大井斜密闭取心技术及其在渤海油田的应用

李进 张晓诚 李思洋 刘鹏飞 蒋广蓬

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司 2.海洋石油高效开发国家重点实验室 3. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 4. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司)

0 引 言

油气开发过程中，获取不同深度地层的地质资料至关重要。在探井钻井作业过程中，可利用随钻测井数据分析间接获取储层地质信息[1-2]，但测井作业易受井眼尺寸、钻井液滤失、固井质量和设备的影响，同时对解释人员专业水平要求较高。而密闭取心技术作为获取储层地质资料的最直接手段，避免了钻井液等外部因素对原始岩心的污染，可获取地层的原始资料信息，对准确描述油气储层孔渗饱等性质，指导钻完井作业安全高效地实施具有重要意义[3-4]。

早在1980年，常规取心技术在中硬地层和疏松砂岩地层取心收获率已超过90%，而密闭取心技术的平均收获率只有88.7%，平均密闭率75%[5]。随着技术的不断发展，到2010年，密闭取心技术在页岩气井中取心成功，收获率达到99%，标志我国密闭取心技术已经达到常规取心水平，该技术也逐渐被推广应用到井眼轨迹更复杂、井斜更大、地层更松软的地层。同年，大庆油田以93%的取心收获率攻克了在松散地层密闭取心的难题[6]。2012年，胜利油田采用Rmb-8100型取心工具在坨28-斜检1井成功实现了定向井密闭取心作业，取心段最大井斜30.5°，取心收获率99.41%[7]。2016年，西部钻探工程公司在跃8652井采用含浮动活塞结构的MQX194-120取心工具，成功解决了砂岩地层取心时的卡心、岩心抽筒和掉心问题。大港油田提出合理卡层是保障密闭取心作业高收获率的关键。2019年，大港油田在羊三木区块松软地层进行密闭取心作业，为保障取心工具不受弯曲应力影响，取心井的狗腿度和造斜率被严格限制，取心段最大狗腿度为每30 m 2.05°，最大井斜为5.53°，取心收获率96.92%，密闭率88.64%[8]。2020年，大庆油田采用改进后的双筒双动无悬挂轴承密闭取心工具在储层岩石分选差、胶结松软的方7井以90%的收获率和95%的密闭率完成取心作业[9]。

海上油田受平台空间限制，多采用少井高产、多层同采策略，主要以定向井和水平井开采为主[10]。在油田开发初期，取心以探井取心为主，井斜一般不超过50°[11-12]。而到油田开发中后期，加密调整是挖潜增储的关键技术手段，往往需要在大斜度井中进行取心作业，从而进一步认识储层地质性质及变化。随着井斜的增大，现有密闭取心工具及工艺技术无法满足大井斜调整井取心需求，且该类井的取心在海上油田的需求越来越大，亟需通过技术攻关、升级和改进密闭取心工具及工艺，满足海上油田开发生产需求。

1 技术难点

密闭取心技术于2009年首次在渤海油田应用[13]，目前已累计应用近10口井，取心井段最大井斜为50°，取心收获率86.7%～100%，具体参数如表1所示。

表1 渤海油田密闭取心井统计Table 1 Statistics of sealed coring wells in Bohai Oilfield

通过10余年的应用实践与探索，渤海油田先后实现了疏松砂岩储层、硬地层和特殊复杂地层井段的密闭取心作业。常用的定向井密闭取心工具主要为Rmb-8100型，多采用机械加压方式进行割心，机械加压迫使岩心爪收缩变形，保证岩心进筒后不掉不漏[14-18]。同时，配合采用铝合金衬筒，减小疏松砂岩取心进通阻力，采用封闭式岩心爪防止砂岩胶结疏松而漏心。但随着渤海油田大斜度井的取心需求逐渐增加、取心井段井斜角的增大，为密闭取心带来了难题，具体如下：

(1)井斜角较大或井深较浅时，钻具配重不够、投钢球不到位导致机械加压取心工具无法割心或不满足割心要求。

(2)取心钻具在重力作用下易躺卧在井眼低边，导致钻具不居中，同时受复杂井眼轨迹摩阻的影响，极易导致取心工具在下钻过程中钻头密封活塞销钉提前剪断，密闭液受到污染；另外，大井斜使得取心工具的内筒居中度差，取心作业过程中岩心极易断裂而导致堵心，影响取心收获率。

