GW-CP194-80A型保压取心工具的研制

杨立文 苏 洋 罗 军 孙少亮

中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院

0 引言

保压取心技术可以使取出的岩心保持在原始地层压力状态下，能最大限度地减少岩心中油气等组分的损失，进而准确求取井底条件下储层流体饱和度等重要地层参数，是目前最先进且技术难度最高的钻井取心技术[1-3]。根据行业需求，保压取心技术现主要被应用于油气勘探开发、海洋资源勘探和地质勘查等领域[4-7]。近年来，我国的保压取心技术已取得了较大的进展，并逐渐形成了海上绳索式保压取心技术和陆上起钻式保压取心技术两大技术类别。2017年5月，中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院研制的天然气水合物（以下简称水合物）保温保压取心工具在我国南海海域水合物赋存区进行了13筒次的现场试验，9筒次成功获取到水合物岩心样品，打破了国外绳索式水合物保压取心技术的垄断[8-9]。中国石油集团长城钻探工程有限公司（以下简称长城钻探公司）工程技术研究院具有完善的保压取心技术研发和服务能力，连续多年进行起钻式保压取心技术研究和应用，2014年研制出GWY194-70BB型保压取心工具，保压能力为20 MPa、所取岩心直径为70 mm，综合技术水平在国内处于领先地位[10]。但是，较之于国外同类产品，国内现有的保压取心工具在岩心直径和保压能力两项主要技术指标方面尚存在着明显的差距，尤其是在保压能力方面，成为制约保压取心技术向深井以及深海钻探拓展的技术瓶颈[12]。为此，长城钻探公司基于GWY194-70BB型保压取心工具，设计研发了GW-CP194-80A型起钻式保压取心工具（以下简称新工具），所取岩心直径由70 mm提升至80 mm、保压能力由20 MPa提升至60 MPa。新工具在陆上油田进行了5口井27筒次的现场试验和应用，取得了平均取心收获率为87.5%、保压成功率达92.6%的良好效果。

1 新工具的结构及技术参数

1.1 新工具的结构及原理

GW-CP194-80A型保压取心工具主要由液压差动总成、上部密封机构、测量总成、保压内筒总成、球阀密封装置、外筒和取心钻头组成，其结构如图1所示。

新工具的工作原理是：保压内筒的下端连接球阀密封装置，上部依次连接测量总成、上部密封机构和液压差动总成。取心钻进时，球阀处于打开状态，岩心通过球阀进入保压内筒。钻取完岩心后，差动总成可在液压作用下进行差动，并带动内筒相对外筒做反向抬升运动，在此过程中，上部密封机构和球阀密封装置同时被关闭，完成内筒的保压密封。测量总成可以对内筒中的温度和压力进行连续测量和存储，通过细小的趋势变化可以更加详细地了解岩心样本在起钻过程中油气成分的挥发分解过程。

图1 GW-CP194-80A型保压取心工具结构图

1.2 新工具的主要技术参数

GW-CP194-80A型保压取心工具的主要技术参数包括：工具总长8.00 m，外径194 mm，取心钻头尺寸215.9 mm；单次可取岩心长度6.0 m，岩心直径80 mm，额定保压60 MPa；割心方式为液力加压和自锁式割心相结合[12]，采用钻具起下作业方式。

2 新工具关键部件的研制

2.1 大通径球阀密封装置

对于保压取心工具来说，岩心直径和保压能力互为制约关系，提升保压能力势必要牺牲岩心直径。长城钻探公司前期研制的GWY194-70BB型保压取心工具采用70 mm通径球阀，保压能力20 MPa，仅能满足浅井保压取心作业。为了实现岩心直径和保压能力的同步提升，通过对70 mm通径球阀密封装置进行材料和结构的优化改进，设计研制了80 mm通径可受控转动的机械式旋转大通径球阀密封装置，如图2所示。

图2 大通径球阀密封装置图

球阀在下钻和取心钻进期间为打开状态，取心钻进时，岩心通过球阀进入内筒，钻取岩心完成后，在内外筒差动作用下旋转关闭，实现内筒下部密封[13]。该装置以40CrMo合金钢为原料，配合采用高性能密封圈，额定保压60 MPa。

2.2 高强度保压内筒总成

为了满足煤层气、页岩气等非常规油气藏地层条件，同时满足地面岩心冷冻、切割现场作业需求，保压内筒应具有低摩阻、强度大、易切割的特点。经过系列材质优选，保压内筒选用7075型超硬铝合金，调质处理，并采用加强螺纹提升其承压能力[14]。为模拟井下作业工况，保压内筒与球阀密封装置组成的保压系统通过了室内高温高压试验，测试周期45 h，在测试周期内分别进行了增压、稳压、降压试验。其中最高试验温度70 ℃，最高试验压力86 MPa，稳压15 h无压力泄漏（图3），使保压系统具备了在深井高密度条件下的保压取心作业能力。

