楊立文 蘇 洋 羅 軍 孫少亮

中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

0 引言

保壓取心技術(shù)可以使取出的巖心保持在原始地層壓力狀態(tài)下，能最大限度地減少巖心中油氣等組分的損失，進(jìn)而準(zhǔn)確求取井底條件下儲(chǔ)層流體飽和度等重要地層參數(shù)，是目前最先進(jìn)且技術(shù)難度最高的鉆井取心技術(shù)[1-3]。根據(jù)行業(yè)需求，保壓取心技術(shù)現(xiàn)主要被應(yīng)用于油氣勘探開(kāi)發(fā)、海洋資源勘探和地質(zhì)勘查等領(lǐng)域[4-7]。近年來(lái)，我國(guó)的保壓取心技術(shù)已取得了較大的進(jìn)展，并逐漸形成了海上繩索式保壓取心技術(shù)和陸上起鉆式保壓取心技術(shù)兩大技術(shù)類(lèi)別。2017年5月，中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院研制的天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱(chēng)水合物）保溫保壓取心工具在我國(guó)南海海域水合物賦存區(qū)進(jìn)行了13筒次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，9筒次成功獲取到水合物巖心樣品，打破了國(guó)外繩索式水合物保壓取心技術(shù)的壟斷[8-9]。中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)城鉆探公司）工程技術(shù)研究院具有完善的保壓取心技術(shù)研發(fā)和服務(wù)能力，連續(xù)多年進(jìn)行起鉆式保壓取心技術(shù)研究和應(yīng)用，2014年研制出GWY194-70BB型保壓取心工具，保壓能力為20 MPa、所取巖心直徑為70 mm，綜合技術(shù)水平在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位[10]。但是，較之于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的保壓取心工具在巖心直徑和保壓能力兩項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)方面尚存在著明顯的差距，尤其是在保壓能力方面，成為制約保壓取心技術(shù)向深井以及深海鉆探拓展的技術(shù)瓶頸[12]。為此，長(zhǎng)城鉆探公司基于GWY194-70BB型保壓取心工具，設(shè)計(jì)研發(fā)了GW-CP194-80A型起鉆式保壓取心工具（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新工具），所取巖心直徑由70 mm提升至80 mm、保壓能力由20 MPa提升至60 MPa。新工具在陸上油田進(jìn)行了5口井27筒次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了平均取心收獲率為87.5%、保壓成功率達(dá)92.6%的良好效果。

1 新工具的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

1.1 新工具的結(jié)構(gòu)及原理

GW-CP194-80A型保壓取心工具主要由液壓差動(dòng)總成、上部密封機(jī)構(gòu)、測(cè)量總成、保壓內(nèi)筒總成、球閥密封裝置、外筒和取心鉆頭組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

新工具的工作原理是：保壓內(nèi)筒的下端連接球閥密封裝置，上部依次連接測(cè)量總成、上部密封機(jī)構(gòu)和液壓差動(dòng)總成。取心鉆進(jìn)時(shí)，球閥處于打開(kāi)狀態(tài)，巖心通過(guò)球閥進(jìn)入保壓內(nèi)筒。鉆取完巖心后，差動(dòng)總成可在液壓作用下進(jìn)行差動(dòng)，并帶動(dòng)內(nèi)筒相對(duì)外筒做反向抬升運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，上部密封機(jī)構(gòu)和球閥密封裝置同時(shí)被關(guān)閉，完成內(nèi)筒的保壓密封。測(cè)量總成可以對(duì)內(nèi)筒中的溫度和壓力進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和存儲(chǔ)，通過(guò)細(xì)小的趨勢(shì)變化可以更加詳細(xì)地了解巖心樣本在起鉆過(guò)程中油氣成分的揮發(fā)分解過(guò)程。

圖1 GW-CP194-80A型保壓取心工具結(jié)構(gòu)圖

1.2 新工具的主要技術(shù)參數(shù)

