大井斜密閉取心技術及其在渤海油田的應用

李進 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. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司)

0 引 言

油氣開發過程中，獲取不同深度地層的地質資料至關重要。在探井鉆井作業過程中，可利用隨鉆測井數據分析間接獲取儲層地質信息[1-2]，但測井作業易受井眼尺寸、鉆井液濾失、固井質量和設備的影響，同時對解釋人員專業水平要求較高。而密閉取心技術作為獲取儲層地質資料的最直接手段，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，對準確描述油氣儲層孔滲飽等性質，指導鉆完井作業安全高效地實施具有重要意義[3-4]。

早在1980年，常規取心技術在中硬地層和疏松砂巖地層取心收獲率已超過90%，而密閉取心技術的平均收獲率只有88.7%，平均密閉率75%[5]。隨著技術的不斷發展，到2010年，密閉取心技術在頁巖氣井中取心成功，收獲率達到99%，標志我國密閉取心技術已經達到常規取心水平，該技術也逐漸被推廣應用到井眼軌跡更復雜、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井成功實現了定向井密閉取心作業，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構的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高收獲率的關鍵。2019年，大港油田在羊三木區塊松軟地層進行密閉取心作業，為保障取心工具不受彎曲應力影響，取心井的狗腿度和造斜率被嚴格限制，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、膠結松軟的方7井以90%的收獲率和95%的密閉率完成取心作業[9]。

海上油田受平臺空間限制，多采用少井高產、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]。而到油田開發中后期，加密調整是挖潛增儲的關鍵技術手段，往往需要在大斜度井中進行取心作業，從而進一步認識儲層地質性質及變化。隨著井斜的增大，現有密閉取心工具及工藝技術無法滿足大井斜調整井取心需求，且該類井的取心在海上油田的需求越來越大，亟需通過技術攻關、升級和改進密閉取心工具及工藝，滿足海上油田開發生產需求。

1 技術難點

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

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

通過10余年的應用實踐與探索，渤海油田先后實現了疏松砂巖儲層、硬地層和特殊復雜地層井段的密閉取心作業。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行割心，機械加壓迫使巖心爪收縮變形，保證巖心進筒后不掉不漏[14-18]。同時，配合采用鋁合金襯筒，減小疏松砂巖取心進通阻力，采用封閉式巖心爪防止砂巖膠結疏松而漏心。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，導致鉆具不居中，同時受復雜井眼軌跡摩阻的影響，極易導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筒居中度差，取心作業過程中巖心極易斷裂而導致堵心，影響取心收獲率。

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

(4)傳統水基密閉液密閉性能差，密閉率低。

2 取心成套技術

2.1 液力加壓取心工具

針對大斜度井取心作業特點，對Rmb-8100型取心工具進行優化改進，改進后的取心工具型號為YLRmb-8100。工具結構和參數分別如圖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—內巖心筒；7—巖心爪。

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

由圖1可知，相比傳統的密閉取心工具，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：取心鉆進至設計深度后，投入1個?47 mm鋼球或尼龍球，開泵送球，球就位后鉆具內流道被堵住，泵壓逐漸升高，達到7 MPa時承壓桿銷釘被剪斷，內外筒分離，內筒下行到鉆頭內腔臺階處；繼續泵入鉆井液，液壓力通過內筒傳遞到巖心爪上，巖心爪沿鉆頭內腔的斜面收縮，割斷巖心并收攏；繼續泵入鉆井液至泵壓達到設定的泄壓壓力，泄壓盤上的螺釘被剪斷，鉆井液進入旁通流道，泵壓被釋放，鉆具內壓力恢復正常，割心完成。

結合YLRmb-8100型取心工具結構和工作原理，其特點如下：

(1)采用三筒組合結構，在取心內筒中內置保形襯筒，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需求。

(2)采用密閉結構，內筒頂部和鉆頭內腔分別通過密封絲堵和活塞進行密封，內筒中充滿密閉液體，保護進筒后的巖心不被鉆井液污染。

(3)巖心爪收縮后內腔內徑為25 mm，使疏松的油砂進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，內筒采用浮動活塞結構，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)工具設計有泄壓盤，當立管壓力達到19～21 MPa時可剪斷泄壓盤銷釘泄壓，避免割心時工具內憋壓。井口出心時可能會放炮傷人，須保證現場作業安全。

(7)設計備用憋壓工具，若井斜較大，憋壓鋼球可根據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

在鉆進取心作業過程中，鉆頭的結構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雜作業工況下的適應性，對配套取心鉆頭進行優化改進，如圖2所示。采用新型低污染鉆頭結構，優化刀翼的流道結構、水眼水力和方位，使水眼向外側傾斜，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；增加抗回旋設計，有效控制鉆頭側向力，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“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，磨損均勻。

圖2 密閉取心鉆頭結構Fig.2 Structure of sealed coring bit

2.3 新型合成基密閉液

傳統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，研發了一種新型憎水高分子膠體混合密閉液，其性能參數如表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膜以堵塞巖心表面的孔隙，阻止鉆井液進入而污染巖心；流動性好，在巖心進入內筒的同時，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 現場作業措施

為了滿足大斜度井密閉取心作業需求，保障取心作業順利實施，制定現場取心作業措施：

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

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

(3)取心鉆進前根據實際情況優化鉆具組合，增強鉆具穩定性；準確測量鉆具上提下放摩阻，準確探測井底。

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

(5)地質監督通過精細化地層對比，確保在參數和巖屑混雜的不利情況下卡準取心層位置。

(6)取心工程師做好監測和判斷，保證取心收獲率。

3 現場應用

渤海C油田A11S1井是一口側鉆調整井，為了評價該油田開發中后期的儲層孔滲特征及變化情況，計劃在明化鎮組取心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；取心作業中易發生鉆井液沖掉巖心，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、井壁不穩定、摩阻扭矩大等問題；取心鉆具組合起下鉆困難，經過側鉆窗口時存在鉆頭損壞或鉆頭密封活塞提前剪斷的風險，影響井下安全。

針對A11S1井密閉取心面臨的難題，優化設計取心鉆具組合：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)+轉換接頭+?165.10 mm DC×9+轉換接頭+?203.20 mm(F/J+JAR)+HWDP+DP。取心作業過程中，按照表4所示參數進行取心作業。

表4 A11S1井取心鉆進參數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，進尺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錄，為今后在大斜度井中的密閉取心作業積累了經驗。

4 結 論

(1)針對大斜度井面臨的取心難題，通過優化密閉取心工具結構、改進取心鉆頭設計、研發新型合成基密閉液，創新形成了一套海上油田大斜度井密閉取心工藝技術，可有效保障取心收獲率和密閉率。

(2)大井斜密閉取心技術在渤海C油田A11S1井中成功應用，在明化鎮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積累了經驗。

(3)應用結果表明，該技術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，可準確定量分析油層的油水動態，水淹油層情況及水驅油效果，為后續制定合理的勘探開發方案提供技術保障。