ZY-B型大斜度井密閉取心工具研究與應(yīng)用

(中國(guó)石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001)①

鉆井取心所獲取的巖心是認(rèn)識(shí)油氣田和地層物性參數(shù)的重要資料，是油田勘探與開發(fā)的主要依據(jù)[1]。密閉取心作業(yè)需要在取心內(nèi)筒中預(yù)裝入密閉液，在巖心形成過程中密閉液保護(hù)巖心柱外部，使巖心不受鉆井液的污染，便于獲取真實(shí)的地層原始孔隙度、含油飽和度、水侵和含水率等資料，用以計(jì)算油氣地質(zhì)儲(chǔ)量，制定合理高效的勘探、開發(fā)方案[2]。隨著大多數(shù)油田開發(fā)進(jìn)入中后期，及非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的推進(jìn)，大斜度井的比例逐漸增大[3]。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)油氣層及油氣分布情況，需要進(jìn)行大斜度井密閉取心。但是，現(xiàn)有的密閉取心工具只適用于直井段施工。因此，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)常采用先鉆導(dǎo)眼，在直井段進(jìn)行密閉取心。然后，回填井眼，再定向鉆進(jìn)，大幅增加了成本。為此，中石化中原鉆井工程技術(shù)研究院開展了大斜度井密閉取心工具研制，通過方案論證、關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)和工藝措施的制定，解決了大斜度井密閉取心技術(shù)難題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)W268-1井、BT4CX井、S29-4X井、YYP-5井等多口井的應(yīng)用表明，取心收獲率、密閉率等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足大斜度井密閉取心技術(shù)要求。

1 大斜度井密閉取心工具研制方案

分析了直井密閉取心和大斜度井密閉取心的技術(shù)特征，制定了大斜度井密閉取心工具研制總體方案。工具主要由上活塞、下活塞、懸掛總成、內(nèi)筒、外筒、巖心鎖緊機(jī)構(gòu)、取心鉆頭等組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1) 在直井密閉取心工具的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的懸掛總成，采用“雙筒單動(dòng)”模式實(shí)現(xiàn)取心外筒旋轉(zhuǎn)時(shí)保證取心內(nèi)筒靜止，防止巖心碎斷和部分鉆井液進(jìn)入工具內(nèi)腔，保證收獲率。

1—上活塞；2—分水水接頭；3—上接頭；4—T型接頭；5—軸承；6—軸承壓帽；7—外筒；8—鉆頭；9—巖心鎖緊機(jī)構(gòu)；10—下活塞。

2) 在內(nèi)外筒間隙處加裝扶正機(jī)構(gòu)，保證內(nèi)筒與外筒在同一軸線，避免內(nèi)筒偏磨，同時(shí)該套機(jī)構(gòu)不影響鉆井液正常流通。

3) 優(yōu)化改進(jìn)取心鉆頭內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，縮短取心內(nèi)筒與鉆頭底端的距離，避免巖心堆積在鉆頭與內(nèi)筒間隙處，合理設(shè)計(jì)內(nèi)腔喉道，使密閉液能順利排出，防止堵心，同時(shí)防止鉆井液直射巖心，提高密閉效果。

4) 設(shè)計(jì)新的巖心鎖緊機(jī)構(gòu)，卡心機(jī)構(gòu)采用自鎖式，由彈性巖心爪外錐面與縮頸套內(nèi)錐面形成接觸面，實(shí)現(xiàn)大斜度井割取巖心。

5) 根據(jù)大斜度井段取心鉆具組合工作狀態(tài)，對(duì)取心筒進(jìn)行了強(qiáng)度等分析，設(shè)計(jì)取心外筒、扶正器、替換接頭結(jié)構(gòu)，在大斜度井段連續(xù)取心的同時(shí)，不影響井眼軌跡控制。

6) 設(shè)計(jì)新的上活塞、下活塞總成，保證銷釘未剪斷前取心內(nèi)筒密閉液處于密封狀態(tài)，銷釘剪斷后下活塞總成能順利進(jìn)入內(nèi)筒，不影響巖心進(jìn)入內(nèi)筒。