图3 高温、高压试验数据图

2.3 内提式液压差动总成

差动总成的作用是使内、外筒产生差动位移，在差动过程中触发球阀关闭机构和上部密封机构，实现保压内筒的上下同步密封。GWY194-70BB型保压取心工具采用机械式差动总成，差动方式为内筒不动，外筒下行。因此存在着外筒与井壁摩擦的问题，如果井眼不规则或摩阻较大，容易导致外筒下行困难，差动失败。GW-CP194-80A型保压取心工具采用内提式液压差动总成，工作时通过投球，利用液压作用剪断销钉并进行差动，在差动过程中外筒不动，内筒在外筒内部完成提升，因而避免了井斜因素对差动效果的影响，可以满足大斜度井、水平井保压取心作业需求。

2.4 上部密封机构

受保压取心工具结构影响，内筒上部无回压阀，岩心进入内筒后，内筒中的钻井液通过岩心与内筒之间的缝隙从下部排出。当在煤层或破碎地层取心时，岩心易将缝隙填充，封堵在内筒中的钻井液难以释放，就会成为后续岩心的进筒阻力[15]。现场试验证明，该种无回压阀的内筒结构极易造成内筒压力过高，甚至对岩心产生反向钻压作用力，加剧岩心的破碎和堵心。上下同步密封机构是为防止堵心，减小岩心进筒阻力作出的特殊设计，在钻进过程中可以起到保持内筒内外压力平衡的作用，井底压力测量数据也更为准确。其原理是在内筒上部设计一单向排压阀，如图4所示。

图4 上部密封机构结构图

在钻取岩心过程中，单向排压阀处于打开状态，可将内筒中的压力和钻井液及时排放出去。钻进结束后，在差动作用下，上部密封活塞被顶进密封接头，将单向排压阀关闭，完成内筒的上部密封。上部密封机构配合球阀密封装置，可实现保压内筒的上下同步密封。

3 新工具的配套工艺技术

由于非常规油气资源成藏机理、赋存形态及开发技术不同于常规油气资源，在进行保压取心作业时，GW-CP194-80A型保压取心工具提供了3种配套工艺技术，可根据常规及非常规油气藏地质特点和地质需要进行配套工艺技术选择，以下分述之。

3.1 液氮冷冻技术

保压取心工具达到地面后，取心内筒处于高压状态，要取出岩心而不能让岩心中的油气水损失，必须将岩心流体固化在岩心中[16]。液氮冷冻技术是利用液氮（常压下温度为－196 ℃）对保压内筒和岩心同时进行超低温冷冻，冷冻后岩心油气水组分完全保留，并可以对岩心进行切割、取样、存储和化验分析。其主要原理是液体在变为固体时，压力消失，岩心中的流体因低温失去流动和挥发性能，因而最大限度地减少了油气等组分的损失。现场试验证明，保压冷冻岩心孔隙中油气水三相回收率可超过95.0%。

3.2 保压密闭取心技术

保压密闭取心技术是将保压取心和密闭取心相结合，通过在保压内筒中加入密闭液，达到岩心保压和密闭的双重效果。密闭液可采用蓖麻油或氯化石蜡，具有良好的热稳定性、流动性及附着性能[17-19]。采用保压密闭取心作业方式时，内筒上部密封机构回压阀关闭，下部采用密闭头将球阀中孔密封。取心钻进时，密闭头首先在钻压作用下被顶进内筒，随着后续岩心的进入，密闭液被等体积置换排出，并及时在岩心表面形成保护膜，进而起到保护岩心不被钻井液侵入和污染的作用，从而获取到更为准确的原始油水饱和度。

3.3 保压内筒解吸技术

对于煤层气藏和页岩气藏，含气量和临界解吸压力是资源开发和地质评价的重要指标[20-22]。气体解吸保压内筒是为煤层气、页岩气等非常规气藏专门设计的特制保压内筒，内筒具有增压接口和气体收集接口，到达地面后可不将岩心取出，直接进行游离气收集、吸附气解吸以及地层压力下临界解吸压力特征观测（图5）。