(3)大斜度井摩阻与扭矩大，取心作业参数判断困难，极易出现误判而采取不适宜的技术措施，从而影响取心收获率，甚至导致取心作业失败。

(4)传统水基密闭液密闭性能差，密闭率低。

2 取心成套技术

2.1 液力加压取心工具

针对大斜度井取心作业特点，对Rmb-8100型取心工具进行优化改进，改进后的取心工具型号为YLRmb-8100。工具结构和参数分别如图1和表2所示。

1—密封钢球；2—加压钢球；3—泄压盘；4—分水接头；5—外岩心筒；6—内岩心筒；7—岩心爪。

表2 YLRmb-8100液力加压密闭取心工具参数Table 2 Parameters of YLRmb-8100 hydraulic pressurized sealed coring tool

由图1可知，相比传统的密闭取心工具，为满足疏松地层、大斜度井或水平井等密闭取心需求，YLRmb-8100型取心工具采用球悬挂、液力加压割心方式，通过液压迫使岩心爪收缩变形，解决大斜度井机械加压钢球不居中的问题。YLRmb-8100取心工具工作原理为：取心钻进至设计深度后，投入1个ø47 mm钢球或尼龙球，开泵送球，球就位后钻具内流道被堵住，泵压逐渐升高，达到7 MPa时承压杆销钉被剪断，内外筒分离，内筒下行到钻头内腔台阶处；继续泵入钻井液，液压力通过内筒传递到岩心爪上，岩心爪沿钻头内腔的斜面收缩，割断岩心并收拢；继续泵入钻井液至泵压达到设定的泄压压力，泄压盘上的螺钉被剪断，钻井液进入旁通流道，泵压被释放，钻具内压力恢复正常，割心完成。

结合YLRmb-8100型取心工具结构和工作原理，其特点如下：

(1)采用三筒组合结构，在取心内筒中内置保形衬筒，保形衬筒选用单根9.3 m铝合金衬筒，具有耐高温且不易变形的特点，出心时直接带岩心切割衬筒并冷冻保存，满足松软地层取心保形的技术需求。

(2)采用密闭结构，内筒顶部和钻头内腔分别通过密封丝堵和活塞进行密封，内筒中充满密闭液体，保护进筒后的岩心不被钻井液污染。

(3)岩心爪收缩后内腔内径为25 mm，使疏松的油砂进筒后在起钻过程中不漏不掉。

(4)具有上下自动扶正功能，能够保证在斜井取心时内筒居中，防止岩心断裂、错位造成堵心。

(5)井斜较大时起下钻摩阻较大，为避免起下钻或划眼过程中活塞受到早期破坏，内筒采用浮动活塞结构，可自动消除井眼液柱压力对工具密闭性的影响，保证岩心的密闭率。

(6)工具设计有泄压盘，当立管压力达到19～21 MPa时可剪断泄压盘销钉泄压，避免割心时工具内憋压。井口出心时可能会放炮伤人，须保证现场作业安全。

(7)设计备用憋压工具，若井斜较大，憋压钢球可根据情况更换为密度较小的尼龙球，保证憋压球顺利到位。

2.2 取心钻头

在钻进取心作业过程中，钻头的结构直接决定着泥饼的形成效果以及岩屑的特征，为提高钻头在大井斜复杂作业工况下的适应性，对配套取心钻头进行优化改进，如图2所示。采用新型低污染钻头结构，优化刀翼的流道结构、水眼水力和方位，使水眼向外侧倾斜，可有效防止钻井液射流对岩心的冲蚀，减轻对岩心的污染程度；增加抗回旋设计，有效控制钻头侧向力，减轻钻头回旋，减少对岩心柱的损伤；钻头切削齿采用13 mm的PDC片，根据“等切削原理”布齿，确保取心过程中钻头的受力平衡，使钻头工作平稳，磨损均匀。

图2 密闭取心钻头结构Fig.2 Structure of sealed coring bit

2.3 新型合成基密闭液

传统水基密闭液流动性和抗温性差，在海上不能有效地密闭岩心。为适应海上钻井所需的钻井液体系，提高岩心的密闭率、取心收获率，保障大斜度井密闭取心效果，研发了一种新型憎水高分子胶体混合密闭液，其性能参数如表3所示。

