破碎地層全封閉取心技術研究與應用

李 鵬

（中國石油長城鉆探工程有限公司鉆井一公司，遼寧盤錦 124010）

近年來，潛山已成為遼河油田的重要勘探領域，探明石油地質儲量逐年遞增，遼河油田也逐漸加大對潛山儲層勘探的力度。鉆井取心是認識潛山油氣藏石油地質特征和油氣分布規律的最直接手段，但是由于潛山地層容易發生破碎，鉆井取心的收獲率一直不理想。本文結合潛山地層的特點和現有取心工具的不足，通過研制一種全封閉取心工具和相關配套短節，優選施工參數，形成了破碎地層全封閉取心技術，有效提高了潛山破碎地層的取心收獲率。

1 取心難點及技術現狀

1.1 取心難點

遼河油區潛山主要包括太古宇變質巖潛山和元古界碳酸鹽巖潛山，變質巖和碳酸鹽巖潛山儲層共同的特點是都屬于裂縫型油藏，儲集空間主要是裂縫和孔隙，地層受風化、溶蝕作用嚴重，非均質性強[1]。取心設計一般要求見顯示取心，取心層位都是在裂縫或孔隙發育、孔隙度較大、油氣顯示較好的井段。在取心鉆進時，巖心由于取心鉆頭的攪動以及圍壓的減小，易發生破碎，不能呈柱狀，碎塊的巖心形狀不規則且堅硬，有時會發生“堵心”現象，巖心不能順利進入內筒，導致巖心收獲率降低；大多數情況下，破碎巖心可以進入內筒，但是由于碎塊的尺寸小于巖心爪的最小收縮內徑，在起鉆過程中巖心非常容易掉落，造成收獲率下降，甚至“空筒”。

據統計，2019年至今，遼河油田潛山地層總共取心34筒，累計取心進尺121.30m，累計巖心長度59.25m，收獲率僅48.85%，其中包括4次“空筒”，遠不能滿足地質勘探開發的要求。

1.2 技術現狀

目前常用的取心工具，一種是常規自鎖式取心工具，使用卡箍式巖心爪，適用于中硬-堅硬且膠結性好的地層，割心時上提鉆具，卡箍式巖心爪鎖緊巖心柱直至將其拔斷；另一種是松散地層取心工具，使用“一把抓”巖心爪，適用于松軟、膠結性差的地層，割心時采用機械或液力加壓的方式，是使“一把抓”巖心爪彎曲合攏，切斷并包裹住巖心下部，防止在起鉆過程中巖心掉落。

根據以往潛山地層取心經驗，一筒巖心可能整段都是成型、堅硬的巖心柱，可能全是碎塊，也可能兼而有之，即同時存在破碎嚴重和成柱性良好的狀況。現用的取心工具有各自的針對性，都不能很好地滿足潛山地層取心需求。

前期對雙巖心爪割心方式進行了研究，即在常規自鎖式取心工具的卡箍座下部安裝“一把抓”巖心爪，如圖1所示，卡箍式巖心爪適用于巖心成柱的狀況，“一把抓”巖心爪適用于巖心破碎的狀況。但是實際應用結果顯示，在破碎堅硬地層旋轉鉆進時，“一把抓”巖心爪容易發生從根部斷裂的現象，造成井下落物，而且，潛山取心層位一般深3 000～4 500m，循環泵壓高，工具銷釘容易提前剪斷，“一把抓”巖心爪提前閉合，從而導致取心作業失敗。

圖1 雙巖心爪割心裝置

本文介紹一種適用于潛山破碎地層的全封閉取心工具及其配套工藝，用于提高破碎地層的取心收獲率。

2 全封閉取心工具

全封閉取心工具是在常規自鎖式取心工具的基礎上進行改進，主要結構包括安全接頭、外筒、內筒、液力提升裝置、旋轉總成、調長總成、復合割心裝置、取心鉆頭等。

2.1 復合割心裝置

復合割心裝置包括自鎖式割心裝置和全封閉割心總成，前者可以鎖緊并拔斷成柱性較好的巖心，后者可以封閉取心鉆頭內孔防止破碎巖心掉落，提高巖心收獲率。

全封閉割心總成的閥體與鉆頭內腔通過螺釘連接，蓋板隱藏在卡箍座與鉆頭內壁之間。在取心鉆進完成后，通過液力提升裝置提升內筒總成，如果巖心破碎，自鎖式割心裝置順利上行，露出蓋板，蓋板在彈簧作用下閉合，完成割心操作；如果巖心成柱性較好，自鎖式割心裝置鎖緊巖心柱，上行受阻，可以通過泵壓顯示判斷出來，此時可以上提鉆具，拔斷巖心。