GW-CP194-80A型保壓取心工具的主要技術(shù)參數(shù)包括：工具總長(zhǎng)8.00 m，外徑194 mm，取心鉆頭尺寸215.9 mm；單次可取巖心長(zhǎng)度6.0 m，巖心直徑80 mm，額定保壓60 MPa；割心方式為液力加壓和自鎖式割心相結(jié)合[12]，采用鉆具起下作業(yè)方式。

2 新工具關(guān)鍵部件的研制

2.1 大通徑球閥密封裝置

對(duì)于保壓取心工具來(lái)說(shuō)，巖心直徑和保壓能力互為制約關(guān)系，提升保壓能力勢(shì)必要犧牲巖心直徑。長(zhǎng)城鉆探公司前期研制的GWY194-70BB型保壓取心工具采用70 mm通徑球閥，保壓能力20 MPa，僅能滿(mǎn)足淺井保壓取心作業(yè)。為了實(shí)現(xiàn)巖心直徑和保壓能力的同步提升，通過(guò)對(duì)70 mm通徑球閥密封裝置進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)研制了80 mm通徑可受控轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械式旋轉(zhuǎn)大通徑球閥密封裝置，如圖2所示。

圖2 大通徑球閥密封裝置圖

球閥在下鉆和取心鉆進(jìn)期間為打開(kāi)狀態(tài)，取心鉆進(jìn)時(shí)，巖心通過(guò)球閥進(jìn)入內(nèi)筒，鉆取巖心完成后，在內(nèi)外筒差動(dòng)作用下旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)內(nèi)筒下部密封[13]。該裝置以40CrMo合金鋼為原料，配合采用高性能密封圈，額定保壓60 MPa。

2.2 高強(qiáng)度保壓內(nèi)筒總成

為了滿(mǎn)足煤層氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣藏地層條件，同時(shí)滿(mǎn)足地面巖心冷凍、切割現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，保壓內(nèi)筒應(yīng)具有低摩阻、強(qiáng)度大、易切割的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)系列材質(zhì)優(yōu)選，保壓內(nèi)筒選用7075型超硬鋁合金，調(diào)質(zhì)處理，并采用加強(qiáng)螺紋提升其承壓能力[14]。為模擬井下作業(yè)工況，保壓內(nèi)筒與球閥密封裝置組成的保壓系統(tǒng)通過(guò)了室內(nèi)高溫高壓試驗(yàn)，測(cè)試周期45 h，在測(cè)試周期內(nèi)分別進(jìn)行了增壓、穩(wěn)壓、降壓試驗(yàn)。其中最高試驗(yàn)溫度70 ℃，最高試驗(yàn)壓力86 MPa，穩(wěn)壓15 h無(wú)壓力泄漏（圖3），使保壓系統(tǒng)具備了在深井高密度條件下的保壓取心作業(yè)能力。

圖3 高溫、高壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

2.3 內(nèi)提式液壓差動(dòng)總成

差動(dòng)總成的作用是使內(nèi)、外筒產(chǎn)生差動(dòng)位移，在差動(dòng)過(guò)程中觸發(fā)球閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)和上部密封機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)保壓內(nèi)筒的上下同步密封。GWY194-70BB型保壓取心工具采用機(jī)械式差動(dòng)總成，差動(dòng)方式為內(nèi)筒不動(dòng)，外筒下行。因此存在著外筒與井壁摩擦的問(wèn)題，如果井眼不規(guī)則或摩阻較大，容易導(dǎo)致外筒下行困難，差動(dòng)失敗。GW-CP194-80A型保壓取心工具采用內(nèi)提式液壓差動(dòng)總成，工作時(shí)通過(guò)投球，利用液壓作用剪斷銷(xiāo)釘并進(jìn)行差動(dòng)，在差動(dòng)過(guò)程中外筒不動(dòng)，內(nèi)筒在外筒內(nèi)部完成提升，因而避免了井斜因素對(duì)差動(dòng)效果的影響，可以滿(mǎn)足大斜度井、水平井保壓取心作業(yè)需求。

