王 長(zhǎng) 旭

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院取心分公司)

0 引 言

截至2020年底，大慶長(zhǎng)垣油田綜合含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)已達(dá)95.86%，全面進(jìn)入特高含水后期開(kāi)發(fā)階段。大慶長(zhǎng)垣油田三類油層地質(zhì)儲(chǔ)量巨大，以水驅(qū)開(kāi)發(fā)為主，仍然是油田產(chǎn)量的主體[1-3]。密閉取心是目前唯一可獲取的井下第一手資料，是準(zhǔn)確解析油氣層狀況最有效、最直觀的方法。為進(jìn)一步揭示三類油層井間砂體連通狀況和剩余油分布規(guī)律，明確三類油層的水驅(qū)油效果，亟待獲取能夠反映平面滲流特征的水平井巖心[4]。

與直井密閉取心相比，水平段動(dòng)力加壓困難、造斜段取心工具通過(guò)困難以及井眼軌跡控制難，這也增加了水平井密閉取心難度。在薄差層密閉取心時(shí)，為了保證砂巖鉆遇率，密閉取心難度進(jìn)一步加大。常規(guī)取心工具主要為直井眼取心設(shè)計(jì)，若直接用于水平井取心，則存在巖心收獲率、密閉率以及砂巖鉆遇率低等難題[5]。受LWD 儀器距鉆頭較遠(yuǎn)以及取心鉆具組合造斜能力不確定性的雙重影響，鉆頭處井斜預(yù)測(cè)困難、著陸平穩(wěn)入靶難，因此在厚度0.6～1.0 m的薄油層水平段連續(xù)取心時(shí)軌跡控制難度大、易出層；同時(shí)，由于水平段取心工具軸線與重力方向垂直，且鉆具與下井壁接觸面積大，隨著井深增加，上提下放摩阻增大，增加了地面判斷密閉頭剪銷剪斷與否的難度[6]，導(dǎo)致樹(shù)心、割心困難，影響巖心收獲率。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)水平井密閉取心工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，配合水平井井眼軌跡控制工藝，研制了5套不同長(zhǎng)度水平井密閉取心工具，同時(shí)對(duì)密閉液進(jìn)行了改進(jìn)[7]。在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，密閉取心工具與螺桿結(jié)合，配備LWD儀器，在杏6-20檢平647 井實(shí)現(xiàn)水平井0.6～1.0 m薄油層連續(xù)取心，創(chuàng)造大慶油田首口連續(xù)不間斷水平井密閉取心最長(zhǎng)記錄。密閉取心井段1 163.1～1 478.6 m，全直徑巖心單筒最長(zhǎng)7.29 m，取心收獲率99.76%，密閉率97.10%，砂巖鉆遇率87.63%，應(yīng)用效果較好。

1 技術(shù)分析

1.1 密閉取心工具結(jié)構(gòu)

薄油層水平井連續(xù)密閉取心工具結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由分水接頭、上絲堵、軸承總成、螺旋扶正器、內(nèi)筒上接頭、內(nèi)筒、外筒、鉆頭接頭、密閉頭、密封圈、巖心爪、懸掛銷釘以及取心鉆頭等部件組成。

1—分水接頭；2—上絲堵；3—軸承總成；4、8—螺旋扶正器；5—內(nèi)筒上接頭；6—內(nèi)筒；7—外筒；9—鉆頭接頭；10—密閉頭；11—密封圈；12—巖心爪；13—懸掛銷釘；14—取心鉆頭。

