GW-CP194-80A型保壓取心工具的研制

楊立文 蘇 洋 羅 軍 孫少亮

中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院

0 引言

保壓取心技術可以使取出的巖心保持在原始地層壓力狀態下，能最大限度地減少巖心中油氣等組分的損失，進而準確求取井底條件下儲層流體飽和度等重要地層參數，是目前最先進且技術難度最高的鉆井取心技術[1-3]。根據行業需求，保壓取心技術現主要被應用于油氣勘探開發、海洋資源勘探和地質勘查等領域[4-7]。近年來，我國的保壓取心技術已取得了較大的進展，并逐漸形成了海上繩索式保壓取心技術和陸上起鉆式保壓取心技術兩大技術類別。2017年5月，中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院研制的天然氣水合物（以下簡稱水合物）保溫保壓取心工具在我國南海海域水合物賦存區進行了13筒次的現場試驗，9筒次成功獲取到水合物巖心樣品，打破了國外繩索式水合物保壓取心技術的壟斷[8-9]。中國石油集團長城鉆探工程有限公司（以下簡稱長城鉆探公司）工程技術研究院具有完善的保壓取心技術研發和服務能力，連續多年進行起鉆式保壓取心技術研究和應用，2014年研制出GWY194-70BB型保壓取心工具，保壓能力為20 MPa、所取巖心直徑為70 mm，綜合技術水平在國內處于領先地位[10]。但是，較之于國外同類產品，國內現有的保壓取心工具在巖心直徑和保壓能力兩項主要技術指標方面尚存在著明顯的差距，尤其是在保壓能力方面，成為制約保壓取心技術向深井以及深海鉆探拓展的技術瓶頸[12]。為此，長城鉆探公司基于GWY194-70BB型保壓取心工具，設計研發了GW-CP194-80A型起鉆式保壓取心工具（以下簡稱新工具），所取巖心直徑由70 mm提升至80 mm、保壓能力由20 MPa提升至60 MPa。新工具在陸上油田進行了5口井27筒次的現場試驗和應用，取得了平均取心收獲率為87.5%、保壓成功率達92.6%的良好效果。

1 新工具的結構及技術參數

1.1 新工具的結構及原理

GW-CP194-80A型保壓取心工具主要由液壓差動總成、上部密封機構、測量總成、保壓內筒總成、球閥密封裝置、外筒和取心鉆頭組成，其結構如圖1所示。

新工具的工作原理是：保壓內筒的下端連接球閥密封裝置，上部依次連接測量總成、上部密封機構和液壓差動總成。取心鉆進時，球閥處于打開狀態，巖心通過球閥進入保壓內筒。鉆取完巖心后，差動總成可在液壓作用下進行差動，并帶動內筒相對外筒做反向抬升運動，在此過程中，上部密封機構和球閥密封裝置同時被關閉，完成內筒的保壓密封。測量總成可以對內筒中的溫度和壓力進行連續測量和存儲，通過細小的趨勢變化可以更加詳細地了解巖心樣本在起鉆過程中油氣成分的揮發分解過程。

圖1 GW-CP194-80A型保壓取心工具結構圖

1.2 新工具的主要技術參數

GW-CP194-80A型保壓取心工具的主要技術參數包括：工具總長8.00 m，外徑194 mm，取心鉆頭尺寸215.9 mm；單次可取巖心長度6.0 m，巖心直徑80 mm，額定保壓60 MPa；割心方式為液力加壓和自鎖式割心相結合[12]，采用鉆具起下作業方式。

2 新工具關鍵部件的研制

2.1 大通徑球閥密封裝置

對于保壓取心工具來說，巖心直徑和保壓能力互為制約關系，提升保壓能力勢必要犧牲巖心直徑。長城鉆探公司前期研制的GWY194-70BB型保壓取心工具采用70 mm通徑球閥，保壓能力20 MPa，僅能滿足淺井保壓取心作業。為了實現巖心直徑和保壓能力的同步提升，通過對70 mm通徑球閥密封裝置進行材料和結構的優化改進，設計研制了80 mm通徑可受控轉動的機械式旋轉大通徑球閥密封裝置，如圖2所示。

