李 鵬

（中國石油長城鉆探工程有限公司鉆井一公司，遼寧盤錦 124010）

近年來，潛山已成為遼河油田的重要勘探領(lǐng)域，探明石油地質(zhì)儲量逐年遞增，遼河油田也逐漸加大對潛山儲層勘探的力度。鉆井取心是認(rèn)識潛山油氣藏石油地質(zhì)特征和油氣分布規(guī)律的最直接手段，但是由于潛山地層容易發(fā)生破碎，鉆井取心的收獲率一直不理想。本文結(jié)合潛山地層的特點和現(xiàn)有取心工具的不足，通過研制一種全封閉取心工具和相關(guān)配套短節(jié)，優(yōu)選施工參數(shù)，形成了破碎地層全封閉取心技術(shù)，有效提高了潛山破碎地層的取心收獲率。

1 取心難點及技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 取心難點

遼河油區(qū)潛山主要包括太古宇變質(zhì)巖潛山和元古界碳酸鹽巖潛山，變質(zhì)巖和碳酸鹽巖潛山儲層共同的特點是都屬于裂縫型油藏，儲集空間主要是裂縫和孔隙，地層受風(fēng)化、溶蝕作用嚴(yán)重，非均質(zhì)性強[1]。取心設(shè)計一般要求見顯示取心，取心層位都是在裂縫或孔隙發(fā)育、孔隙度較大、油氣顯示較好的井段。在取心鉆進時，巖心由于取心鉆頭的攪動以及圍壓的減小，易發(fā)生破碎，不能呈柱狀，碎塊的巖心形狀不規(guī)則且堅硬，有時會發(fā)生“堵心”現(xiàn)象，巖心不能順利進入內(nèi)筒，導(dǎo)致巖心收獲率降低；大多數(shù)情況下，破碎巖心可以進入內(nèi)筒，但是由于碎塊的尺寸小于巖心爪的最小收縮內(nèi)徑，在起鉆過程中巖心非常容易掉落，造成收獲率下降，甚至“空筒”。

據(jù)統(tǒng)計，2019年至今，遼河油田潛山地層總共取心34筒，累計取心進尺121.30m，累計巖心長度59.25m，收獲率僅48.85%，其中包括4次“空筒”，遠不能滿足地質(zhì)勘探開發(fā)的要求。

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

目前常用的取心工具，一種是常規(guī)自鎖式取心工具，使用卡箍式巖心爪，適用于中硬-堅硬且膠結(jié)性好的地層，割心時上提鉆具，卡箍式巖心爪鎖緊巖心柱直至將其拔斷；另一種是松散地層取心工具，使用“一把抓”巖心爪，適用于松軟、膠結(jié)性差的地層，割心時采用機械或液力加壓的方式，是使“一把抓”巖心爪彎曲合攏，切斷并包裹住巖心下部，防止在起鉆過程中巖心掉落。

根據(jù)以往潛山地層取心經(jīng)驗，一筒巖心可能整段都是成型、堅硬的巖心柱，可能全是碎塊，也可能兼而有之，即同時存在破碎嚴(yán)重和成柱性良好的狀況。現(xiàn)用的取心工具有各自的針對性，都不能很好地滿足潛山地層取心需求。

前期對雙巖心爪割心方式進行了研究，即在常規(guī)自鎖式取心工具的卡箍座下部安裝“一把抓”巖心爪，如圖1所示，卡箍式巖心爪適用于巖心成柱的狀況，“一把抓”巖心爪適用于巖心破碎的狀況。但是實際應(yīng)用結(jié)果顯示，在破碎堅硬地層旋轉(zhuǎn)鉆進時，“一把抓”巖心爪容易發(fā)生從根部斷裂的現(xiàn)象，造成井下落物，而且，潛山取心層位一般深3 000～4 500m，循環(huán)泵壓高，工具銷釘容易提前剪斷，“一把抓”巖心爪提前閉合，從而導(dǎo)致取心作業(yè)失敗。

圖1 雙巖心爪割心裝置

本文介紹一種適用于潛山破碎地層的全封閉取心工具及其配套工藝，用于提高破碎地層的取心收獲率。

2 全封閉取心工具

全封閉取心工具是在常規(guī)自鎖式取心工具的基礎(chǔ)上進行改進，主要結(jié)構(gòu)包括安全接頭、外筒、內(nèi)筒、液力提升裝置、旋轉(zhuǎn)總成、調(diào)長總成、復(fù)合割心裝置、取心鉆頭等。

2.1 復(fù)合割心裝置

復(fù)合割心裝置包括自鎖式割心裝置和全封閉割心總成，前者可以鎖緊并拔斷成柱性較好的巖心，后者可以封閉取心鉆頭內(nèi)孔防止破碎巖心掉落，提高巖心收獲率。

全封閉割心總成的閥體與鉆頭內(nèi)腔通過螺釘連接，蓋板隱藏在卡箍座與鉆頭內(nèi)壁之間。在取心鉆進完成后，通過液力提升裝置提升內(nèi)筒總成，如果巖心破碎，自鎖式割心裝置順利上行，露出蓋板，蓋板在彈簧作用下閉合，完成割心操作；如果巖心成柱性較好，自鎖式割心裝置鎖緊巖心柱，上行受阻，可以通過泵壓顯示判斷出來，此時可以上提鉆具，拔斷巖心。

