松散地層密閉環(huán)保取心技術

蘇洋

中國石油長城鉆探工程技術研究院

大港港西、港東油田目前均已進入特高含水開發(fā)階段，油層水淹加劇，剩余油分散，挖潛難度加大。針對油田開發(fā)存在問題，在港西、港東油田分別部署X9-9-10密閉取心井和GX4-23密閉取心井，用于進行特高含水階段剩余油分布規(guī)律描述以及不同驅替介質(zhì)下儲層、油藏特征研究。大港港西油田斷層發(fā)育，構造形態(tài)平緩破碎，是典型的復雜斷塊油藏，主要開采層系為上第三系明化鎮(zhèn)組和館陶組，油層埋藏深度600～1 450 m；港東油田一區(qū)位于北大港構造帶，油藏類型為斷鼻構造，主力油層是明化鎮(zhèn)組下段明三層，油層埋藏深度為1 400～1 600 m［1-2］。由于港西、港東油田均屬于典型的高孔高滲疏松砂巖油藏，在前期試取過程中，X9-9-10井和GX4-23井取心收獲率分別只有78.3%和56.1%，密閉率分別只有66.6%和58%，且隨著國家環(huán)保要求的不斷提高，傳統(tǒng)密閉取心作業(yè)中不符合環(huán)保要求的問題也逐漸凸顯出來，無法滿足鉆井現(xiàn)場安全、環(huán)保的作業(yè)要求。為既能提高取心收獲率，又能保證密閉取心作業(yè)的高效和環(huán)保，筆者結合油田地質(zhì)特點和傳統(tǒng)密閉取心工藝存在的問題，通過優(yōu)化內(nèi)筒結構，改進密閉液處理工藝，制定詳細的密閉取心工藝措施，形成了適用于高孔高滲疏松砂巖油藏的松散地層密閉環(huán)保取心技術，優(yōu)質(zhì)高效地完成了X9-9-10井和GX4-23井的密閉取心作業(yè)。

1 技術難點

(1)港西、港東油田地層膠結性差，巖性疏松，在鉆進過程中巖心極易被鉆井液沖散而無法進筒，且疏松砂巖巖心進筒后在低圍壓下易膨脹破碎，堵心幾率較大，取心收獲率很難保證［3-5］。

(2)港西、港東油田目前均已進入特高含水開發(fā)階段，油層水淹加劇，井壁穩(wěn)定性差，且密閉取心結束后通常不循環(huán)鉆井液，連續(xù)取心作業(yè)下鉆遇阻頻繁，井眼處理難度增大［6］。

(3)為防止巖心結構被破壞，傳統(tǒng)松散地層密閉取心作業(yè)時一般在內(nèi)筒當中加裝PVC襯管，出心時需將PVC襯管連同巖心一起抽出，以確保巖心完整。在進行出心作業(yè)時，需要將PVC襯管從內(nèi)筒中抽出，此環(huán)節(jié)密閉液殘留、污染問題較為嚴重，并且如果取心作業(yè)在冬季進行，密閉液在低溫條件下黏度增大，極易導致PVC襯管與內(nèi)筒粘連而無法抽出，嚴重拖延施工進度，造成空井時間過長。

(4)取心井周邊分布注水井，地層水侵嚴重，返出鉆井液密度變低，空井時間過長易增大井控風險。在試取期間，由于出心進度緩慢，空井時間過長，X9-9-10井曾出現(xiàn)溢流險情。

2 主要取心工具

2.1 液力加壓式取心工具

針對港西、港東油田疏松砂巖地層特點和取心難點，采用了長城鉆探公司自主研制的GW194-115M型松散地層密閉取心工具，工具外徑194 mm，所取巖心直徑115 mm，單次可取巖心5 m。該型取心工具主要由加壓接頭、加壓活塞、定位接頭、懸掛接頭、外筒總成、內(nèi)筒、巖心爪、取心鉆頭及觸壓活塞組成(圖1)。內(nèi)筒由3只懸掛銷釘懸掛在定位接頭，剪斷懸掛銷釘需靜負荷剪切力120 kN。割心方式為液力加壓式，其原理是：割心時從鉆桿處投入加壓鋼球并開泵送球，鋼球落座后堵住加壓活塞的流通通道進行憋壓，依靠液壓剪斷銷釘并推動內(nèi)筒下行，一把抓巖心爪沿鉆頭內(nèi)錐面收縮割斷巖心。液力加壓式取心工具的優(yōu)點：鋼球落座后居中受力，不受井斜影響，剪切力大，割心成功率高。

