ZY-B型大斜度井密閉取心工具研究與應用

(中國石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001)①

鉆井取心所獲取的巖心是認識油氣田和地層物性參數的重要資料，是油田勘探與開發的主要依據[1]。密閉取心作業需要在取心內筒中預裝入密閉液，在巖心形成過程中密閉液保護巖心柱外部，使巖心不受鉆井液的污染，便于獲取真實的地層原始孔隙度、含油飽和度、水侵和含水率等資料，用以計算油氣地質儲量，制定合理高效的勘探、開發方案[2]。隨著大多數油田開發進入中后期，及非常規油氣資源勘探開發的推進，大斜度井的比例逐漸增大[3]。為進一步認識油氣層及油氣分布情況，需要進行大斜度井密閉取心。但是，現有的密閉取心工具只適用于直井段施工。因此，現場作業常采用先鉆導眼，在直井段進行密閉取心。然后，回填井眼，再定向鉆進，大幅增加了成本。為此，中石化中原鉆井工程技術研究院開展了大斜度井密閉取心工具研制，通過方案論證、關鍵工具設計和工藝措施的制定，解決了大斜度井密閉取心技術難題。經現場W268-1井、BT4CX井、S29-4X井、YYP-5井等多口井的應用表明，取心收獲率、密閉率等各項指標均能滿足大斜度井密閉取心技術要求。

1 大斜度井密閉取心工具研制方案

分析了直井密閉取心和大斜度井密閉取心的技術特征，制定了大斜度井密閉取心工具研制總體方案。工具主要由上活塞、下活塞、懸掛總成、內筒、外筒、巖心鎖緊機構、取心鉆頭等組成。結構示意圖如圖1所示。

1) 在直井密閉取心工具的基礎上設計新的懸掛總成，采用“雙筒單動”模式實現取心外筒旋轉時保證取心內筒靜止，防止巖心碎斷和部分鉆井液進入工具內腔，保證收獲率。

1—上活塞；2—分水水接頭；3—上接頭；4—T型接頭；5—軸承；6—軸承壓帽；7—外筒；8—鉆頭；9—巖心鎖緊機構；10—下活塞。

2) 在內外筒間隙處加裝扶正機構，保證內筒與外筒在同一軸線，避免內筒偏磨，同時該套機構不影響鉆井液正常流通。

3) 優化改進取心鉆頭內腔結構，縮短取心內筒與鉆頭底端的距離，避免巖心堆積在鉆頭與內筒間隙處，合理設計內腔喉道，使密閉液能順利排出，防止堵心，同時防止鉆井液直射巖心，提高密閉效果。

4) 設計新的巖心鎖緊機構，卡心機構采用自鎖式，由彈性巖心爪外錐面與縮頸套內錐面形成接觸面，實現大斜度井割取巖心。

5) 根據大斜度井段取心鉆具組合工作狀態，對取心筒進行了強度等分析，設計取心外筒、扶正器、替換接頭結構，在大斜度井段連續取心的同時，不影響井眼軌跡控制。

6) 設計新的上活塞、下活塞總成，保證銷釘未剪斷前取心內筒密閉液處于密封狀態，銷釘剪斷后下活塞總成能順利進入內筒，不影響巖心進入內筒。

2 懸掛總成結構設計

大斜度井巖心柱處于非垂直狀態，稍有震動就容易斷開。如果巖心本身有裂縫，就更容易斷裂。內筒隨外筒高速旋轉，附著在內筒內壁的密閉液也隨內筒轉動，產生攪動作用，類似于漩渦的形成，若巖心強度低，能夠把巖心扭斷，導致巖心破碎和磨損，影響后續巖心入筒，發生磨心堵心情況，影響取心效果。因此，需要設計外筒旋轉而內筒不旋轉的結構。

在轉盤的驅動下，分水接頭、軸承壓帽和取心外筒旋轉，T型接頭、轉換接頭在圓錐滾子軸承的作用下相對靜止，實現密閉取心工具內筒不隨外筒旋轉。

懸掛總成由旋轉機構和轉換接頭組成。旋轉機構由上活塞、分水接頭、活塞座、滾子軸承、支撐套筒、軸承座、軸承壓帽組成，將活塞座、滾子軸承、支撐套筒和軸承座封裝在分水接頭內腔，軸承不受鉆井液直接沖蝕、減少了固相顆粒磨損和裝卸時碰撞，延長了軸承使用壽命，活塞座下部與轉換接頭通過螺紋連接。其目的在于克服現有密閉取心工具內筒旋轉，導致大斜度井取心時巖心破碎和收獲率低的缺陷。