2.2 液力提升裝置

液力提升裝置的作用是通過投球憋壓的方式提升內筒總成，主要由提升接頭和提升滑套組成，兩者的相對位置由銅銷釘固定。在割心時，投放鋼球堵死提升接頭內部流道，提升接頭與提升滑套之間的腔室憋壓，銅銷釘被剪斷，提升滑套沿著提升接頭上行，提升滑套下部與內筒總成相連接，因此整個內筒總成上行，提升滑套上部安裝有一個懸掛卡簧，上行一定距離后可以懸掛在安全接頭上，同時提升接頭與提升滑套之間的高壓腔室泄壓，恢復鉆井液的正常循環。

3 投球接頭

在油氣層進行取心時，按照井控要求，應在取心工具上部安裝止回閥，因此無法通過在地面投球的方式進行割心。針對實際情況，設計一種投球接頭，安裝在破碎地層全封閉取心工具上部，通過調節鉆井液排量的方式進行投球操作。

投球接頭的工作原理為：在鉆井液通過投球滑套的內部通道時，由于流道橫截面積的變化產生壓力降，進而在投球滑套上產生軸向壓力，軸向壓力使安裝在投球滑套外面的彈簧壓縮，隨著流量變大，軸向壓力變大，彈簧壓縮量變大，投球滑套下行，鋼球下行到接頭下體橫截面變大處時，鋼球掉落，完成投球操作。

4 旁通接頭

投球割心時，銅銷釘被剪斷（剪切壓力設計為12MPa），提升滑套沿提升接頭上行，如果巖心成柱性較好且堅硬，自鎖式割心裝置鎖緊巖心柱，提升滑套行程不到位，泵壓會一直上升直至憋泵。為防止此種情況發生，設計一種旁通接頭，使得泵壓不得超過22MPa，防止憋泵情況的發生。

旁通接頭工作原理：旁通活塞通過銷釘固定在泄壓接頭本體上，旁通活塞與本體之間的腔室與環空連通，割心操作發生憋壓時，鉆具內部與環空之間存在壓差，對旁通活塞施加向下的力，隨著泵壓升高，壓差變大，旁通活塞受力后剪斷銷釘下行，直至活塞旁通孔與接頭本體旁通孔連通，鉆井液回復正常循環。

5 取心施工措施

針對潛山地層容易破碎的特性，應優選取心鉆頭，優化施工參數，盡量保證取心施工平穩，減少巖心碎裂，使其順利進入內筒。

1）全封閉取心工具設計適用于215.9mm或241.3mm井眼取心作業，工具上部依次連接投球接頭和旁通接頭。

2）選用孕鑲、表鑲、小齒多刀翼的PDC取心鉆頭。

3）在不影響取心鉆進速度的前提下，盡量降低轉盤轉速，一般不超過60r/min。

4）為保證鉆進過程中的平穩性，鉆具組合中至少保證有6根鉆鋌。

5）適當降低排量，減少鉆井液對巖心的沖蝕。

6）在下鉆過程中，中途循環時的泵壓不得超過6MPa，防止剪切銷釘被提前剪斷，影響取心效果。

7）取心鉆進完成后，加大鉆井液排量完成后投球，如泵壓升高至12MPa后迅速恢復正常，說明巖心破碎，內筒總成被提起并懸掛在安全接頭上，全封閉割心裝置的蓋板合攏，割心完成；如果泵壓升高至12MPa后繼續上升，升至20MPa后恢復正常，說明巖心成柱性良好且堅硬，泄壓接頭開始旁通循環，上提鉆具拔斷巖心，完成割心操作。

6 現場應用情況

破碎地層全封閉取心技術在遼河油田潛山地層進行了6口井的現場應用，共取心12筒，累計取心進尺48.78m，累計巖心長度43.20m，平均取心收獲率88.56%，取得了良好的應用效果。具體數據如表1所示。

表1 破碎地層全封閉取心技術現場應用情況

7 結論

1）破碎地層全封閉取心技術主要包括全封閉取心工具、投球接頭和旁通接頭三個主要組成部分，可以大幅提高潛山破碎地層的取心收獲率，由原來的48.85%提升至目前的88.56%，應用效果顯著，值得進一步推廣應用。

2）全封閉取心工具采用復合割心裝置，可同時適用于巖心破碎嚴重和成柱性良好的情況，液力提升裝置結構簡單可靠，銷釘剪切壓力穩定，用于割心時提升內筒總成。

3）投球接頭滿足鉆具下部安裝止回閥的井控要求，施工時允許正常鉆井液排量循環，最后通過加大排量的方式在井下完成投球操作。

4）旁通接頭設定22MPa的安全值，可以在取心工具內部鉆井液流道發生堵塞的時候開啟，防止出現憋泵現象。

5）破碎地層取心施工時應制定詳細的操作規程并嚴格執行，盡量減少巖心的破碎，使巖心順利進入內筒。