ZY-B型大斜度井密闭取心工具研究与应用

(中国石化中原石油工程有限公司 钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001)①

钻井取心所获取的岩心是认识油气田和地层物性参数的重要资料，是油田勘探与开发的主要依据[1]。密闭取心作业需要在取心内筒中预装入密闭液，在岩心形成过程中密闭液保护岩心柱外部，使岩心不受钻井液的污染，便于获取真实的地层原始孔隙度、含油饱和度、水侵和含水率等资料，用以计算油气地质储量，制定合理高效的勘探、开发方案[2]。随着大多数油田开发进入中后期，及非常规油气资源勘探开发的推进，大斜度井的比例逐渐增大[3]。为进一步认识油气层及油气分布情况，需要进行大斜度井密闭取心。但是，现有的密闭取心工具只适用于直井段施工。因此，现场作业常采用先钻导眼，在直井段进行密闭取心。然后，回填井眼，再定向钻进，大幅增加了成本。为此，中石化中原钻井工程技术研究院开展了大斜度井密闭取心工具研制，通过方案论证、关键工具设计和工艺措施的制定，解决了大斜度井密闭取心技术难题。经现场W268-1井、BT4CX井、S29-4X井、YYP-5井等多口井的应用表明，取心收获率、密闭率等各项指标均能满足大斜度井密闭取心技术要求。

1 大斜度井密闭取心工具研制方案

分析了直井密闭取心和大斜度井密闭取心的技术特征，制定了大斜度井密闭取心工具研制总体方案。工具主要由上活塞、下活塞、悬挂总成、内筒、外筒、岩心锁紧机构、取心钻头等组成。结构示意图如图1所示。

1) 在直井密闭取心工具的基础上设计新的悬挂总成，采用“双筒单动”模式实现取心外筒旋转时保证取心内筒静止，防止岩心碎断和部分钻井液进入工具内腔，保证收获率。

1—上活塞；2—分水水接头；3—上接头；4—T型接头；5—轴承；6—轴承压帽；7—外筒；8—钻头；9—岩心锁紧机构；10—下活塞。

2) 在内外筒间隙处加装扶正机构，保证内筒与外筒在同一轴线，避免内筒偏磨，同时该套机构不影响钻井液正常流通。

3) 优化改进取心钻头内腔结构，缩短取心内筒与钻头底端的距离，避免岩心堆积在钻头与内筒间隙处，合理设计内腔喉道，使密闭液能顺利排出，防止堵心，同时防止钻井液直射岩心，提高密闭效果。

4) 设计新的岩心锁紧机构，卡心机构采用自锁式，由弹性岩心爪外锥面与缩颈套内锥面形成接触面，实现大斜度井割取岩心。

5) 根据大斜度井段取心钻具组合工作状态，对取心筒进行了强度等分析，设计取心外筒、扶正器、替换接头结构，在大斜度井段连续取心的同时，不影响井眼轨迹控制。

6) 设计新的上活塞、下活塞总成，保证销钉未剪断前取心内筒密闭液处于密封状态，销钉剪断后下活塞总成能顺利进入内筒，不影响岩心进入内筒。

2 悬挂总成结构设计

大斜度井岩心柱处于非垂直状态，稍有震动就容易断开。如果岩心本身有裂缝，就更容易断裂。内筒随外筒高速旋转，附着在内筒内壁的密闭液也随内筒转动，产生搅动作用，类似于漩涡的形成，若岩心强度低，能够把岩心扭断，导致岩心破碎和磨损，影响后续岩心入筒，发生磨心堵心情况，影响取心效果。因此，需要设计外筒旋转而内筒不旋转的结构。

在转盘的驱动下，分水接头、轴承压帽和取心外筒旋转，T型接头、转换接头在圆锥滚子轴承的作用下相对静止，实现密闭取心工具内筒不随外筒旋转。

悬挂总成由旋转机构和转换接头组成。旋转机构由上活塞、分水接头、活塞座、滚子轴承、支撑套筒、轴承座、轴承压帽组成，将活塞座、滚子轴承、支撑套筒和轴承座封装在分水接头内腔，轴承不受钻井液直接冲蚀、减少了固相颗粒磨损和装卸时碰撞，延长了轴承使用寿命，活塞座下部与转换接头通过螺纹连接。其目的在于克服现有密闭取心工具内筒旋转，导致大斜度井取心时岩心破碎和收获率低的缺陷。