3 內筒扶正結構設計

由于內筒與外筒之間存在一定間隙，取心時內筒下端受重力因素作用，會向外筒內壁貼近，導致內筒與外筒不在同一軸線上，影響巖心進入。原直井取心工具內筒扶正裝置多為弧形長條狀固定裝置，加工的弧形長條狀扶正塊焊接在內筒外壁上，或直接在外筒下接頭內銑成弧形長條狀扶正塊。隨著大斜度井增多，它的缺點主要體現在扶正塊是固定的，與外筒接觸面積大，在取心內筒自重力和巖心重力的影響下，扶正塊與外筒的摩擦力增大，易導致內外筒一起旋轉，造成巖心斷裂，進而引起磨心堵心事故。嚴重影響取心收獲率，給地層分析評價造成嚴重資料損失。

經過優化設計，內筒扶正結構由扶正器支架和扶正器滾針組成。扶正器支架為圓弧形結構，扶正器支架內外圓弧為同心圓弧，扶正器滾針為圓柱狀，該扶正裝置3組為1付，每組上下2個支架，3個滾針。3個滾針插入扶正器支架3個孔內，并使滾針本體與支架間保留0.5 mm間隙，以利于滾針轉動。3組扶正器裝置均布焊接在距內筒底端250 mm處的外壁上，將原本內外筒之間的固定面摩擦改變為滾動摩擦，減小了內外筒之間摩擦力，從而降低了內外筒同時旋轉的幾率，減小了巖心斷裂引起磨心堵心事故，提高了巖心收獲率。

4 外筒扶正器結構設計

大斜度井存在井眼軌跡比較復雜的情況，需要不斷調整鉆具組合才能使井眼軌跡按設計進行。針對大斜度井密閉取心時井眼軌跡難以控制的問題，設計了上下2個外扶正器。2個扶正器通過螺紋與取心外筒連接。還設計了外徑同外筒一致，長度、扣型與扶正器一致的2個替換接頭。根據不同井眼軌跡的需要，形成3種結構組合類型:

1) 按取心鉆頭、扶正器、取心筒、扶正器、分水接頭的順序連接為穩斜鉆具組合。

2) 按取心鉆頭、扶正器、取心筒、替換接頭、分水接頭的順序連接為增斜鉆具組合。

3) 按取心鉆頭、替換接頭、取心筒、扶正器、分水接頭的順序連接為降斜鉆具組合。

通過扶正器、替換接頭、取心筒、分水接頭連接順序不同而產生3種結構，配合鉆具組合分別實現井眼軌跡增斜、降斜、穩斜的目的，滿足了大斜度井取心井段井眼軌跡控制的需要。

5 鉆頭設計

現有密閉取心工具，將密閉取心鉆頭作為縮徑套。巖心爪裝入鉆頭內腔，且有一定活動范圍，取心內筒則在巖心爪之后，由內筒下端面當住巖心爪外臺肩，控制其活動距離，造成取心內筒距井底距離較遠，不利于巖心進入內筒。

普通取心工具在內筒下端安裝縮徑套，巖心爪裝在縮徑套內，縮徑套直接插入取心鉆頭內腔，縮短了巖心進入取心內筒的距離。但是每次出心都須將取心內筒與外筒連接的螺紋卸開，然后將整根內筒抽出，再卸掉縮徑套出心，出心時費時費力，反復上卸螺紋、抽插內筒容易引起工具損壞。針對以上問題，設計了一種長體密閉取心鉆頭，它改變了鉆頭內腔結構，提高水眼位置，避免鉆井液沖刷，內筒與縮徑套連接，出心時卸掉鉆頭，可以直接卸開縮徑套出心，節省了工作時間，延長了工具壽命。

6 大斜度井密閉取心施工工藝措施

在大斜度井取心，安全系數低，難度大，易發生卡鉆、井壁坍塌等井下事故，難以保證井下安全和巖心收獲率。根據上述情況，大斜度井取心除嚴格執行直井取心措施外，還應執行下列技術措施：

1) 造斜段、穩斜段井斜角、方位角都應控制在設計下限。

2) 鉆井液性能嚴格按設計執行。

3) 斜井段堅持短程起下鉆，遇阻認真劃眼，確保井眼暢通、井壁穩定、無坍塌掉塊、無溢流、無漏失、井底干凈無落物。

4) 取心工具下至斜井段時，司鉆操作剎把必須控制下鉆速度，操作平穩，不能出現任何失誤。

5) 下鉆速度控制在15 m/min。下鉆遇阻不超過30 kN。當遇阻30 kN時，應接方鉆桿開泵循環，并上下活動鉆具，必要時可在取心技術人員指導下適當劃眼，劃眼2 m應上提鉆具，重新下放劃眼。若遇阻井段較長或遇阻嚴重時，應起鉆通井。