圖2 大通徑球閥密封裝置圖

球閥在下鉆和取心鉆進期間為打開狀態，取心鉆進時，巖心通過球閥進入內筒，鉆取巖心完成后，在內外筒差動作用下旋轉關閉，實現內筒下部密封[13]。該裝置以40CrMo合金鋼為原料，配合采用高性能密封圈，額定保壓60 MPa。

2.2 高強度保壓內筒總成

為了滿足煤層氣、頁巖氣等非常規油氣藏地層條件，同時滿足地面巖心冷凍、切割現場作業需求，保壓內筒應具有低摩阻、強度大、易切割的特點。經過系列材質優選，保壓內筒選用7075型超硬鋁合金，調質處理，并采用加強螺紋提升其承壓能力[14]。為模擬井下作業工況，保壓內筒與球閥密封裝置組成的保壓系統通過了室內高溫高壓試驗，測試周期45 h，在測試周期內分別進行了增壓、穩壓、降壓試驗。其中最高試驗溫度70 ℃，最高試驗壓力86 MPa，穩壓15 h無壓力泄漏（圖3），使保壓系統具備了在深井高密度條件下的保壓取心作業能力。

圖3 高溫、高壓試驗數據圖

2.3 內提式液壓差動總成

差動總成的作用是使內、外筒產生差動位移，在差動過程中觸發球閥關閉機構和上部密封機構，實現保壓內筒的上下同步密封。GWY194-70BB型保壓取心工具采用機械式差動總成，差動方式為內筒不動，外筒下行。因此存在著外筒與井壁摩擦的問題，如果井眼不規則或摩阻較大，容易導致外筒下行困難，差動失敗。GW-CP194-80A型保壓取心工具采用內提式液壓差動總成，工作時通過投球，利用液壓作用剪斷銷釘并進行差動，在差動過程中外筒不動，內筒在外筒內部完成提升，因而避免了井斜因素對差動效果的影響，可以滿足大斜度井、水平井保壓取心作業需求。

2.4 上部密封機構

受保壓取心工具結構影響，內筒上部無回壓閥，巖心進入內筒后，內筒中的鉆井液通過巖心與內筒之間的縫隙從下部排出。當在煤層或破碎地層取心時，巖心易將縫隙填充，封堵在內筒中的鉆井液難以釋放，就會成為后續巖心的進筒阻力[15]。現場試驗證明，該種無回壓閥的內筒結構極易造成內筒壓力過高，甚至對巖心產生反向鉆壓作用力，加劇巖心的破碎和堵心。上下同步密封機構是為防止堵心，減小巖心進筒阻力作出的特殊設計，在鉆進過程中可以起到保持內筒內外壓力平衡的作用，井底壓力測量數據也更為準確。其原理是在內筒上部設計一單向排壓閥，如圖4所示。

圖4 上部密封機構結構圖

在鉆取巖心過程中，單向排壓閥處于打開狀態，可將內筒中的壓力和鉆井液及時排放出去。鉆進結束后，在差動作用下，上部密封活塞被頂進密封接頭，將單向排壓閥關閉，完成內筒的上部密封。上部密封機構配合球閥密封裝置，可實現保壓內筒的上下同步密封。

3 新工具的配套工藝技術

由于非常規油氣資源成藏機理、賦存形態及開發技術不同于常規油氣資源，在進行保壓取心作業時，GW-CP194-80A型保壓取心工具提供了3種配套工藝技術，可根據常規及非常規油氣藏地質特點和地質需要進行配套工藝技術選擇，以下分述之。