3 内筒扶正结构设计

由于内筒与外筒之间存在一定间隙，取心时内筒下端受重力因素作用，会向外筒内壁贴近，导致内筒与外筒不在同一轴线上，影响岩心进入。原直井取心工具内筒扶正装置多为弧形长条状固定装置，加工的弧形长条状扶正块焊接在内筒外壁上，或直接在外筒下接头内铣成弧形长条状扶正块。随着大斜度井增多，它的缺点主要体现在扶正块是固定的，与外筒接触面积大，在取心内筒自重力和岩心重力的影响下，扶正块与外筒的摩擦力增大，易导致内外筒一起旋转，造成岩心断裂，进而引起磨心堵心事故。严重影响取心收获率，给地层分析评价造成严重资料损失。

经过优化设计，内筒扶正结构由扶正器支架和扶正器滚针组成。扶正器支架为圆弧形结构，扶正器支架内外圆弧为同心圆弧，扶正器滚针为圆柱状，该扶正装置3组为1付，每组上下2个支架，3个滚针。3个滚针插入扶正器支架3个孔内，并使滚针本体与支架间保留0.5 mm间隙，以利于滚针转动。3组扶正器装置均布焊接在距内筒底端250 mm处的外壁上，将原本内外筒之间的固定面摩擦改变为滚动摩擦，减小了内外筒之间摩擦力，从而降低了内外筒同时旋转的几率，减小了岩心断裂引起磨心堵心事故，提高了岩心收获率。

4 外筒扶正器结构设计

大斜度井存在井眼轨迹比较复杂的情况，需要不断调整钻具组合才能使井眼轨迹按设计进行。针对大斜度井密闭取心时井眼轨迹难以控制的问题，设计了上下2个外扶正器。2个扶正器通过螺纹与取心外筒连接。还设计了外径同外筒一致，长度、扣型与扶正器一致的2个替换接头。根据不同井眼轨迹的需要，形成3种结构组合类型:

1) 按取心钻头、扶正器、取心筒、扶正器、分水接头的顺序连接为稳斜钻具组合。

2) 按取心钻头、扶正器、取心筒、替换接头、分水接头的顺序连接为增斜钻具组合。

3) 按取心钻头、替换接头、取心筒、扶正器、分水接头的顺序连接为降斜钻具组合。

通过扶正器、替换接头、取心筒、分水接头连接顺序不同而产生3种结构，配合钻具组合分别实现井眼轨迹增斜、降斜、稳斜的目的，满足了大斜度井取心井段井眼轨迹控制的需要。

5 钻头设计

现有密闭取心工具，将密闭取心钻头作为缩径套。岩心爪装入钻头内腔，且有一定活动范围，取心内筒则在岩心爪之后，由内筒下端面当住岩心爪外台肩，控制其活动距离，造成取心内筒距井底距离较远，不利于岩心进入内筒。

普通取心工具在内筒下端安装缩径套，岩心爪装在缩径套内，缩径套直接插入取心钻头内腔，缩短了岩心进入取心内筒的距离。但是每次出心都须将取心内筒与外筒连接的螺纹卸开，然后将整根内筒抽出，再卸掉缩径套出心，出心时费时费力，反复上卸螺纹、抽插内筒容易引起工具损坏。针对以上问题，设计了一种长体密闭取心钻头，它改变了钻头内腔结构，提高水眼位置，避免钻井液冲刷，内筒与缩径套连接，出心时卸掉钻头，可以直接卸开缩径套出心，节省了工作时间，延长了工具寿命。

6 大斜度井密闭取心施工工艺措施

在大斜度井取心，安全系数低，难度大，易发生卡钻、井壁坍塌等井下事故，难以保证井下安全和岩心收获率。根据上述情况，大斜度井取心除严格执行直井取心措施外，还应执行下列技术措施：

1) 造斜段、稳斜段井斜角、方位角都应控制在设计下限。

2) 钻井液性能严格按设计执行。

3) 斜井段坚持短程起下钻，遇阻认真划眼，确保井眼畅通、井壁稳定、无坍塌掉块、无溢流、无漏失、井底干净无落物。

4) 取心工具下至斜井段时，司钻操作刹把必须控制下钻速度，操作平稳，不能出现任何失误。

5) 下钻速度控制在15 m/min。下钻遇阻不超过30 kN。当遇阻30 kN时，应接方钻杆开泵循环，并上下活动钻具，必要时可在取心技术人员指导下适当划眼，划眼2 m应上提钻具，重新下放划眼。若遇阻井段较长或遇阻严重时，应起钻通井。

