王西貴 鄒德永 楊立文 孫少亮 蘇洋

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 2.中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院)

0 引 言

近年來，我國油氣勘探突破東部地區(qū)4 500 m以深、西部地區(qū)6 000 m以深的區(qū)域，油氣勘探深度總體下降2 000 m左右，深層高溫高壓地層及非常規(guī)油氣賦存區(qū)已成為我國油氣勘探重大接替區(qū)[1]。

在研究深層頁巖油氣和煤層氣等非常規(guī)資源賦存條件與精細(xì)開發(fā)過程中，儲層總含氣量是計(jì)算非常規(guī)油氣資源潛力及儲層預(yù)測最重要的參數(shù)[2]。由于非常規(guī)油氣與常規(guī)油氣儲層存在較大的差異，前者賦存有一定比例的吸附氣，為了定量確定含氣量的大小，需要對其吸附氣量和游離氣量兩個(gè)部分都進(jìn)行準(zhǔn)確測試。深層頁巖氣井埋藏越深，損失氣逸散時(shí)間越長，頁巖現(xiàn)場含氣量測試中的損失氣量誤差越大，只能通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行估算，損失氣量的精確計(jì)算已成為評估非常規(guī)油氣資源含氣量的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

為了解決損失氣量無法準(zhǔn)確計(jì)量的問題，可通過保溫保壓保形取心方式盡量減小估算誤差。保溫保壓取心技術(shù)初期是為可燃冰鉆探取樣而研制的，保形取心技術(shù)則是近年來應(yīng)對非常規(guī)油氣開發(fā)形成的新技術(shù)。20世紀(jì)中期，美國和歐盟等就開始研究保溫保壓取心技術(shù)，研制了PCB、ODP-APC、ODP-PCS、PTCS和HYACE等系列取心工具，并實(shí)現(xiàn)了深海天然氣水合物樣品的成功獲取[3-4]。我國的保溫保壓取心技術(shù)起步較晚。長城鉆探工程公司于2014年成功研制了GWY194-70BB型保溫保壓取心工具，保壓能力達(dá)20 MPa，取巖心直徑70 mm，并在淺層煤層氣和天然氣藏進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用[5]。中石化勝利鉆井院的保溫保壓取心工具于2017年5月在南海 LW3 區(qū)塊成功應(yīng)用[6]。近年來，長城鉆探公司聯(lián)合石油高校，針對陸地深層非常規(guī)油氣儲層“保油、保氣、保形”特殊取心技術(shù)需求開展攻關(guān)，在前期研究基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化改進(jìn)新型保溫保壓保形取心工具，使其應(yīng)用范圍和適應(yīng)能力進(jìn)一步提高。新型保溫保壓保形取心工具在山西煤層氣和浙江油田頁巖氣等非常規(guī)油氣資源中進(jìn)行了推廣應(yīng)用[7-8]，為我國非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)提供了重要技術(shù)手段和支持。

1 技術(shù)分析

1.1 保溫保壓保形取心工具結(jié)構(gòu)及原理

該型取心工具結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。

取心外筒上端連接鉆具，下端連接取心鉆頭，用于傳送鉆壓和扭矩[10]。保溫保壓保形取心內(nèi)筒下端連接球閥密封裝置，上端則依次是測量系統(tǒng)、壓力補(bǔ)償裝置和差動(dòng)控制系統(tǒng)等。

上述工具的各部件按順序組裝完成后，檢查確保各部件都正常工作后入井。取心鉆進(jìn)開始前和鉆進(jìn)過程中，球閥均處于打開狀態(tài)，為巖心提供通道。鉆取目的層位巖心后，通過井口投入專用鋼球堵塞原有鉆井液液流通道而造成壓力上升，利用液壓作用剪斷差動(dòng)機(jī)構(gòu)固定銷釘進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外筒不動(dòng)、內(nèi)筒上提的差動(dòng)動(dòng)作。在此差動(dòng)過程中，球閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°，完成保溫保壓保形取心內(nèi)筒的密封，同時(shí)打開壓力補(bǔ)償裝置的開關(guān)。壓力補(bǔ)償裝置的主要作用是當(dāng)內(nèi)筒壓力降低到預(yù)置啟動(dòng)壓力時(shí)，壓力補(bǔ)償通道自動(dòng)打開，從而補(bǔ)償內(nèi)筒壓力重新回到近地層壓力。測量系統(tǒng)可以對內(nèi)筒中的溫度和壓力進(jìn)行連續(xù)測量和存儲，監(jiān)測巖心在起鉆過程中的動(dòng)態(tài)變化，直觀地表征保壓取心的密封效果。