为了使获取的测试数据更为准确，解吸保压内筒单次取心长度为1.0～1.5 m，有利于准确获取单位体积下岩心含气量数据。

图5 气体解吸保压内筒压力测试图

3.4 保压取心的关键技术措施

根据GW-CP194-80A型保压取心工具的技术特点，在井眼准备、取心钻进等环节制订了以下措施。

1）为保证取心作业顺利进行，在卡准层位准备取心之前应彻底循环清洗井底，确保井眼干净畅通，井底无落物。

2）水平井或造斜段取心，要求井身设计最大狗腿角小于等于5°，以确保取心工具正常下入。

3）取心作业前应对钻具进行通径，取心钻具组合中如需加入浮阀和随钻震击器，必须保证能顺利通过Ø50 mm加压钢球。

4）取心下钻速度控制在12柱/h以内，不得使用取心工具和取心钻头划眼。

5）取心钻进钻井液排量8～10 L/s，循环排量10～15 L/s，转速30～60 r/min，排量控制和转盘转速应能满足取心钻进要求。

6）现场配备离心机等固控设备，以降低钻井液中有害固相含量，防止砂粒及岩屑影响球阀密封性能。

4 新工具的现场应用效果

2017年以来，GW-CP194-80A型保压取心工具已经在辽河、大庆、四川等油气田进行了5口井27筒次的现场应用，累计完成取心进尺111.48 m，平均取心收获率87.5%，保压成功率92.6%。取心地层包括常规油藏、页岩油藏、页岩气藏，并在深井和水平井保压取心现场应用中获得成功，应用情况见表1。

4.1 深井保压取心现场应用

L11A井为页岩油藏预探直井， GW-CP194-80A型保压取心工具首次在该井进行了3 000 m以深深井保压取心现场应用。该井取心层位垂深为3 350 m，钻井液密度为1.7 g/cm3，井底压力为57 MPa。保压取心工具选用6 m常规保压内筒，共计取心1筒次，取心进尺3.3 m，收获岩心3.02 m，取心收获率达91.5%。内筒到达地面后测得筒内压力为49 MPa，保压率为100%，平均岩心直径为80 mm。该井保压取心获得成功，表明GW-CP194-80A型保压取心工具具备了深井高密度条件下的保压取心作业能力。

表1 GW-CP194-80A型保压取心工具现场应用情况统计表

4.2 水平井保压取心现场应用

B9-28井为常规油藏开发水平井，取心层位井斜65°。保压取心工具选用6 m常规保压内筒，共计取心1筒次，取心进尺4.5 m，收获岩心4.5 m，取心收获率达100%。该井储层岩性以长石岩屑砂岩和灰黑色泥岩为主，岩性较为致密，机械钻速较低。割心时先采用自锁式割心方式将岩心割断，后投入加压钢球，钢球落座后造成压力升高，利用液压作用将差动总成销钉剪断，使内外筒成功进行差动。内筒到达地面后发现球阀关闭良好，保压率达100%。该井保压取心获得成功，表明GW-CP194-80A型保压取心工具具备了水平井保压取心作业能力。

4.3 页岩气保压取心现场应用

以YS-X井为例，该井为页岩气藏评价井，井型为直井，主要取心层位为龙马溪组。保压取心工具选用6 m常规保压内筒取心6筒次，选用1.5 m解吸保压内筒取心5筒次，共计取心11筒次，全部保压成功。该井累计取心进尺39.23 m，收获岩心38.06 m，取心收获率达97.0%。该井由于采用了两种保压内筒，在进行岩心地面处理时采取了不同的工艺措施，常规保压内筒到达地面后采用液氮冷冻技术进行处理，冷冻结束后进行了切割取样和化验分析；解吸保压内筒到达地面后无需冷冻，通过内筒集气接口直接进行了游离气收集、成分测试和点火；游离气收集完毕后又进行了吸附气解吸、收集以及点火测试。现场实测数据显示，采用该技术获取的单位体积岩心含气量为邻井常规取心技术获取岩心的4～6倍，保压、保气效果显著。

5 结论

1）大通径球阀密封装置和高强度保压内筒实现了岩心直径和保压能力的同步提升；内提式差动总成和上部密封机构解决了复杂井眼条件下保压成功率低和取心收获率低的难题，保压取心工具综合技术指标得到显著提高。

2）现场应用效果表明，GW-CP194-80A型保压取心工具同时满足了深井高密度条件下保压取心作业和水平井保压取心作业需求，性能可靠，适应性强，为保压取心技术向深井、复杂结构井的推广应用提供了宝贵的现场经验和技术支撑。

3）GW-CP194-80A型保压取心工具配套技术完善，保压、保气效果显著，可以为常规及非常规油气藏精确计算含油、含气储量，合理制定开发方案提供真实的基础资料和解释依据，值得进一步推广应用。