6) 在斜井段內鉆具靜止時間不得超過2 min 。

7) 記錄起下鉆具時的摩阻數據，作為取心鉆進時的參考數值。

8) 取心鉆進時的鉆壓應考慮鉆具摩阻數據，適當調整。

9) 取心鉆進時每0.2 m記錄鉆時一次，根據鉆時，轉盤載荷，泵壓變化，地層巖性以及振動篩出砂量等因素，綜合分析判斷井下情況，發現異常立即割心起鉆。

10) 起鉆遇阻，按正常鉆進時起下鉆遇阻情況處理。應避免鉆具劇烈振動，以防掉心。

7 現場應用情況

為了檢驗工具在井底復雜條件下的工作狀態，首先在鉆井一公司全尺寸試驗井進行了功能性試驗，試驗井段 1 730.0～1 735.3 m ，井斜89. 6°，取心進尺5.3 m，心長5.3 m，收獲率100%，密閉率為95.45%，地層巖性為灰巖夾白云巖。試驗成功后，又在W268-1井、BT4CX井、S29-4X井、YYP-5井等多口井進行了應用，均獲得了成功。

7.1 YYP-5井應用情況

YYP-5水平井所屬斯倫貝謝延長區塊，位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部局部構造，是我國第1口陸相非常規油頁巖評價井，鉆探目的為預探三疊系延長組長7段優質頁巖儲層的天然氣產能。取心地層巖性以碳質泥巖、油頁巖為主，夾泥質粉砂巖和粉砂質泥巖，取心段井斜角60°，地層傾角1°。

7.1.1技術參數

1) 鉆具組合。?215.9 mm取心鉆頭+取心筒+?158.8 mm DC×6根+?127 mm HWDP×15根+?127 mm 鉆桿。

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

3) 鉆進參數。鉆壓30～60 kN，轉速40～60 r/min，泵壓4.5 MPa，排量18～22 L/s。

7.1.2取心概況

YYP-5井水平井全井共取心5筒，井段為1792.5～1799.42 m和1829.4～1844.80 m，累計進尺22.32 m，心長19.28 m，平均收獲率86.4%，密閉率為96%。累計純鉆11.85 h，平均機械鉆速為0.53 m/h，單筒最高收獲率99%。

7.2 BT4CX井應用情況

BT4CX井位于新疆維吾爾自治區巴楚縣內，設計井深6 037 m，地層壓力系數2.01 g/cm3，井液密度2.02 g/cm3，井徑平均擴大率21.85%，表明地層易坍塌，需優化鉆井液性能，防止井壁失穩。該井取心井段5 107.0～5 117.4 m，取心井段最大井斜68°，兩次取心工具下鉆至5 060 m左右均遇阻嚴重。采用取心工具劃眼，大排量循環等措施下鉆到井底。劃眼時參數為鉆壓5～15 kN，轉速30～45 r/min，排量25 L/s，泵壓20～22 MPa,確保井眼暢通。井底干凈后樹心鉆進，鉆進參數為：鉆壓30～60 kN，轉速50～60 r/min，排量19 L/s，泵壓18～20 MPa。累計取心進尺10.4 m，心長10.20 m，平均收獲率98.07%，密閉率95%。

8 結論

1) 設計的密閉取心工具能滿足大斜度井密閉取心需要，可實現雙筒單動和密封功能，有利于保護巖心的完整，有效保證取心收獲率和密閉率。

2) 制定的取心工藝措施，涵蓋鉆進參數、施工流程、安全措施等方面，完善了大斜度井的密閉取心工藝技術。經過工具入井功能性試驗和現場多口井應用，收獲率、密閉率均達到現場作業指標要求。

3) 通過扶正器與替換接頭互換，配合鉆具組合，分別實現井眼軌跡增斜、降斜、穩斜的目的，滿足了大斜度井取心井段井眼軌跡控制的需要。

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[1] 李讓，肖國益，夏彬，等. 深井密閉取心技術在普光8井的應用[J].石油鉆采工藝，2008，30(1)：38-42.

[2] 李讓，呂躍斌，彭彬，等. 自鎖式深井密閉取心工具的研制與應用[J].石油礦場機械，2012，41(4)：57-60.

[3] 王興武，李讓，王志明，等.我國西部地區超深井鉆井取心技術[J].天然氣工業，2010(11)：63-66.