1.2 取心工具技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 巖心直徑大，保壓效果好

該型保溫保壓保形取心工具所取巖心直徑達(dá)到80 mm，獲取的地層巖心資料全面、真實(shí)。保壓內(nèi)筒采用加強(qiáng)螺紋提升其承壓能力，并具有低摩阻和易切割的特點(diǎn)。為模擬井下工況，保壓保形取心內(nèi)筒與球閥密封裝置組成的保壓系統(tǒng)通過了室內(nèi)高溫高壓試驗(yàn)，最高試驗(yàn)壓力60 MPa，測試周期45 h，在測試周期內(nèi)分別進(jìn)行了增壓、穩(wěn)壓和降壓試驗(yàn)，穩(wěn)壓15 h無壓力泄漏，達(dá)到現(xiàn)場應(yīng)用條件。

1.2.2 適應(yīng)能力強(qiáng)，適用于水平井取心作業(yè)

該型取心工具采用內(nèi)提式液壓差動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作時(shí)通過投球，利用液壓作用剪斷銷釘并進(jìn)行差動(dòng)，在差動(dòng)過程中外筒不動(dòng)、內(nèi)筒反向提升[11]，因而避免了井斜對差動(dòng)效果的影響，可滿足大斜度井和水平井等井型保壓取心作業(yè)需求，適應(yīng)能力較強(qiáng)。

2 關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

在保溫保壓保形取心工具研制過程中，巖心直徑和保壓能力兩項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)始終難以取得突破，尤其在保壓能力方面，是制約保壓取心技術(shù)向深井以及深海鉆探拓展的技術(shù)瓶頸。由于巖心直徑和保壓能力互為制約關(guān)系，在設(shè)計(jì)過程中為保證球閥的密封性和承壓能力，往往需要犧牲一定的巖心直徑。為了進(jìn)一步提升取心工具保壓能力和巖心研究價(jià)值，對大通徑球閥、壓力補(bǔ)償裝置和保溫保壓內(nèi)筒等關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了60 MPa高溫高壓條件下大直徑巖心獲取，解決了取心工具巖心直徑小、保壓能力弱及保溫效果差的技術(shù)難題。

2.1 大通徑球閥優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對常規(guī)球閥的密封圈易移位、井底異物易進(jìn)入球閥與球閥座間隙等導(dǎo)致密封失效的問題，改進(jìn)設(shè)計(jì)了圓弧閉合球閥密封裝置[12-13]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

球閥的各部件按照要求裝配好之后,在彈簧回復(fù)力的作用下圓弧球閥座始終與球閥緊密貼合，形成預(yù)密封。當(dāng)取心鉆進(jìn)完成、需要關(guān)閉球閥時(shí)，通過井口投球啟動(dòng)差動(dòng)控制系統(tǒng)，齒條關(guān)閉套筒因外徑稍大而隨著取心外筒保持不動(dòng)，球閥的其他部件則反向抬升一段距離，齒輪在齒條導(dǎo)軌上轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)球閥轉(zhuǎn)動(dòng)90°達(dá)到密封效果。

球閥和球閥座采用圓弧面密封結(jié)構(gòu)，通過復(fù)位彈簧和取心筒內(nèi)部的封存高壓的聯(lián)合作用力，使球閥與球閥座貼合更緊密，密封更可靠；球閥座采用圓弧刮刀設(shè)計(jì)，具備自清潔功能，可清除球閥表面的微小砂礫等異物；球閥關(guān)閉采用齒輪與齒條配合的關(guān)閉形式，使球閥關(guān)閉過程更加平穩(wěn)。

2.2 壓力補(bǔ)償總成優(yōu)化設(shè)計(jì)

原氮?dú)庵苯友a(bǔ)償?shù)姆绞剑斐刹糠值獨(dú)膺M(jìn)入保溫取心內(nèi)筒，進(jìn)而影響煤層氣和頁巖氣等非常規(guī)油氣巖心的含氣量測試，為此，優(yōu)化了氣液補(bǔ)償總成[14]。新型氣液補(bǔ)償總成結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