6) 在斜井段内钻具静止时间不得超过2 min 。

7) 记录起下钻具时的摩阻数据，作为取心钻进时的参考数值。

8) 取心钻进时的钻压应考虑钻具摩阻数据，适当调整。

9) 取心钻进时每0.2 m记录钻时一次，根据钻时，转盘载荷，泵压变化，地层岩性以及振动筛出砂量等因素，综合分析判断井下情况，发现异常立即割心起钻。

10) 起钻遇阻，按正常钻进时起下钻遇阻情况处理。应避免钻具剧烈振动，以防掉心。

7 现场应用情况

为了检验工具在井底复杂条件下的工作状态，首先在钻井一公司全尺寸试验井进行了功能性试验，试验井段 1 730.0～1 735.3 m ，井斜89. 6°，取心进尺5.3 m，心长5.3 m，收获率100%，密闭率为95.45%，地层岩性为灰岩夹白云岩。试验成功后，又在W268-1井、BT4CX井、S29-4X井、YYP-5井等多口井进行了应用，均获得了成功。

7.1 YYP-5井应用情况

YYP-5水平井所属斯伦贝谢延长区块，位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部局部构造，是我国第1口陆相非常规油页岩评价井，钻探目的为预探三叠系延长组长7段优质页岩储层的天然气产能。取心地层岩性以碳质泥岩、油页岩为主，夹泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，取心段井斜角60°，地层倾角1°。

7.1.1技术参数

1) 钻具组合。ø215.9 mm取心钻头+取心筒+ø158.8 mm DC×6根+ø127 mm HWDP×15根+ø127 mm 钻杆。

2) 钻井液性能。密度1.17～1.2 g/cm3，粘度56 s，失水4 mL。

3) 钻进参数。钻压30～60 kN，转速40～60 r/min，泵压4.5 MPa，排量18～22 L/s。

7.1.2取心概况

YYP-5井水平井全井共取心5筒，井段为1792.5～1799.42 m和1829.4～1844.80 m，累计进尺22.32 m，心长19.28 m，平均收获率86.4%，密闭率为96%。累计纯钻11.85 h，平均机械钻速为0.53 m/h，单筒最高收获率99%。

7.2 BT4CX井应用情况

BT4CX井位于新疆维吾尔自治区巴楚县内，设计井深6 037 m，地层压力系数2.01 g/cm3，井液密度2.02 g/cm3，井径平均扩大率21.85%，表明地层易坍塌，需优化钻井液性能，防止井壁失稳。该井取心井段5 107.0～5 117.4 m，取心井段最大井斜68°，两次取心工具下钻至5 060 m左右均遇阻严重。采用取心工具划眼，大排量循环等措施下钻到井底。划眼时参数为钻压5～15 kN，转速30～45 r/min，排量25 L/s，泵压20～22 MPa,确保井眼畅通。井底干净后树心钻进，钻进参数为：钻压30～60 kN，转速50～60 r/min，排量19 L/s，泵压18～20 MPa。累计取心进尺10.4 m，心长10.20 m，平均收获率98.07%，密闭率95%。

8 结论

1) 设计的密闭取心工具能满足大斜度井密闭取心需要，可实现双筒单动和密封功能，有利于保护岩心的完整，有效保证取心收获率和密闭率。

2) 制定的取心工艺措施，涵盖钻进参数、施工流程、安全措施等方面，完善了大斜度井的密闭取心工艺技术。经过工具入井功能性试验和现场多口井应用，收获率、密闭率均达到现场作业指标要求。

3) 通过扶正器与替换接头互换，配合钻具组合，分别实现井眼轨迹增斜、降斜、稳斜的目的，满足了大斜度井取心井段井眼轨迹控制的需要。

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[1] 李让，肖国益，夏彬，等. 深井密闭取心技术在普光8井的应用[J].石油钻采工艺，2008，30(1)：38-42.

[2] 李让，吕跃斌，彭彬，等. 自锁式深井密闭取心工具的研制与应用[J].石油矿场机械，2012，41(4)：57-60.

[3] 王兴武，李让，王志明，等.我国西部地区超深井钻井取心技术[J].天然气工业，2010(11)：63-66.