心內(nèi)筒處于高壓狀態(tài)，要取出巖心而不能讓巖心中的油氣水損失，必須將巖心流體固化在巖心中[16]。液氮冷凍技術(shù)是利用液氮（常壓下溫度為－196 ℃）對保壓內(nèi)筒和巖心同時進行超低溫冷凍，冷凍后巖心油氣水組分完全保留，并可以對巖心進行切割、取樣、存儲和化驗分析。其主要原理是液體在變?yōu)楣腆w時，壓力消失，巖心中的流體因低溫失去流動和揮發(fā)性能，因而最大限度地減少了油氣等組分的損失?，F(xiàn)場試驗證明，保壓冷凍巖心孔隙中油氣水三相回收率可超過95.0%。

3.2 保壓密閉取心技術(shù)

保壓密閉取心技術(shù)是將保壓取心和密閉取心相結(jié)合，通過在保壓內(nèi)筒中加入密閉液，達(dá)到巖心保壓和密閉的雙重效果。密閉液可采用蓖麻油或氯化石蠟，具有良好的熱穩(wěn)定性、流動性及附著性能[17-19]。采用保壓密閉取心作業(yè)方式時，內(nèi)筒上部密封機構(gòu)回壓閥關(guān)閉，下部采用密閉頭將球閥中孔密封。取心鉆進時，密閉頭首先在鉆壓作用下被頂進內(nèi)筒，隨著后續(xù)巖心的進入，密閉液被等體積置換排出，并及時在巖心表面形成保護膜，進而起到保護巖心不被鉆井液侵入和污染的作用，從而獲取到更為準(zhǔn)確的原始油水飽和度。

3.3 保壓內(nèi)筒解吸技術(shù)

對于煤層氣藏和頁巖氣藏，含氣量和臨界解吸壓力是資源開發(fā)和地質(zhì)評價的重要指標(biāo)[20-22]。氣體解吸保壓內(nèi)筒是為煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)氣藏專門設(shè)計的特制保壓內(nèi)筒，內(nèi)筒具有增壓接口和氣體收集接口，到達(dá)地面后可不將巖心取出，直接進行游離氣收集、吸附氣解吸以及地層壓力下臨界解吸壓力特征觀測（圖5）。

為了使獲取的測試數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，解吸保壓內(nèi)筒單次取心長度為1.0～1.5 m，有利于準(zhǔn)確獲取單位體積下巖心含氣量數(shù)據(jù)。

圖5 氣體解吸保壓內(nèi)筒壓力測試圖

3.4 保壓取心的關(guān)鍵技術(shù)措施

根據(jù)GW-CP194-80A型保壓取心工具的技術(shù)特點，在井眼準(zhǔn)備、取心鉆進等環(huán)節(jié)制訂了以下措施。

1）為保證取心作業(yè)順利進行，在卡準(zhǔn)層位準(zhǔn)備取心之前應(yīng)徹底循環(huán)清洗井底，確保井眼干凈暢通，井底無落物。

2）水平井或造斜段取心，要求井身設(shè)計最大狗腿角小于等于5°，以確保取心工具正常下入。

3）取心作業(yè)前應(yīng)對鉆具進行通徑，取心鉆具組合中如需加入浮閥和隨鉆震擊器，必須保證能順利通過?50 mm加壓鋼球。

4）取心下鉆速度控制在12柱/h以內(nèi)，不得使用取心工具和取心鉆頭劃眼。

5）取心鉆進鉆井液排量8～10 L/s，循環(huán)排量10～15 L/s，轉(zhuǎn)速30～60 r/min，排量控制和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速應(yīng)能滿足取心鉆進要求。

6）現(xiàn)場配備離心機等固控設(shè)備，以降低鉆井液中有害固相含量，防止砂粒及巖屑影響球閥密封性能。

4 新工具的現(xiàn)場應(yīng)用效果

2017年以來，GW-CP194-80A型保壓取心工具已經(jīng)在遼河、大慶、四川等油氣田進行了5口井27筒次的現(xiàn)場應(yīng)用，累計完成取心進尺111.48 m，平均取心收獲率87.5%，保壓成功率92.6%。取心地層包括常規(guī)油藏、頁巖油藏、頁巖氣藏，并在深井和水平井保壓取心現(xiàn)場應(yīng)用中獲得成功，應(yīng)用情況見表1。