1—高壓氮?dú)馐遥?—啟動(dòng)室封堵；3—定壓啟動(dòng)室；4—浮動(dòng)氣閥；5—固定銷釘；6—滑套開關(guān)；7—?dú)忾y滑動(dòng)室；8—下連接套；9—隔離活塞。

氣液補(bǔ)償總成的高壓氮?dú)馐疑隙诉B接差動(dòng)控制系統(tǒng)，下端連接定壓啟動(dòng)室，其主要作用是儲存高壓氮?dú)猓鳛闅庖貉a(bǔ)償總成的動(dòng)力源；定壓啟動(dòng)室的作用是預(yù)充相當(dāng)于井底靜液柱壓力的氮?dú)?，作為補(bǔ)償總成啟動(dòng)的壓力值；滑套開關(guān)起初由銷釘固定在氣閥滑動(dòng)室外壁上，在差動(dòng)控制系統(tǒng)作用下剪斷銷釘、滑套開關(guān)下移到預(yù)定位置后，氣液補(bǔ)償總成的通道才完全貫通。隔離活塞左端是氣體，右端是液體，是氣液補(bǔ)償總成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

浮動(dòng)氣閥左端與定壓啟動(dòng)室連通，右端與隔離活塞室連通，當(dāng)兩端壓力不同時(shí)，在壓力差的作用下氣閥向右移動(dòng)，高壓氮?dú)庾⑷敫綦x活塞室推動(dòng)隔離活塞向右移動(dòng)擠壓預(yù)置液體，實(shí)現(xiàn)下部的保形膠筒與保溫金屬筒之間的液壓加載。隨著下連接套內(nèi)部壓力逐步回升，氣閥向左移動(dòng)阻斷補(bǔ)償通道，自動(dòng)停止補(bǔ)償。由于液體具有不可壓縮性，氣液補(bǔ)償方式相較于純氣體補(bǔ)償更加清潔、高效和穩(wěn)定。

2.3 復(fù)合式可切割保溫取心內(nèi)筒優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于真空復(fù)合式保溫筒加工工藝復(fù)雜，高真空度難以保證，且真空式保溫筒厚度較大，導(dǎo)致獲取的巖心直徑縮小，與巖心直徑越大越有利于地層信息的獲取相違背。在新型保溫材料迅猛發(fā)展的背景下，經(jīng)調(diào)研，二氧化硅氣凝膠在 0 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.013 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于常溫下靜止空氣(0.025 W/(m·K))，目前被認(rèn)為是隔熱性能最好的固態(tài)材料[15]，且成型性較好。非常規(guī)油氣開發(fā)多涉及孔隙度和滲透率的計(jì)算，為了保護(hù)近地層巖性的物性狀態(tài)，將鋁合金外筒升級為膠筒，便于向巖心施加近原始地層圍壓?；谏鲜鲆蛩兀瑑?yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合式可切割保溫取心內(nèi)筒，其主要由金屬保溫外筒、二氧化硅氣凝膠保溫層、膠筒、隨動(dòng)保形膠膜和連接頭等組成，如圖4所示。

1—膠筒上接頭；2—金屬保溫外筒；3—反熱輻射涂層；4—保溫層；5—膠筒；6—隨動(dòng)保形膠膜；7—膠筒下接頭；8—巖心。

其主要工作機(jī)理是：將金屬保溫外筒與膠筒環(huán)空密封，預(yù)置一定量的壓力傳遞液，且與氣液補(bǔ)償總成的壓力傳遞液保持連通，在保溫層的適當(dāng)位置設(shè)計(jì)幾個(gè)通孔，便于傳遞液的壓力傳遞。當(dāng)下部的球閥關(guān)閉后，在壓力補(bǔ)償裝置的作用下，相當(dāng)于近地層壓力的傳遞液會壓迫膠筒，對內(nèi)部巖心形成圍壓保護(hù)，降低起鉆過程中因鉆具震動(dòng)造成的巖心傷害，使巖心的孔隙度和滲透率測試更加準(zhǔn)確。在二氧化硅氣凝膠保溫層的作用下，巖心的溫度受外界的影響顯著降低。

采用膠筒代替原有鋁合金取心內(nèi)筒，向膠筒外壁施加液壓進(jìn)而對內(nèi)部巖心提供近地層圍壓保護(hù)；橡膠材質(zhì)比鋁合金更加容易切割，可減少因切割過程產(chǎn)生的熱量對非常規(guī)油氣心樣品造成的損害；優(yōu)選的二氧化硅氣凝膠材料保溫性能好、易成型，可有效延緩?fù)饨鐪囟葘r心的影響。