1.2 工作原理

在密閉取心工具內(nèi)筒注滿密閉液，固定上絲堵。密閉取心工具外筒下端連接取心鉆頭，上端連接螺桿鉆具下入到井底。密閉取心前進(jìn)行循環(huán)，大排量沖洗井底；井底清洗干凈后，停泵，緩慢下放鉆具施加鉆壓，剪斷懸掛銷釘。通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)和螺桿鉆具聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行取心作業(yè)。取心鉆進(jìn)時(shí)，內(nèi)筒不隨鉆具旋轉(zhuǎn)，密閉頭引導(dǎo)巖心進(jìn)入內(nèi)筒，密閉液從其間隙流出，均勻地包裹在巖心表面，形成一層保護(hù)膜，防止鉆井液浸入巖心[8-9]。割心時(shí)，上提鉆具，巖心爪沿鉆頭內(nèi)錐面下行，產(chǎn)生徑向鎖緊力，將巖心卡緊，當(dāng)上提拉力達(dá)到巖心斷面極限拉力時(shí)，巖心即被割斷，取心工藝完成。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

密閉取心工具內(nèi)徑115 mm、外徑172 mm，螺旋扶正器外徑210 mm，長(zhǎng)度3.7、4.6、5.8、7.2和8.0 m，抗拉強(qiáng)度1 100 kN，抗壓強(qiáng)度300 kN。

密閉液抽絲長(zhǎng)度≥30 cm，黏度35 000～45 000 mPa·s，密度1.05～1.15 g/cm3。

取心工具施工鉆壓10～40 kN，轉(zhuǎn)速60～70 r/min，排量28～32 L/s[10]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)設(shè)計(jì)一對(duì)圓錐滾子軸承的內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙筒單動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)筒軸向限位和內(nèi)筒扶正，在取心過(guò)程中內(nèi)筒不隨鉆具旋轉(zhuǎn)，減小了堵心、磨心的可能性，提高了巖心收獲率[11]。

(2)密閉頭初露于鉆頭切削齒，采用小直徑且其長(zhǎng)度小于45 mm，可以防止下鉆過(guò)程中特別是通過(guò)造斜段時(shí)銷釘提前被剪斷的可能性，有利于保證密閉率。

(3)高黏度、高切力和密度可調(diào)的密閉液可有效防止與鉆井液密度差引起的密閉液混漿；鉆進(jìn)時(shí)，密閉液黏附在巖心表面并迅速充填巖心表面孔隙，形成一層保護(hù)膜，避免鉆井液污染和巖心中油水的外溢，保證巖心密閉率[12]。

(4)根據(jù)水平井造斜工具特點(diǎn)，采用Landmark設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行井下力學(xué)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)密閉取心工具長(zhǎng)度，研制了5種不同長(zhǎng)度水平井密閉取心工具，并與螺旋扶正器、彎螺桿和直螺桿進(jìn)行優(yōu)化組合，形成8種鉆具組合，達(dá)到穩(wěn)斜、增斜和降斜目的，配套LWD儀器隨鉆監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷密閉取心同時(shí)控制水平井眼軌跡。

(5)在水平段密閉取心過(guò)程中，綜合考慮水平井狗腿度和摩阻影響，設(shè)計(jì)密閉取心工具長(zhǎng)度不超過(guò)8 m。在直井應(yīng)用的MQ-215密閉取心工具基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)井井眼軌道設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)密閉取心工具不同長(zhǎng)度及其外筒配置單(雙)螺旋扶正器與否，獲得適應(yīng)增斜、穩(wěn)斜和降斜水平井密閉取心鉆具組合[13]，通過(guò)LWD儀器隨鉆監(jiān)測(cè)，達(dá)到密閉取心的同時(shí)控制井眼軌跡的目的，滿足鉆井工程設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果

2020年12月12日，在大慶油田第四采油廠杏6-20檢平647 井采用研制的密閉取心工具及相應(yīng)的鉆具組合，進(jìn)行了水平段連續(xù)密閉取心服務(wù)。