2.4 上部密封機(jī)構(gòu)

受保壓取心工具結(jié)構(gòu)影響，內(nèi)筒上部無(wú)回壓閥，巖心進(jìn)入內(nèi)筒后，內(nèi)筒中的鉆井液通過(guò)巖心與內(nèi)筒之間的縫隙從下部排出。當(dāng)在煤層或破碎地層取心時(shí)，巖心易將縫隙填充，封堵在內(nèi)筒中的鉆井液難以釋放，就會(huì)成為后續(xù)巖心的進(jìn)筒阻力[15]。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該種無(wú)回壓閥的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)極易造成內(nèi)筒壓力過(guò)高，甚至對(duì)巖心產(chǎn)生反向鉆壓作用力，加劇巖心的破碎和堵心。上下同步密封機(jī)構(gòu)是為防止堵心，減小巖心進(jìn)筒阻力作出的特殊設(shè)計(jì)，在鉆進(jìn)過(guò)程中可以起到保持內(nèi)筒內(nèi)外壓力平衡的作用，井底壓力測(cè)量數(shù)據(jù)也更為準(zhǔn)確。其原理是在內(nèi)筒上部設(shè)計(jì)一單向排壓閥，如圖4所示。

圖4 上部密封機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

在鉆取巖心過(guò)程中，單向排壓閥處于打開(kāi)狀態(tài)，可將內(nèi)筒中的壓力和鉆井液及時(shí)排放出去。鉆進(jìn)結(jié)束后，在差動(dòng)作用下，上部密封活塞被頂進(jìn)密封接頭，將單向排壓閥關(guān)閉，完成內(nèi)筒的上部密封。上部密封機(jī)構(gòu)配合球閥密封裝置，可實(shí)現(xiàn)保壓內(nèi)筒的上下同步密封。

3 新工具的配套工藝技術(shù)

由于非常規(guī)油氣資源成藏機(jī)理、賦存形態(tài)及開(kāi)發(fā)技術(shù)不同于常規(guī)油氣資源，在進(jìn)行保壓取心作業(yè)時(shí)，GW-CP194-80A型保壓取心工具提供了3種配套工藝技術(shù)，可根據(jù)常規(guī)及非常規(guī)油氣藏地質(zhì)特點(diǎn)和地質(zhì)需要進(jìn)行配套工藝技術(shù)選擇，以下分述之。

3.1 液氮冷凍技術(shù)

保壓取心工具達(dá)到地面后，取心內(nèi)筒處于高壓狀態(tài)，要取出巖心而不能讓巖心中的油氣水損失，必須將巖心流體固化在巖心中[16]。液氮冷凍技術(shù)是利用液氮（常壓下溫度為－196 ℃）對(duì)保壓內(nèi)筒和巖心同時(shí)進(jìn)行超低溫冷凍，冷凍后巖心油氣水組分完全保留，并可以對(duì)巖心進(jìn)行切割、取樣、存儲(chǔ)和化驗(yàn)分析。其主要原理是液體在變?yōu)楣腆w時(shí)，壓力消失，巖心中的流體因低溫失去流動(dòng)和揮發(fā)性能，因而最大限度地減少了油氣等組分的損失?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，保壓冷凍巖心孔隙中油氣水三相回收率可超過(guò)95.0%。

3.2 保壓密閉取心技術(shù)