3 取心技術(shù)措施及巖心地面處理工藝

3.1 取心技術(shù)措施

為了保證取心作業(yè)順利進(jìn)行，在施工前準(zhǔn)備以及取心鉆進(jìn)等環(huán)節(jié)均制定了詳細(xì)的取心技術(shù)措施。

(1)下鉆過程：取心下鉆過程中遇阻不能超過50 kN，且不準(zhǔn)使用取心工具強(qiáng)行通井和劃眼作業(yè)，推薦下鉆速度以每小時(shí)11柱為宜。為了避免一次性下鉆到井底開泵困難，推薦每下鉆30柱循環(huán)一次鉆井液，保證取心鉆頭水眼暢通。下鉆到底后，緩慢開泵，防止瞬間壓力過大提前剪斷液壓差動(dòng)系統(tǒng)的固定銷釘。待鉆井液循環(huán)正常且徹底清洗井底后，方可進(jìn)行取心鉆進(jìn)。

(2)取心鉆進(jìn)：從安全性、時(shí)效性和工具平穩(wěn)性方面綜合評估，制定了小鉆壓、中低轉(zhuǎn)速和中小排量的鉆進(jìn)參數(shù)。在引心時(shí)期，要精準(zhǔn)控制鉆壓，建議將鉆壓控制在5～10 kN，以保證所獲取巖心的頂部成型較好，正常鉆進(jìn)鉆壓控制在40～50 kN。高效孕鑲金剛石取心鉆進(jìn)的工作機(jī)理以研磨為主、切削為輔，考慮到鉆頭切削效率和轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，如果轉(zhuǎn)速過高會導(dǎo)致水平段和直井段的鉆具不同步，不利于取心鉆具的平穩(wěn)和巖心的獲取，因此鉆具轉(zhuǎn)速以50～65 r/min為宜。針對?215.9 mm井眼取心，鉆井液排量控制在16～22 L/s。

3.2 巖心地面處理工藝

在進(jìn)行非常規(guī)油氣取心作業(yè)時(shí)，保溫保壓保形取心技術(shù)提供了多種巖心地面處理配套工藝。保壓巖心到達(dá)地面后，可根據(jù)需要進(jìn)行液氮冷凍、帶壓解吸和游離氣收集等作業(yè)。現(xiàn)場配套了專用冷凍裝置，其內(nèi)部隔溫式設(shè)計(jì)及多孔道循環(huán)方式可以提升冷凍效果和縮短冷凍時(shí)間，可以快速地將內(nèi)筒內(nèi)的高壓流體固化降壓，最大限度地減少油氣組分的損失?，F(xiàn)場巖心達(dá)到冷凍效果后進(jìn)行低溫切割，迅速轉(zhuǎn)移到液氮樣品罐內(nèi)，持續(xù)保持零壓力狀態(tài)，并及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析化驗(yàn)，整個(gè)操作過程始終在液氮冷凍環(huán)境下進(jìn)行。為更直觀地獲取保壓巖心油氣數(shù)據(jù)，現(xiàn)場還可通過內(nèi)筒氣體收集接口進(jìn)行帶壓解吸和氣體收集。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

4.1 工具在煤層氣井中的應(yīng)用

N1-H3井位于山西省大寧地區(qū)，構(gòu)造位置在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部，為一口煤層氣開發(fā)井，井型屬于水平井，設(shè)計(jì)井深3 150 m。為了精細(xì)評價(jià)該地區(qū)古生界山西組儲層物性及含氣飽和度等儲量參數(shù)，同時(shí)為建立人工氣藏及開采方案的制定提供原始數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)在N1-H3井采用保壓取心技術(shù)獲取原始地層巖心的地質(zhì)資料。