由于密閉取心時(shí)井眼軌跡受鉆井轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速、鉆壓、機(jī)械鉆速、地層傾角和鉆井液性能等因素的影響較大，所以很難實(shí)現(xiàn)井眼軌跡平穩(wěn)光滑達(dá)到預(yù)定靶點(diǎn)。為此，在杏6-20-檢平647井密閉取心前期，不斷優(yōu)化增斜、降斜和穩(wěn)斜鉆具組合[13]，結(jié)合密閉取心工藝及質(zhì)量控制，獲得適合該井的3種密閉取心工具設(shè)計(jì)長(zhǎng)度及鉆具組合，在保障取心的同時(shí)精準(zhǔn)控制井眼軌跡，達(dá)到了鉆井工程設(shè)計(jì)要求。

3.1 密閉取心井底鉆具組合

(1)穩(wěn)斜鉆具組合：?215 mm取心鉆頭(0.3 m)+?210 mm螺旋扶正器(0.5 m)+?178 mm密閉取心工具(7.2 m)+?210 mm螺旋扶正器(0.5 m)+ ?165 mm LWD隨鉆測(cè)量?jī)x器。

(2)增斜鉆具組合：?215 mm鉆頭(0.3 m)+ ?178 mm密閉取心工具(3.7 m)+?172 mm彎螺桿(0.75°/1.00°)+ ?165 mm LWD隨鉆測(cè)量?jī)x器。

(3)降斜鉆具組合：?215 mm鉆頭(0.3 m)+ ?178 mm密閉取心工具(4.6 m)+?172 mm彎螺桿(0.75°/1.00°)+ ?165 mm LWD隨鉆測(cè)量?jī)x器。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.2.1 水平井密閉取心井眼軌跡控制

首先采用帶密閉鉆頭+螺旋扶正器+密閉取心工具(8 m)+螺旋扶正器+LWD隨鉆測(cè)量?jī)x器的井底穩(wěn)斜鉆具組合進(jìn)行取心鉆進(jìn)14.0 m后，LWD隨鉆測(cè)量?jī)x器測(cè)點(diǎn)井斜增加1.25°，未達(dá)到穩(wěn)斜效果；然后及時(shí)起鉆改用密閉取心鉆頭+密閉取心工具(4.6 m)+彎螺桿+LWD隨鉆測(cè)量?jī)x器的井底降斜鉆具組合進(jìn)行降斜，取心鉆進(jìn)8.0 m后，LWD儀器測(cè)點(diǎn)井斜降低0.15°，進(jìn)尺20.0 m后隨鉆測(cè)量?jī)x器測(cè)點(diǎn)井斜降低0.42°，降斜效果明顯；降斜達(dá)到井眼軌跡設(shè)計(jì)要求后，起鉆采用密閉鉆頭+螺旋扶正器+密閉取心工具(7.2 m)+螺旋扶正器+LWD儀器的井底穩(wěn)斜鉆具組合鉆進(jìn)，穩(wěn)斜鉆進(jìn)20.5 m后，井斜微增0.07°，穩(wěn)斜效果理想。后期因地層傾角發(fā)生變化，需要增斜取心鉆進(jìn)時(shí)，采用密閉鉆頭+螺旋扶正器+3.7 m密閉取心工具+螺旋扶正器+LWD隨鉆測(cè)量?jī)x器的井底增斜鉆具組合鉆進(jìn)，進(jìn)尺18.5 m后隨鉆測(cè)量?jī)x器測(cè)點(diǎn)井斜增加0.24°，增斜效果明顯。

在整個(gè)密閉取心過(guò)程中，通過(guò)綜合應(yīng)用上述3種鉆具組合，在保證井眼軌跡的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水平段連續(xù)密閉取心，取得了很好的應(yīng)用效果。表1、表2和表3為密閉取心段截取的實(shí)測(cè)井眼軌跡部分?jǐn)?shù)據(jù)。從表1可以看出，在1 210.53～1 235.94 m井段，進(jìn)尺25.41 m降斜0.52°，降斜效果明顯。

表1 取心段部分降斜軌跡數(shù)據(jù)Table 1 Borehole trajectory with coring section inclination-decrease