圖1 取心工具結構Fig. 1 Structure of coring tool

2.2 低沖蝕取心鉆頭

在松散地層取心，排量是影響取心收獲率的關鍵因素，排量的調(diào)節(jié)應當做到精細、可控。然而現(xiàn)場鉆井設備往往存在不能對排量進行無級變速調(diào)節(jié)的弊端，只能通過拆凡爾和更換泥漿泵缸套來粗略調(diào)整，無法使取心排量達到最優(yōu)，這對松散地層取心作業(yè)極為不利。針對這一問題，設計采用了一種取心排量適應范圍較廣的低沖蝕取心鉆頭，以防止取心排量不合適造成的巖心丟失。該型取心鉆頭具有以下技術特點：(1)冠部形狀為淺錐形，6刀翼，大切削片低密度布齒，適用于松軟地層取心鉆進；(2)設計為直向水眼、側向水眼和分水U型槽相結合的水力結構(圖2)，直向水眼用于清洗井底巖屑，側向水眼用于分流鉆井液，減少直向水眼的水力能量，U型槽使鉆井液更有利于從水眼排出，此種設計最大程度地減少了直向水眼對巖心的直接沖蝕和攪散作用，解決了疏松砂巖油藏巖心易沖蝕、取心收獲率低的問題。

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

2.3 加壓式鋁合金內(nèi)筒總成

在前期試取過程中，采用了PVC襯管與鋼制內(nèi)筒相結合的內(nèi)筒結構，出心時需將PVC襯管抽出，在抽出過程中會有較多密閉液被帶出內(nèi)筒造成環(huán)境污染，并且在低溫條件下，密閉液黏度增大導致襯管抽出困難，作業(yè)效率低下，增大空井安全隱患。為解決這一問題，對內(nèi)筒總成進行了優(yōu)化：(1)采用鋁合金內(nèi)筒總成取代PVC襯管加鋼制內(nèi)筒組合；(2)在螺紋處等薄弱環(huán)節(jié)對管壁進行加厚，使其抗壓強度滿足割心要求；(3)內(nèi)筒主體部分采用巖心爪和鋁合金內(nèi)筒直連的方式，實現(xiàn)了內(nèi)筒結構的簡化。

該型內(nèi)筒具有以下技術特點：(1)耐腐蝕，屈服強度505 MPa，具有強度大，摩擦因數(shù)低的優(yōu)點，可代替鋼制內(nèi)筒向巖心爪傳遞割心壓力，并可代替PVC襯管減少巖心進筒阻力；(2)出心后作為整體直接切割，省去傳統(tǒng)出心工藝過程中更換巖心爪和抽取襯管環(huán)節(jié)，提高作業(yè)效率的同時也避免了密閉液殘留和污染；(3)采用8爪式全封閉巖心爪(如圖3所示)，閉合度好，穿透力強，適用地層范圍廣。

圖3 全封閉巖心爪Fig. 3 Completely sealed core catcher

3 環(huán)保密閉取心工藝

3.1 低毒、環(huán)保型密閉液

密閉取心時，隨著巖心進入內(nèi)筒，密閉液被等體積置換排出，并及時在巖心表面形成一層保護膜，進而起到保護巖心不被鉆井液侵入和污染的作用［7］。大港油田明化鎮(zhèn)組埋深較淺，砂巖滲透率高，根據(jù)這一特點，配制了一種氯化石蠟基密閉液，并以膨潤土為固相封堵劑，用以堵塞巖心表面孔隙，防止鉆井液的滲透［8］。配制過程嚴格控制氯含量，并進行除味處理，使其達到低毒和環(huán)保的要求，同時也具有性能穩(wěn)定、耐高溫、密閉效果好的特點［9］。該型密閉液使用溫度范圍在135 ℃以內(nèi)，適用于淺井取心作業(yè)，基本性能見表1。

表1 密閉液基本性能Table 1 Basic properties of sealing fluid

3.2 密閉液水浴加熱法

密閉液在低溫時黏度大，流動性差，冬季施工時，在灌入內(nèi)筒前必須對其進行加熱處理。松散地層取心井深較淺，起下鉆時間窗口短，加熱時間不充足，較為落后的密閉液加熱方法(如火烤、蒸汽加熱)安全性差，效率低，影響灌裝效率和密閉效果。為此，研制了密閉液水浴加熱法，采用電加熱裝置對密閉液進行水浴加熱，具有提前預熱、控溫、保溫功能，解決了淺井取心作業(yè)中因加熱時間短導致的密閉液加熱不充分，灌裝困難問題。

3.3 密閉液回收裝置

在進行出心作業(yè)時，為保護巖心完整，需要將巖心連同內(nèi)筒一起切割保存，該環(huán)節(jié)會有殘留的密閉液從內(nèi)筒中流出，應及時進行回收。密閉液回收裝置可用于清洗、標記、切割內(nèi)筒和巖心，并對切割過程中流出的密閉液及產(chǎn)生的金屬粉塵進行回收處理，實現(xiàn)巖心地面處理流水線作業(yè)，提高作業(yè)效率和防止環(huán)境污染。

3.4 密閉取心工藝措施

根據(jù)取心地層情況和密閉取心技術特點，在井眼準備和取心鉆進等環(huán)節(jié)制定了以下技術措施。

(1)液力加壓式取心工具割心時需要投入直徑45 mm鋼球，取心作業(yè)前應進行試投球操作，確保鋼球能順利通過水龍帶和井下鉆具。

(2)灌裝密閉液時應確保內(nèi)筒完全灌滿，否則內(nèi)筒中殘留空氣，下入井底后產(chǎn)生強大負壓，剪斷密封活塞銷釘后鉆井液迅速涌入內(nèi)筒，造成密閉液污染。