2 懸掛總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大斜度井巖心柱處于非垂直狀態(tài)，稍有震動(dòng)就容易斷開。如果巖心本身有裂縫，就更容易斷裂。內(nèi)筒隨外筒高速旋轉(zhuǎn)，附著在內(nèi)筒內(nèi)壁的密閉液也隨內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生攪動(dòng)作用，類似于漩渦的形成，若巖心強(qiáng)度低，能夠把巖心扭斷，導(dǎo)致巖心破碎和磨損，影響后續(xù)巖心入筒，發(fā)生磨心堵心情況，影響取心效果。因此，需要設(shè)計(jì)外筒旋轉(zhuǎn)而內(nèi)筒不旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。

在轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)下，分水接頭、軸承壓帽和取心外筒旋轉(zhuǎn)，T型接頭、轉(zhuǎn)換接頭在圓錐滾子軸承的作用下相對(duì)靜止，實(shí)現(xiàn)密閉取心工具內(nèi)筒不隨外筒旋轉(zhuǎn)。

懸掛總成由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)換接頭組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由上活塞、分水接頭、活塞座、滾子軸承、支撐套筒、軸承座、軸承壓帽組成，將活塞座、滾子軸承、支撐套筒和軸承座封裝在分水接頭內(nèi)腔，軸承不受鉆井液直接沖蝕、減少了固相顆粒磨損和裝卸時(shí)碰撞，延長(zhǎng)了軸承使用壽命，活塞座下部與轉(zhuǎn)換接頭通過螺紋連接。其目的在于克服現(xiàn)有密閉取心工具內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致大斜度井取心時(shí)巖心破碎和收獲率低的缺陷。

3 內(nèi)筒扶正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于內(nèi)筒與外筒之間存在一定間隙，取心時(shí)內(nèi)筒下端受重力因素作用，會(huì)向外筒內(nèi)壁貼近，導(dǎo)致內(nèi)筒與外筒不在同一軸線上，影響巖心進(jìn)入。原直井取心工具內(nèi)筒扶正裝置多為弧形長(zhǎng)條狀固定裝置，加工的弧形長(zhǎng)條狀扶正塊焊接在內(nèi)筒外壁上，或直接在外筒下接頭內(nèi)銑成弧形長(zhǎng)條狀扶正塊。隨著大斜度井增多，它的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在扶正塊是固定的，與外筒接觸面積大，在取心內(nèi)筒自重力和巖心重力的影響下，扶正塊與外筒的摩擦力增大，易導(dǎo)致內(nèi)外筒一起旋轉(zhuǎn)，造成巖心斷裂，進(jìn)而引起磨心堵心事故。嚴(yán)重影響取心收獲率，給地層分析評(píng)價(jià)造成嚴(yán)重資料損失。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，內(nèi)筒扶正結(jié)構(gòu)由扶正器支架和扶正器滾針組成。扶正器支架為圓弧形結(jié)構(gòu)，扶正器支架內(nèi)外圓弧為同心圓弧，扶正器滾針為圓柱狀，該扶正裝置3組為1付，每組上下2個(gè)支架，3個(gè)滾針。3個(gè)滾針插入扶正器支架3個(gè)孔內(nèi)，并使?jié)L針本體與支架間保留0.5 mm間隙，以利于滾針轉(zhuǎn)動(dòng)。3組扶正器裝置均布焊接在距內(nèi)筒底端250 mm處的外壁上，將原本內(nèi)外筒之間的固定面摩擦改變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減小了內(nèi)外筒之間摩擦力，從而降低了內(nèi)外筒同時(shí)旋轉(zhuǎn)的幾率，減小了巖心斷裂引起磨心堵心事故，提高了巖心收獲率。

4 外筒扶正器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大斜度井存在井眼軌跡比較復(fù)雜的情況，需要不斷調(diào)整鉆具組合才能使井眼軌跡按設(shè)計(jì)進(jìn)行。針對(duì)大斜度井密閉取心時(shí)井眼軌跡難以控制的問題，設(shè)計(jì)了上下2個(gè)外扶正器。2個(gè)扶正器通過螺紋與取心外筒連接。還設(shè)計(jì)了外徑同外筒一致，長(zhǎng)度、扣型與扶正器一致的2個(gè)替換接頭。根據(jù)不同井眼軌跡的需要，形成3種結(jié)構(gòu)組合類型:

1) 按取心鉆頭、扶正器、取心筒、扶正器、分水接頭的順序連接為穩(wěn)斜鉆具組合。

2) 按取心鉆頭、扶正器、取心筒、替換接頭、分水接頭的順序連接為增斜鉆具組合。

3) 按取心鉆頭、替換接頭、取心筒、扶正器、分水接頭的順序連接為降斜鉆具組合。

通過扶正器、替換接頭、取心筒、分水接頭連接順序不同而產(chǎn)生3種結(jié)構(gòu)，配合鉆具組合分別實(shí)現(xiàn)井眼軌跡增斜、降斜、穩(wěn)斜的目的，滿足了大斜度井取心井段井眼軌跡控制的需要。

5 鉆頭設(shè)計(jì)

現(xiàn)有密閉取心工具，將密閉取心鉆頭作為縮徑套。巖心爪裝入鉆頭內(nèi)腔，且有一定活動(dòng)范圍，取心內(nèi)筒則在巖心爪之后，由內(nèi)筒下端面當(dāng)住巖心爪外臺(tái)肩，控制其活動(dòng)距離，造成取心內(nèi)筒距井底距離較遠(yuǎn)，不利于巖心進(jìn)入內(nèi)筒。

普通取心工具在內(nèi)筒下端安裝縮徑套，巖心爪裝在縮徑套內(nèi)，縮徑套直接插入取心鉆頭內(nèi)腔，縮短了巖心進(jìn)入取心內(nèi)筒的距離。但是每次出心都須將取心內(nèi)筒與外筒連接的螺紋卸開，然后將整根內(nèi)筒抽出，再卸掉縮徑套出心，出心時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，反復(fù)上卸螺紋、抽插內(nèi)筒容易引起工具損壞。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)體密閉取心鉆頭，它改變了鉆頭內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，提高水眼位置，避免鉆井液沖刷，內(nèi)筒與縮徑套連接，出心時(shí)卸掉鉆頭，可以直接卸開縮徑套出心，節(jié)省了工作時(shí)間，延長(zhǎng)了工具壽命。

6 大斜度井密閉取心施工工藝措施

在大斜度井取心，安全系數(shù)低，難度大，易發(fā)生卡鉆、井壁坍塌等井下事故，難以保證井下安全和巖心收獲率。根據(jù)上述情況，大斜度井取心除嚴(yán)格執(zhí)行直井取心措施外，還應(yīng)執(zhí)行下列技術(shù)措施：

1) 造斜段、穩(wěn)斜段井斜角、方位角都應(yīng)控制在設(shè)計(jì)下限。

2) 鉆井液性能嚴(yán)格按設(shè)計(jì)執(zhí)行。

3) 斜井段堅(jiān)持短程起下鉆，遇阻認(rèn)真劃眼，確保井眼暢通、井壁穩(wěn)定、無坍塌掉塊、無溢流、無漏失、井底干凈無落物。

4) 取心工具下至斜井段時(shí)，司鉆操作剎把必須控制下鉆速度，操作平穩(wěn)，不能出現(xiàn)任何失誤。

5) 下鉆速度控制在15 m/min。下鉆遇阻不超過30 kN。當(dāng)遇阻30 kN時(shí)，應(yīng)接方鉆桿開泵循環(huán)，并上下活動(dòng)鉆具，必要時(shí)可在取心技術(shù)人員指導(dǎo)下適當(dāng)劃眼，劃眼2 m應(yīng)上提鉆具，重新下放劃眼。若遇阻井段較長(zhǎng)或遇阻嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)起鉆通井。

6) 在斜井段內(nèi)鉆具靜止時(shí)間不得超過2 min 。

7) 記錄起下鉆具時(shí)的摩阻數(shù)據(jù)，作為取心鉆進(jìn)時(shí)的參考數(shù)值。

8) 取心鉆進(jìn)時(shí)的鉆壓應(yīng)考慮鉆具摩阻數(shù)據(jù)，適當(dāng)調(diào)整。

9) 取心鉆進(jìn)時(shí)每0.2 m記錄鉆時(shí)一次，根據(jù)鉆時(shí)，轉(zhuǎn)盤載荷，泵壓變化，地層巖性以及振動(dòng)篩出砂量等因素，綜合分析判斷井下情況，發(fā)現(xiàn)異常立即割心起鉆。

