蘇洋

中國石油長城鉆探工程技術(shù)研究院

大港港西、港東油田目前均已進(jìn)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(jìn)行特高含水階段剩余油分布規(guī)律描述以及不同驅(qū)替介質(zhì)下儲(chǔ)層、油藏特征研究。大港港西油田斷層發(fā)育，構(gòu)造形態(tài)平緩破碎，是典型的復(fù)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(gòu)造帶，油藏類型為斷鼻構(gòu)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(jié)合油田地質(zhì)特點(diǎn)和傳統(tǒng)密閉取心工藝存在的問題，通過優(yōu)化內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，改進(jìn)密閉液處理工藝，制定詳細(xì)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(shù)，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(shù)難點(diǎn)

(1)港西、港東油田地層膠結(jié)性差，巖性疏松，在鉆進(jìn)過程中巖心極易被鉆井液沖散而無法進(jìn)筒，且疏松砂巖巖心進(jìn)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(jìn)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(jié)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(jié)構(gòu)被破壞，傳統(tǒng)松散地層密閉取心作業(yè)時(shí)一般在內(nèi)筒當(dāng)中加裝PVC襯管，出心時(shí)需將PVC襯管連同巖心一起抽出，以確保巖心完整。在進(jìn)行出心作業(yè)時(shí)，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(yán)重，并且如果取心作業(yè)在冬季進(jìn)行，密閉液在低溫條件下黏度增大，極易導(dǎo)致PVC襯管與內(nèi)筒粘連而無法抽出，嚴(yán)重拖延施工進(jìn)度，造成空井時(shí)間過長。

(4)取心井周邊分布注水井，地層水侵嚴(yán)重，返出鉆井液密度變低，空井時(shí)間過長易增大井控風(fēng)險(xiǎn)。在試取期間，由于出心進(jìn)度緩慢，空井時(shí)間過長，X9-9-10井曾出現(xiàn)溢流險(xiǎn)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(diǎn)和取心難點(diǎn)，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(fù)荷剪切力120 kN。割心方式為液力加壓式，其原理是：割心時(shí)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(jìn)行憋壓，依靠液壓剪斷銷釘并推動(dòng)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(diǎn)：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(jié)構(gòu)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(guān)鍵因素，排量的調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)做到精細(xì)、可控。然而現(xiàn)場鉆井設(shè)備往往存在不能對排量進(jìn)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(dá)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(shè)計(jì)采用了一種取心排量適應(yīng)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(shù)特點(diǎn)：(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(jìn)；(2)設(shè)計(jì)為直向水眼、側(cè)向水眼和分水U型槽相結(jié)合的水力結(jié)構(gòu)(圖2)，直向水眼用于清洗井底巖屑，側(cè)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)合的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，出心時(shí)需將PVC襯管抽出，在抽出過程中會(huì)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)行加厚，使其抗壓強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的簡化。

該型內(nèi)筒具有以下技術(shù)特點(diǎn)：(1)耐腐蝕，屈服強(qiáng)度505 MPa，具有強(qiáng)度大，摩擦因數(shù)低的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)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(shí)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(qiáng)，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(shí)，隨著巖心進(jìn)入內(nèi)筒，密閉液被等體積置換排出，并及時(shí)在巖心表面形成一層保護(hù)膜，進(jìn)而起到保護(hù)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(diǎn)，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(yán)格控制氯含量，并進(jìn)行除味處理，使其達(dá)到低毒和環(huán)保的要求，同時(shí)也具有性能穩(wěn)定、耐高溫、密閉效果好的特點(diǎn)［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(shí)黏度大，流動(dòng)性差，冬季施工時(shí)，在灌入內(nèi)筒前必須對其進(jìn)行加熱處理。松散地層取心井深較淺，起下鉆時(shí)間窗口短，加熱時(shí)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(jìn)行水浴加熱，具有提前預(yù)熱、控溫、保溫功能，解決了淺井取心作業(yè)中因加熱時(shí)間短導(dǎo)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(jìn)行出心作業(yè)時(shí)，為保護(hù)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(huì)有殘留的密閉液從內(nèi)筒中流出，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回收。密閉液回收裝置可用于清洗、標(biāo)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(jìn)行回收處理，實(shí)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(shù)特點(diǎn)，在井眼準(zhǔn)備和取心鉆進(jìn)等環(huán)節(jié)制定了以下技術(shù)措施。

(1)液力加壓式取心工具割心時(shí)需要投入直徑45 mm鋼球，取心作業(yè)前應(yīng)進(jìn)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(shí)應(yīng)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(qiáng)大負(fù)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(shí)應(yīng)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(shí)鉆井液提前進(jìn)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(yīng)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(jié)束后再進(jìn)行探底操作，避免探底時(shí)剪切銷釘剪斷后鉆井液提前進(jìn)入內(nèi)筒。

(5)如排量不能無級變速調(diào)節(jié)，應(yīng)提前預(yù)備一臺單凡爾泵用于打通水眼。打通水眼時(shí)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(yīng)采用低轉(zhuǎn)速、大鉆壓、小排量的技術(shù)措施。具體參數(shù)為：轉(zhuǎn)速40～50 r/min，鉆壓50～70 kN，排量8～15 L/s，并根據(jù)不同鉆進(jìn)階段和實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整取心參數(shù)。

(7)取心地層砂巖滲透率高，應(yīng)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(dá)標(biāo)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(shí)井底存在大量沉砂，應(yīng)在中途更換常規(guī)鉆具組合進(jìn)行通井，并使用高黏鉆井液進(jìn)行循環(huán)處理，攜帶沉砂，凈化井眼［11］。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2017年底，X9-9-10井和GX4-23井同時(shí)在明化鎮(zhèn)組和館陶組進(jìn)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(dǎo)致PVC襯管無法抽出，后對內(nèi)筒進(jìn)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(jìn)放空現(xiàn)象(經(jīng)分析有可能是地層長期注水造成)，導(dǎo)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(jìn)行加熱，由于加熱效率低且加熱不均，密閉液流動(dòng)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(jié)果見表2。

針對試取過程中出現(xiàn)的問題，技術(shù)人員及時(shí)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(fù)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(shí)間由之前的0.75 d/筒降低至0.45 d/筒，取得了良好的應(yīng)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(dá)到99.5%。GX4-23井進(jìn)入館陶組后因井眼條件復(fù)雜，處理井眼過程中導(dǎo)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(dá)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(jié)論

(1)松散地層密閉環(huán)保取心技術(shù)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(fù)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(shí)對于防止環(huán)境污染，降低井控風(fēng)險(xiǎn)也具有重要意義，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

(2)低沖蝕取心鉆頭對疏松砂巖地層有很好的適應(yīng)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(shí)現(xiàn)了內(nèi)筒結(jié)構(gòu)和出心工藝的簡化，并能降低巖心進(jìn)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(guān)重要。

(4)在老油區(qū)進(jìn)行鉆井取心作業(yè)，應(yīng)加強(qiáng)對周邊注水井的動(dòng)態(tài)調(diào)研，取心作業(yè)過程中應(yīng)盡量縮短空井時(shí)間，降低井控風(fēng)險(xiǎn)。