(3)每次取心作業(yè)前，起鉆至最后一柱時應將鉆井液液面控制在距井口10 m左右，不能完全灌滿，以避免再次組裝工具時鉆井液提前進入取心工具內(nèi)筒，對密閉液造成先期污染。

(4)取心工具下入離井底3 m左右，應先小排量(6～8 L/s)打通水眼，然后緩慢增加至正常排量循環(huán)，清洗井底沉砂。在循環(huán)結束后再進行探底操作，避免探底時剪切銷釘剪斷后鉆井液提前進入內(nèi)筒。

(5)如排量不能無級變速調(diào)節(jié)，應提前預備一臺單凡爾泵用于打通水眼。打通水眼時要遵循“分多次，緩慢開”的原則［10］，防止開泵瞬間泵壓過高剪斷懸掛銷釘，造成巖心爪提前收縮。

(6)松散地層取心應采用低轉速、大鉆壓、小排量的技術措施。具體參數(shù)為：轉速40～50 r/min，鉆壓50～70 kN，排量8～15 L/s，并根據(jù)不同鉆進階段和實際情況及時調(diào)整取心參數(shù)。

(7)取心地層砂巖滲透率高，應密切觀察鉆井液性能，控制鉆井液密度及濾失量，防止井底壓差過大和鉆井液性能不達標造成鉆井液侵入巖心，影響密閉效果。

(8)連續(xù)取心次數(shù)較多時井底存在大量沉砂，應在中途更換常規(guī)鉆具組合進行通井，并使用高黏鉆井液進行循環(huán)處理，攜帶沉砂，凈化井眼［11］。

4 現(xiàn)場應用

2017年底，X9-9-10井和GX4-23井同時在明化鎮(zhèn)組和館陶組進行密閉取心作業(yè)。在前期試取過程中，采用了傳統(tǒng)密閉取心工藝，由于冬季施工氣溫較低，密閉液粘連導致PVC襯管無法抽出，后對內(nèi)筒進行二次加熱才將襯管抽出，該環(huán)節(jié)對襯管和巖心都造成了破壞，也造成了密閉液殘留和污染。X9-9-10井第1次試取過程中由于鉆遇極度疏松地層，出現(xiàn)鉆進放空現(xiàn)象(經(jīng)分析有可能是地層長期注水造成)，導致收獲率只有57.3%；GX4-23井試取過程中發(fā)生堵心并造成PVC襯管破裂，收獲率只有56.1%?，F(xiàn)場采用蒸汽對密閉液進行加熱，由于加熱效率低且加熱不均，密閉液流動性差，無法將內(nèi)筒完全灌滿，下入井底后鉆井液涌入內(nèi)筒，造成密閉液先期污染，取心密閉率較低，具體試取結果見表2。

針對試取過程中出現(xiàn)的問題，技術人員及時研究整改，在后期正式取心作業(yè)中采用鋁合金內(nèi)筒總成配合密閉環(huán)保取心工藝，成功解決了試取過程中出心工藝復雜、作業(yè)效率低下、密閉液殘留等問題，平均單筒取心作業(yè)時間由之前的0.75 d/筒降低至0.45 d/筒，取得了良好的應用效果，取心數(shù)據(jù)見表3。

密閉取心過程中，低沖蝕取心鉆頭綜合性能表現(xiàn)良好，X9-9-10井在后期14筒次取心過程中平均取心收獲率達到99.5%。GX4-23井進入館陶組后因井眼條件復雜，處理井眼過程中導致銷釘提前剪斷，取心失敗1筒次，其余18筒次平均取心收獲率達到94.5%，表明低沖蝕取心鉆頭對于保證疏松砂巖地層取心收獲率有很大幫助。

表2 試取取心數(shù)據(jù)Table 2 Trial coring data

表3 大港油田2口井取心數(shù)據(jù)Table 3 Coring data of 2 wells in Dagang Oilfield

5 結論

(1)松散地層密閉環(huán)保取心技術有效解決了高孔高滲疏松砂巖油藏取心收獲率低及密閉取心工藝復雜問題，可大幅提高密閉取心作業(yè)效率，節(jié)約鉆井成本，同時對于防止環(huán)境污染，降低井控風險也具有重要意義，值得進一步推廣應用。

(2)低沖蝕取心鉆頭對疏松砂巖地層有很好的適應性，可有效減少鉆井液對巖心的沖蝕和攪散作用。加壓式鋁合金內(nèi)筒總成實現(xiàn)了內(nèi)筒結構和出心工藝的簡化，并能降低巖心進筒阻力，有助于保證取心收獲率和巖心質(zhì)量。

(3)低毒環(huán)保型氯化石蠟基密閉液對環(huán)境污染小，性能穩(wěn)定，可保證高滲透率砂巖地層取心密閉率。制定安全、高效、環(huán)保的密閉液處理工藝對于提高作業(yè)效率，防止環(huán)境污染至關重要。

(4)在老油區(qū)進行鉆井取心作業(yè)，應加強對周邊注水井的動態(tài)調(diào)研，取心作業(yè)過程中應盡量縮短空井時間，降低井控風險。