4.1 深井保壓取心現(xiàn)場應(yīng)用

L11A井為頁巖油藏預(yù)探直井， GW-CP194-80A型保壓取心工具首次在該井進行了3 000 m以深深井保壓取心現(xiàn)場應(yīng)用。該井取心層位垂深為3 350 m，鉆井液密度為1.7 g/cm3，井底壓力為57 MPa。保壓取心工具選用6 m常規(guī)保壓內(nèi)筒，共計取心1筒次，取心進尺3.3 m，收獲巖心3.02 m，取心收獲率達(dá)91.5%。內(nèi)筒到達(dá)地面后測得筒內(nèi)壓力為49 MPa，保壓率為100%，平均巖心直徑為80 mm。該井保壓取心獲得成功，表明GW-CP194-80A型保壓取心工具具備了深井高密度條件下的保壓取心作業(yè)能力。

表1 GW-CP194-80A型保壓取心工具現(xiàn)場應(yīng)用情況統(tǒng)計表

4.2 水平井保壓取心現(xiàn)場應(yīng)用

B9-28井為常規(guī)油藏開發(fā)水平井，取心層位井斜65°。保壓取心工具選用6 m常規(guī)保壓內(nèi)筒，共計取心1筒次，取心進尺4.5 m，收獲巖心4.5 m，取心收獲率達(dá)100%。該井儲層巖性以長石巖屑砂巖和灰黑色泥巖為主，巖性較為致密，機械鉆速較低。割心時先采用自鎖式割心方式將巖心割斷，后投入加壓鋼球，鋼球落座后造成壓力升高，利用液壓作用將差動總成銷釘剪斷，使內(nèi)外筒成功進行差動。內(nèi)筒到達(dá)地面后發(fā)現(xiàn)球閥關(guān)閉良好，保壓率達(dá)100%。該井保壓取心獲得成功，表明GW-CP194-80A型保壓取心工具具備了水平井保壓取心作業(yè)能力。

4.3 頁巖氣保壓取心現(xiàn)場應(yīng)用

以YS-X井為例，該井為頁巖氣藏評價井，井型為直井，主要取心層位為龍馬溪組。保壓取心工具選用6 m常規(guī)保壓內(nèi)筒取心6筒次，選用1.5 m解吸保壓內(nèi)筒取心5筒次，共計取心11筒次，全部保壓成功。該井累計取心進尺39.23 m，收獲巖心38.06 m，取心收獲率達(dá)97.0%。該井由于采用了兩種保壓內(nèi)筒，在進行巖心地面處理時采取了不同的工藝措施，常規(guī)保壓內(nèi)筒到達(dá)地面后采用液氮冷凍技術(shù)進行處理，冷凍結(jié)束后進行了切割取樣和化驗分析；解吸保壓內(nèi)筒到達(dá)地面后無需冷凍，通過內(nèi)筒集氣接口直接進行了游離氣收集、成分測試和點火；游離氣收集完畢后又進行了吸附氣解吸、收集以及點火測試?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示，采用該技術(shù)獲取的單位體積巖心含氣量為鄰井常規(guī)取心技術(shù)獲取巖心的4～6倍，保壓、保氣效果顯著。

5 結(jié)論

1）大通徑球閥密封裝置和高強度保壓內(nèi)筒實現(xiàn)了巖心直徑和保壓能力的同步提升；內(nèi)提式差動總成和上部密封機構(gòu)解決了復(fù)雜井眼條件下保壓成功率低和取心收獲率低的難題，保壓取心工具綜合技術(shù)指標(biāo)得到顯著提高。

2）現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，GW-CP194-80A型保壓取心工具同時滿足了深井高密度條件下保壓取心作業(yè)和水平井保壓取心作業(yè)需求，性能可靠，適應(yīng)性強，為保壓取心技術(shù)向深井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的推廣應(yīng)用提供了寶貴的現(xiàn)場經(jīng)驗和技術(shù)支撐。

3）GW-CP194-80A型保壓取心工具配套技術(shù)完善，保壓、保氣效果顯著，可以為常規(guī)及非常規(guī)油氣藏精確計算含油、含氣儲量，合理制定開發(fā)方案提供真實的基礎(chǔ)資料和解釋依據(jù)，值得進一步推廣應(yīng)用。