表3 新型合成基密闭液性能Table 3 Performance of new synthetic-based sealing fluid

该合成基密闭液在隔离岩心和钻井液的同时，既不会污染岩心，也不会被钻井液所溶化，其性能特征如下：具有良好的黏附强度，能在岩心表面形成一层致密的保护膜以堵塞岩心表面的孔隙，阻止钻井液进入而污染岩心；流动性好，在岩心进入内筒的同时，密闭液易被替出；具有抗温防腐能力，且其成分不影响岩心密闭率的测定。

2.4 现场作业措施

为了满足大斜度井密闭取心作业需求，保障取心作业顺利实施，制定现场取心作业措施：

(1)控制狗腿度、维持钻井液性能、保证井壁稳定，取心钻具组合起下钻遇阻不应超过30 kN。

(2)钻进至设计取心层位，起钻前进行短起下作业，将井底处理干净，保证井眼顺畅。

(3)取心钻进前根据实际情况优化钻具组合，增强钻具稳定性；准确测量钻具上提下放摩阻，准确探测井底。

(4)严格控制取心钻进参数，减轻钻井液对岩心的冲刷，防止排量过低导致堵心；作业过程中根据地层变化，及时调整取心参数，要求技术熟练人员操作刹把，保证送钻均匀，跟压及时，防止钻头放空。

(5)地质监督通过精细化地层对比，确保在参数和岩屑混杂的不利情况下卡准取心层位置。

(6)取心工程师做好监测和判断，保证取心收获率。

3 现场应用

渤海C油田A11S1井是一口侧钻调整井，为了评价该油田开发中后期的储层孔渗特征及变化情况，计划在明化镇组取心2筒，取心段斜深1 351～1 388 m，垂深925.5～934.5 m，井眼直径为311.15 mm(12in)，井斜角63.2°。该井设计采用密闭取心，其主要难点如下：取心层位埋藏较浅，压实成岩差，岩心疏松易破碎；取心作业中易发生钻井液冲掉岩心，堵心、磨心等问题，影响取心收获率和密闭率；取心存在井眼不通畅、井壁不稳定、摩阻扭矩大等问题；取心钻具组合起下钻困难，经过侧钻窗口时存在钻头损坏或钻头密封活塞提前剪断的风险，影响井下安全。

针对A11S1井密闭取心面临的难题，优化设计取心钻具组合：第一筒取心钻具组合为取心钻头+YLRmb-8100取心工具(410扣)+转换接头+ø203.20 mm DC×1+ø304.80 mm扶正器+ø203.20 mm DC×5+ø203.20 mm(F/J+JAR)+HWDP+DP；第二筒取心钻具组合为取心钻头+YLRmb-8100取心工具(410扣)+转换接头+ø165.10 mm DC×9+转换接头+ø203.20 mm(F/J+JAR)+HWDP+DP。取心作业过程中，按照表4所示参数进行取心作业。

表4 A11S1井取心钻进参数Table 4 Core drilling parameters of Well A11S1

2022年8月，随着第二筒岩心顺利出井，该井完成2筒密闭取心作业，进尺15.6 m，岩心长15.6 m，取心收获率和密闭率均为100%，取心层位井斜高达63.2°，为渤海油田取心之最，打破了渤海油田最大井斜密闭取心纪录，为今后在大斜度井中的密闭取心作业积累了经验。

4 结 论

(1)针对大斜度井面临的取心难题，通过优化密闭取心工具结构、改进取心钻头设计、研发新型合成基密闭液，创新形成了一套海上油田大斜度井密闭取心工艺技术，可有效保障取心收获率和密闭率。

(2)大井斜密闭取心技术在渤海C油田A11S1井中成功应用，在明化镇组下段地层中密闭取心2筒，收获率和密闭率均为100%，取心层位井斜角高达63.2°，突破了渤海油田密闭取心井斜极限，为渤海油田取心之最，为大斜度井密闭取心作业积累了经验。

(3)应用结果表明，该技术从根本上保证了海上油田大斜度井取心的收获率和密闭率，可准确定量分析油层的油水动态，水淹油层情况及水驱油效果，为后续制定合理的勘探开发方案提供技术保障。