實(shí)鉆資料顯示，N1-H3井在鉆進(jìn)過程中頻繁鉆遇多套煤線和煤層，且伴有碳質(zhì)泥巖夾層，地層易垮塌，排量受限，導(dǎo)致井眼凈化困難，鉆具磨阻扭矩大，容易造成憋堵。N1-H3井的三開井身結(jié)構(gòu)增斜段全角變化率較大，不利于保溫保壓保形取心工具的安全下入。鉆具在取心施工過程中易形成托壓現(xiàn)象，所以要求鉆井液潤滑性能要好；隨著水平段長度的逐漸延伸，井眼完整性保護(hù)難度大，導(dǎo)致后期起下鉆作業(yè)及取心鉆進(jìn)施工中風(fēng)險(xiǎn)不可控。綜上所述，該井的地質(zhì)難點(diǎn)和工程難點(diǎn)給保壓取心作業(yè)的順利實(shí)施帶來了雙重挑戰(zhàn)。

按照預(yù)先制定的取心技術(shù)方案，第1筒取心用時(shí)10 min，取心井段為2 174.27～2 177.27 m,進(jìn)尺3.00 m，心長2.94 m，收獲率98%。機(jī)械取心鉆速0.33 m/min，割心和關(guān)球閥過程正常；井底靜液壓力25.72 MPa，巖心地面壓力24.11 MPa，保壓率93.74%。第2筒和第3筒取心長度均為3 m，心長分別為2.90和2.92 m，巖心地面壓力分別是22.92和22.12 MPa。3筒次共取心9 m，累計(jì)獲取心長8.76 m，平均保壓率為89.61%，巖心數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 N1-H3井巖心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.2 工具在致密砂巖氣中的應(yīng)用

合川001-74-H3井位于四川省廣安市武勝縣，屬于合川須家河底界構(gòu)造西端的一口開發(fā)井，井型為水平井，設(shè)計(jì)井深3 957 m。為了準(zhǔn)確落實(shí)須家河組儲層物性及含氣飽和度等儲量參數(shù)，為后期建立人工氣藏及開采方案的制定提供原始數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)在合川001-74-H3井采用保壓取心技術(shù)獲取地層巖心資料。

合川地區(qū)須家河組地層巖石平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到157 MPa，最高達(dá)到350 MPa，巖石可鉆性級值達(dá)7級以上，地層研磨性為5～6級，地層壓力系數(shù)高，屬于高壓、強(qiáng)研磨、極硬地層。取心地層裂縫發(fā)育好，易漏失，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和難度極大。合川001-74-H3井三開增斜段每30 m全角變化率超過7.5°，工具下入存在安全隱患。另外該井取心段也為水平段，不利于沉砂攜帶，容易形成巖屑床，再加上取心工具外徑較大，易形成卡鉆事故，所以選用優(yōu)質(zhì)鉆井液以保證攜砂效果和保護(hù)井壁。

精細(xì)化操作保溫保壓保形取心工具順利入井，未發(fā)現(xiàn)明顯遇阻情況。正常取心過程中，取心鉆頭鉆時(shí)均勻，未出現(xiàn)機(jī)械鉆速明顯降低現(xiàn)象。投球關(guān)閉球閥過程中，地面觀察泵壓顯示良好，工具到達(dá)地面后驗(yàn)證球閥成功關(guān)閉密封，地面電子記錄儀測壓顯示的保壓率為87.5%。第2筒和第3筒整體施工平穩(wěn)正常。該井累計(jì)進(jìn)行保壓取心3筒次，總進(jìn)尺7.0 m，平均保壓成功率87.93%，取心收獲率97%，具體巖心數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 001-74-H3井巖心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

(1)保溫保壓保形取心技術(shù)是煤層氣和頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)過程中地層信息獲取的重要手段，隨著深層、超深層非常規(guī)能源的勘探開發(fā)力度的加大，該取心技術(shù)的發(fā)展將更加成熟，配套技術(shù)將更加完善，應(yīng)用將更加普遍。

(2)在常規(guī)保溫保壓取心工具的基礎(chǔ)上，通過大通徑球閥、壓力補(bǔ)償總成和復(fù)合式可切割保溫取心內(nèi)筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)，升級保溫保壓保形取心工具的功能，實(shí)現(xiàn)了非常規(guī)油氣巖心溫度、壓力和形態(tài)的同步保持，為后期巖心的準(zhǔn)確測試提供了支撐。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該型取心工具可應(yīng)用于煤層氣和頁巖氣等非常規(guī)油氣水平井中，巖心收獲率和保壓率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工過程中取心工具運(yùn)行平穩(wěn)、高效。根據(jù)工程需求，可現(xiàn)場進(jìn)行解吸氣收集以及滲透率計(jì)算等巖心測試。