2.2 液力提升裝置

液力提升裝置的作用是通過投球憋壓的方式提升內(nèi)筒總成，主要由提升接頭和提升滑套組成，兩者的相對位置由銅銷釘固定。在割心時，投放鋼球堵死提升接頭內(nèi)部流道，提升接頭與提升滑套之間的腔室憋壓，銅銷釘被剪斷，提升滑套沿著提升接頭上行，提升滑套下部與內(nèi)筒總成相連接，因此整個內(nèi)筒總成上行，提升滑套上部安裝有一個懸掛卡簧，上行一定距離后可以懸掛在安全接頭上，同時提升接頭與提升滑套之間的高壓腔室泄壓，恢復(fù)鉆井液的正常循環(huán)。

3 投球接頭

在油氣層進行取心時，按照井控要求，應(yīng)在取心工具上部安裝止回閥，因此無法通過在地面投球的方式進行割心。針對實際情況，設(shè)計一種投球接頭，安裝在破碎地層全封閉取心工具上部，通過調(diào)節(jié)鉆井液排量的方式進行投球操作。

投球接頭的工作原理為：在鉆井液通過投球滑套的內(nèi)部通道時，由于流道橫截面積的變化產(chǎn)生壓力降，進而在投球滑套上產(chǎn)生軸向壓力，軸向壓力使安裝在投球滑套外面的彈簧壓縮，隨著流量變大，軸向壓力變大，彈簧壓縮量變大，投球滑套下行，鋼球下行到接頭下體橫截面變大處時，鋼球掉落，完成投球操作。

4 旁通接頭

投球割心時，銅銷釘被剪斷（剪切壓力設(shè)計為12MPa），提升滑套沿提升接頭上行，如果巖心成柱性較好且堅硬，自鎖式割心裝置鎖緊巖心柱，提升滑套行程不到位，泵壓會一直上升直至憋泵。為防止此種情況發(fā)生，設(shè)計一種旁通接頭，使得泵壓不得超過22MPa，防止憋泵情況的發(fā)生。

旁通接頭工作原理：旁通活塞通過銷釘固定在泄壓接頭本體上，旁通活塞與本體之間的腔室與環(huán)空連通，割心操作發(fā)生憋壓時，鉆具內(nèi)部與環(huán)空之間存在壓差，對旁通活塞施加向下的力，隨著泵壓升高，壓差變大，旁通活塞受力后剪斷銷釘下行，直至活塞旁通孔與接頭本體旁通孔連通，鉆井液回復(fù)正常循環(huán)。

5 取心施工措施

針對潛山地層容易破碎的特性，應(yīng)優(yōu)選取心鉆頭，優(yōu)化施工參數(shù)，盡量保證取心施工平穩(wěn)，減少巖心碎裂，使其順利進入內(nèi)筒。

1）全封閉取心工具設(shè)計適用于215.9mm或241.3mm井眼取心作業(yè)，工具上部依次連接投球接頭和旁通接頭。

2）選用孕鑲、表鑲、小齒多刀翼的PDC取心鉆頭。

3）在不影響取心鉆進速度的前提下，盡量降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，一般不超過60r/min。

4）為保證鉆進過程中的平穩(wěn)性，鉆具組合中至少保證有6根鉆鋌。

5）適當(dāng)降低排量，減少鉆井液對巖心的沖蝕。

6）在下鉆過程中，中途循環(huán)時的泵壓不得超過6MPa，防止剪切銷釘被提前剪斷，影響取心效果。

7）取心鉆進完成后，加大鉆井液排量完成后投球，如泵壓升高至12MPa后迅速恢復(fù)正常，說明巖心破碎，內(nèi)筒總成被提起并懸掛在安全接頭上，全封閉割心裝置的蓋板合攏，割心完成；如果泵壓升高至12MPa后繼續(xù)上升，升至20MPa后恢復(fù)正常，說明巖心成柱性良好且堅硬，泄壓接頭開始旁通循環(huán)，上提鉆具拔斷巖心，完成割心操作。

6 現(xiàn)場應(yīng)用情況

破碎地層全封閉取心技術(shù)在遼河油田潛山地層進行了6口井的現(xiàn)場應(yīng)用，共取心12筒，累計取心進尺48.78m，累計巖心長度43.20m，平均取心收獲率88.56%，取得了良好的應(yīng)用效果。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 破碎地層全封閉取心技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況

7 結(jié)論

1）破碎地層全封閉取心技術(shù)主要包括全封閉取心工具、投球接頭和旁通接頭三個主要組成部分，可以大幅提高潛山破碎地層的取心收獲率，由原來的48.85%提升至目前的88.56%，應(yīng)用效果顯著，值得進一步推廣應(yīng)用。

2）全封閉取心工具采用復(fù)合割心裝置，可同時適用于巖心破碎嚴(yán)重和成柱性良好的情況，液力提升裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，銷釘剪切壓力穩(wěn)定，用于割心時提升內(nèi)筒總成。

3）投球接頭滿足鉆具下部安裝止回閥的井控要求，施工時允許正常鉆井液排量循環(huán)，最后通過加大排量的方式在井下完成投球操作。

4）旁通接頭設(shè)定22MPa的安全值，可以在取心工具內(nèi)部鉆井液流道發(fā)生堵塞的時候開啟，防止出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象。

5）破碎地層取心施工時應(yīng)制定詳細(xì)的操作規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行，盡量減少巖心的破碎，使巖心順利進入內(nèi)筒。