保壓密閉取心技術(shù)是將保壓取心和密閉取心相結(jié)合，通過(guò)在保壓內(nèi)筒中加入密閉液，達(dá)到巖心保壓和密閉的雙重效果。密閉液可采用蓖麻油或氯化石蠟，具有良好的熱穩(wěn)定性、流動(dòng)性及附著性能[17-19]。采用保壓密閉取心作業(yè)方式時(shí)，內(nèi)筒上部密封機(jī)構(gòu)回壓閥關(guān)閉，下部采用密閉頭將球閥中孔密封。取心鉆進(jìn)時(shí)，密閉頭首先在鉆壓作用下被頂進(jìn)內(nèi)筒，隨著后續(xù)巖心的進(jìn)入，密閉液被等體積置換排出，并及時(shí)在巖心表面形成保護(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，從而獲取到更為準(zhǔn)確的原始油水飽和度。

3.3 保壓內(nèi)筒解吸技術(shù)

對(duì)于煤層氣藏和頁(yè)巖氣藏，含氣量和臨界解吸壓力是資源開(kāi)發(fā)和地質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[20-22]。氣體解吸保壓內(nèi)筒是為煤層氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)氣藏專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的特制保壓內(nèi)筒，內(nèi)筒具有增壓接口和氣體收集接口，到達(dá)地面后可不將巖心取出，直接進(jìn)行游離氣收集、吸附氣解吸以及地層壓力下臨界解吸壓力特征觀測(cè)（圖5）。

為了使獲取的測(cè)試數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，解吸保壓內(nèi)筒單次取心長(zhǎng)度為1.0～1.5 m，有利于準(zhǔn)確獲取單位體積下巖心含氣量數(shù)據(jù)。

圖5 氣體解吸保壓內(nèi)筒壓力測(cè)試圖

3.4 保壓取心的關(guān)鍵技術(shù)措施

根據(jù)GW-CP194-80A型保壓取心工具的技術(shù)特點(diǎn)，在井眼準(zhǔn)備、取心鉆進(jìn)等環(huán)節(jié)制訂了以下措施。

1）為保證取心作業(yè)順利進(jìn)行，在卡準(zhǔn)層位準(zhǔn)備取心之前應(yīng)徹底循環(huán)清洗井底，確保井眼干凈暢通，井底無(wú)落物。

2）水平井或造斜段取心，要求井身設(shè)計(jì)最大狗腿角小于等于5°，以確保取心工具正常下入。

3）取心作業(yè)前應(yīng)對(duì)鉆具進(jìn)行通徑，取心鉆具組合中如需加入浮閥和隨鉆震擊器，必須保證能順利通過(guò)?50 mm加壓鋼球。

4）取心下鉆速度控制在12柱/h以?xún)?nèi)，不得使用取心工具和取心鉆頭劃眼。

5）取心鉆進(jìn)鉆井液排量8～10 L/s，循環(huán)排量10～15 L/s，轉(zhuǎn)速30～60 r/min，排量控制和轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速應(yīng)能滿(mǎn)足取心鉆進(jìn)要求。

6）現(xiàn)場(chǎng)配備離心機(jī)等固控設(shè)備，以降低鉆井液中有害固相含量，防止砂粒及巖屑影響球閥密封性能。

4 新工具的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2017年以來(lái)，GW-CP194-80A型保壓取心工具已經(jīng)在遼河、大慶、四川等油氣田進(jìn)行了5口井27筒次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，累計(jì)完成取心進(jìn)尺111.48 m，平均取心收獲率87.5%，保壓成功率92.6%。取心地層包括常規(guī)油藏、頁(yè)巖油藏、頁(yè)巖氣藏，并在深井和水平井保壓取心現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中獲得成功，應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

4.1 深井保壓取心現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

L11A井為頁(yè)巖油藏預(yù)探直井， GW-CP194-80A型保壓取心工具首次在該井進(jìn)行了3 000 m以深深井保壓取心現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該井取心層位垂深為3 350 m，鉆井液密度為1.7 g/cm3，井底壓力為57 MPa。保壓取心工具選用6 m常規(guī)保壓內(nèi)筒，共計(jì)取心1筒次，取心進(jìn)尺3.3 m，收獲巖心3.02 m，取心收獲率達(dá)91.5%。內(nèi)筒到達(dá)地面后測(cè)得筒內(nèi)壓力為49 MPa，保壓率為100%，平均巖心直徑為80 mm。該井保壓取心獲得成功，表明GW-CP194-80A型保壓取心工具具備了深井高密度條件下的保壓取心作業(yè)能力。