10) 起鉆遇阻，按正常鉆進(jìn)時(shí)起下鉆遇阻情況處理。應(yīng)避免鉆具劇烈振動(dòng)，以防掉心。

7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

為了檢驗(yàn)工具在井底復(fù)雜條件下的工作狀態(tài)，首先在鉆井一公司全尺寸試驗(yàn)井進(jìn)行了功能性試驗(yàn)，試驗(yàn)井段 1 730.0～1 735.3 m ，井斜89. 6°，取心進(jìn)尺5.3 m，心長(zhǎng)5.3 m，收獲率100%，密閉率為95.45%，地層巖性為灰?guī)r夾白云巖。試驗(yàn)成功后，又在W268-1井、BT4CX井、S29-4X井、YYP-5井等多口井進(jìn)行了應(yīng)用，均獲得了成功。

7.1 YYP-5井應(yīng)用情況

YYP-5水平井所屬斯倫貝謝延長(zhǎng)區(qū)塊，位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部局部構(gòu)造，是我國(guó)第1口陸相非常規(guī)油頁(yè)巖評(píng)價(jià)井，鉆探目的為預(yù)探三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的天然氣產(chǎn)能。取心地層巖性以碳質(zhì)泥巖、油頁(yè)巖為主，夾泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，取心段井斜角60°，地層傾角1°。

7.1.1技術(shù)參數(shù)

1) 鉆具組合。?215.9 mm取心鉆頭+取心筒+?158.8 mm DC×6根+?127 mm HWDP×15根+?127 mm 鉆桿。

2) 鉆井液性能。密度1.17～1.2 g/cm3，粘度56 s，失水4 mL。

3) 鉆進(jìn)參數(shù)。鉆壓30～60 kN，轉(zhuǎn)速40～60 r/min，泵壓4.5 MPa，排量18～22 L/s。

7.1.2取心概況

YYP-5井水平井全井共取心5筒，井段為1792.5～1799.42 m和1829.4～1844.80 m，累計(jì)進(jìn)尺22.32 m，心長(zhǎng)19.28 m，平均收獲率86.4%，密閉率為96%。累計(jì)純鉆11.85 h，平均機(jī)械鉆速為0.53 m/h，單筒最高收獲率99%。

7.2 BT4CX井應(yīng)用情況

BT4CX井位于新疆維吾爾自治區(qū)巴楚縣內(nèi)，設(shè)計(jì)井深6 037 m，地層壓力系數(shù)2.01 g/cm3，井液密度2.02 g/cm3，井徑平均擴(kuò)大率21.85%，表明地層易坍塌，需優(yōu)化鉆井液性能，防止井壁失穩(wěn)。該井取心井段5 107.0～5 117.4 m，取心井段最大井斜68°，兩次取心工具下鉆至5 060 m左右均遇阻嚴(yán)重。采用取心工具劃眼，大排量循環(huán)等措施下鉆到井底。劃眼時(shí)參數(shù)為鉆壓5～15 kN，轉(zhuǎn)速30～45 r/min，排量25 L/s，泵壓20～22 MPa,確保井眼暢通。井底干凈后樹心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓30～60 kN，轉(zhuǎn)速50～60 r/min，排量19 L/s，泵壓18～20 MPa。累計(jì)取心進(jìn)尺10.4 m，心長(zhǎng)10.20 m，平均收獲率98.07%，密閉率95%。

8 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的密閉取心工具能滿足大斜度井密閉取心需要，可實(shí)現(xiàn)雙筒單動(dòng)和密封功能，有利于保護(hù)巖心的完整，有效保證取心收獲率和密閉率。

2) 制定的取心工藝措施，涵蓋鉆進(jìn)參數(shù)、施工流程、安全措施等方面，完善了大斜度井的密閉取心工藝技術(shù)。經(jīng)過工具入井功能性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)多口井應(yīng)用，收獲率、密閉率均達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指標(biāo)要求。

3) 通過扶正器與替換接頭互換，配合鉆具組合，分別實(shí)現(xiàn)井眼軌跡增斜、降斜、穩(wěn)斜的目的，滿足了大斜度井取心井段井眼軌跡控制的需要。

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[1] 李讓，肖國(guó)益，夏彬，等. 深井密閉取心技術(shù)在普光8井的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2008，30(1)：38-42.

[2] 李讓，呂躍斌，彭彬，等. 自鎖式深井密閉取心工具的研制與應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41(4)：57-60.

[3] 王興武，李讓，王志明，等.我國(guó)西部地區(qū)超深井鉆井取心技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2010(11)：63-66.