從表2可以看出，在1 263.61～1 284.86 m井段，進(jìn)尺21.25 m增斜0.27°，增斜效果明顯。

表2 取心段部分增斜軌跡數(shù)據(jù)Table 2 Borehole trajectory with coring section inclination-increase

從表3可以看出，在1 355.24～1 376.58 m井段，進(jìn)尺21.34 m井斜變化0.07°，穩(wěn)斜效果理想。

表3 取心段部分穩(wěn)斜軌跡數(shù)據(jù)Table 3 Borehole trajectory with coring section inclination-stabilization

采用杏6-20檢平647井實(shí)測(cè)井眼軌跡數(shù)據(jù)，通過(guò)Landmark軟件形成該井實(shí)鉆井眼軌跡1∶200的縮略圖，其水平投影及垂直剖面分別如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出，A靶點(diǎn)、B靶點(diǎn)、C靶點(diǎn)、D靶點(diǎn)和E靶點(diǎn)過(guò)渡平穩(wěn)光滑，完全滿足0.6～1.0 m薄油層水平井連續(xù)密閉取心設(shè)計(jì)要求。

圖2 實(shí)測(cè)井眼軌跡水平投影圖Fig.2 Horizontal projection of measured borehole trajectory

3.2.2 取心工藝質(zhì)量控制

在杏6-20檢平647井水平段密閉取心時(shí)，上提、下放摩阻較大，直接影響樹(shù)心放不到井底和割心拉力不準(zhǔn)。為此，密閉取心鉆進(jìn)時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行取心工程師下達(dá)的操作指令；連續(xù)密閉取心時(shí)，采用優(yōu)化后的井底增斜、穩(wěn)斜和降斜密閉取心鉆具組合，調(diào)整井斜和方位，并精細(xì)控制鉆進(jìn)參數(shù)，保障水平段密閉取心收獲率和密閉率，同時(shí)精準(zhǔn)控制密閉取心井段井眼軌跡。

圖3 實(shí)測(cè)井眼軌跡垂直剖面圖Fig.3 Vertical profile of measured borehole trajectory

3.3 應(yīng)用效果

在水平段取心施工中，創(chuàng)新應(yīng)用的LWD儀器與不同長(zhǎng)度雙筒單動(dòng)密閉取心工具，配套單、雙螺旋扶正器，實(shí)現(xiàn)增斜、穩(wěn)斜和降斜，減少了為調(diào)整井眼軌跡而增加的起下鉆次數(shù)，避免了密閉取心不連續(xù)，縮短了鉆井取心周期。高質(zhì)、高效完成水平段連續(xù)取心315.5 m，單層連續(xù)不間斷密閉取心236.6 m，取心收獲率99.76%，密閉率97.10%。

4 結(jié)論及建議

(1)研制的5套不同長(zhǎng)度雙筒單動(dòng)水平井連續(xù)密閉取心工具，通過(guò)LWD儀器監(jiān)測(cè)，達(dá)到密閉取心的同時(shí)控制井眼軌跡的目的，滿足鉆井工程設(shè)計(jì)要求。

(2)該工具可將井眼軌跡精準(zhǔn)控制，且現(xiàn)場(chǎng)定向與密閉取心完美結(jié)合，在大慶杏6-20檢平647井中得到了成功應(yīng)用，首次在油層有效厚度僅0.6～1.0 m的靶體中連續(xù)取心315.54 m，取心收獲率99.76%，密閉率97.10%。

(3)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)5趟不同鉆具組合鉆進(jìn)進(jìn)行充分分析后，確定井底適合該井增斜、穩(wěn)斜和降斜鉆具組合，同時(shí)優(yōu)化鉆井參數(shù)，有效實(shí)現(xiàn)在薄油層中連續(xù)取心的同時(shí)精細(xì)控制井眼軌跡。

(4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水平井密閉取心工具上的螺旋扶正器外徑對(duì)整體水平井井眼軌跡控制有一定的影響，建議后續(xù)優(yōu)化時(shí)考慮螺旋扶正器外徑的影響。