表1 GW-CP194-80A型保壓取心工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

4.2 水平井保壓取心現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

B9-28井為常規(guī)油藏開(kāi)發(fā)水平井，取心層位井斜65°。保壓取心工具選用6 m常規(guī)保壓內(nèi)筒，共計(jì)取心1筒次，取心進(jìn)尺4.5 m，收獲巖心4.5 m，取心收獲率達(dá)100%。該井儲(chǔ)層巖性以長(zhǎng)石巖屑砂巖和灰黑色泥巖為主，巖性較為致密，機(jī)械鉆速較低。割心時(shí)先采用自鎖式割心方式將巖心割斷，后投入加壓鋼球，鋼球落座后造成壓力升高，利用液壓作用將差動(dòng)總成銷(xiāo)釘剪斷，使內(nèi)外筒成功進(jìn)行差動(dòng)。內(nèi)筒到達(dá)地面后發(fā)現(xiàn)球閥關(guān)閉良好，保壓率達(dá)100%。該井保壓取心獲得成功，表明GW-CP194-80A型保壓取心工具具備了水平井保壓取心作業(yè)能力。

4.3 頁(yè)巖氣保壓取心現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以YS-X井為例，該井為頁(yè)巖氣藏評(píng)價(jià)井，井型為直井，主要取心層位為龍馬溪組。保壓取心工具選用6 m常規(guī)保壓內(nèi)筒取心6筒次，選用1.5 m解吸保壓內(nèi)筒取心5筒次，共計(jì)取心11筒次，全部保壓成功。該井累計(jì)取心進(jìn)尺39.23 m，收獲巖心38.06 m，取心收獲率達(dá)97.0%。該井由于采用了兩種保壓內(nèi)筒，在進(jìn)行巖心地面處理時(shí)采取了不同的工藝措施，常規(guī)保壓內(nèi)筒到達(dá)地面后采用液氮冷凍技術(shù)進(jìn)行處理，冷凍結(jié)束后進(jìn)行了切割取樣和化驗(yàn)分析；解吸保壓內(nèi)筒到達(dá)地面后無(wú)需冷凍，通過(guò)內(nèi)筒集氣接口直接進(jìn)行了游離氣收集、成分測(cè)試和點(diǎn)火；游離氣收集完畢后又進(jìn)行了吸附氣解吸、收集以及點(diǎn)火測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用該技術(shù)獲取的單位體積巖心含氣量為鄰井常規(guī)取心技術(shù)獲取巖心的4～6倍，保壓、保氣效果顯著。

5 結(jié)論

1）大通徑球閥密封裝置和高強(qiáng)度保壓內(nèi)筒實(shí)現(xiàn)了巖心直徑和保壓能力的同步提升；內(nèi)提式差動(dòng)總成和上部密封機(jī)構(gòu)解決了復(fù)雜井眼條件下保壓成功率低和取心收獲率低的難題，保壓取心工具綜合技術(shù)指標(biāo)得到顯著提高。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，GW-CP194-80A型保壓取心工具同時(shí)滿(mǎn)足了深井高密度條件下保壓取心作業(yè)和水平井保壓取心作業(yè)需求，性能可靠，適應(yīng)性強(qiáng)，為保壓取心技術(shù)向深井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的推廣應(yīng)用提供了寶貴的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支撐。

3）GW-CP194-80A型保壓取心工具配套技術(shù)完善，保壓、保氣效果顯著，可以為常規(guī)及非常規(guī)油氣藏精確計(jì)算含油、含氣儲(chǔ)量，合理制定開(kāi)發(fā)方案提供真實(shí)的基礎(chǔ)資料和解釋依據(jù)，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。