3.1 液氮冷凍技術

保壓取心工具達到地面后，取心內筒處于高壓狀態，要取出巖心而不能讓巖心中的油氣水損失，必須將巖心流體固化在巖心中[16]。液氮冷凍技術是利用液氮（常壓下溫度為－196 ℃）對保壓內筒和巖心同時進行超低溫冷凍，冷凍后巖心油氣水組分完全保留，并可以對巖心進行切割、取樣、存儲和化驗分析。其主要原理是液體在變為固體時，壓力消失，巖心中的流體因低溫失去流動和揮發性能，因而最大限度地減少了油氣等組分的損失。現場試驗證明，保壓冷凍巖心孔隙中油氣水三相回收率可超過95.0%。

3.2 保壓密閉取心技術

保壓密閉取心技術是將保壓取心和密閉取心相結合，通過在保壓內筒中加入密閉液，達到巖心保壓和密閉的雙重效果。密閉液可采用蓖麻油或氯化石蠟，具有良好的熱穩定性、流動性及附著性能[17-19]。采用保壓密閉取心作業方式時，內筒上部密封機構回壓閥關閉，下部采用密閉頭將球閥中孔密封。取心鉆進時，密閉頭首先在鉆壓作用下被頂進內筒，隨著后續巖心的進入，密閉液被等體積置換排出，并及時在巖心表面形成保護膜，進而起到保護巖心不被鉆井液侵入和污染的作用，從而獲取到更為準確的原始油水飽和度。

3.3 保壓內筒解吸技術

對于煤層氣藏和頁巖氣藏，含氣量和臨界解吸壓力是資源開發和地質評價的重要指標[20-22]。氣體解吸保壓內筒是為煤層氣、頁巖氣等非常規氣藏專門設計的特制保壓內筒，內筒具有增壓接口和氣體收集接口，到達地面后可不將巖心取出，直接進行游離氣收集、吸附氣解吸以及地層壓力下臨界解吸壓力特征觀測（圖5）。

為了使獲取的測試數據更為準確，解吸保壓內筒單次取心長度為1.0～1.5 m，有利于準確獲取單位體積下巖心含氣量數據。

圖5 氣體解吸保壓內筒壓力測試圖

3.4 保壓取心的關鍵技術措施

根據GW-CP194-80A型保壓取心工具的技術特點，在井眼準備、取心鉆進等環節制訂了以下措施。

1）為保證取心作業順利進行，在卡準層位準備取心之前應徹底循環清洗井底，確保井眼干凈暢通，井底無落物。

2）水平井或造斜段取心，要求井身設計最大狗腿角小于等于5°，以確保取心工具正常下入。

3）取心作業前應對鉆具進行通徑，取心鉆具組合中如需加入浮閥和隨鉆震擊器，必須保證能順利通過?50 mm加壓鋼球。

4）取心下鉆速度控制在12柱/h以內，不得使用取心工具和取心鉆頭劃眼。

5）取心鉆進鉆井液排量8～10 L/s，循環排量10～15 L/s，轉速30～60 r/min，排量控制和轉盤轉速應能滿足取心鉆進要求。

6）現場配備離心機等固控設備，以降低鉆井液中有害固相含量，防止砂粒及巖屑影響球閥密封性能。

4 新工具的現場應用效果

2017年以來，GW-CP194-80A型保壓取心工具已經在遼河、大慶、四川等油氣田進行了5口井27筒次的現場應用，累計完成取心進尺111.48 m，平均取心收獲率87.5%，保壓成功率92.6%。取心地層包括常規油藏、頁巖油藏、頁巖氣藏，并在深井和水平井保壓取心現場應用中獲得成功，應用情況見表1。

4.1 深井保壓取心現場應用

L11A井為頁巖油藏預探直井， GW-CP194-80A型保壓取心工具首次在該井進行了3 000 m以深深井保壓取心現場應用。該井取心層位垂深為3 350 m，鉆井液密度為1.7 g/cm3，井底壓力為57 MPa。保壓取心工具選用6 m常規保壓內筒，共計取心1筒次，取心進尺3.3 m，收獲巖心3.02 m，取心收獲率達91.5%。內筒到達地面后測得筒內壓力為49 MPa，保壓率為100%，平均巖心直徑為80 mm。該井保壓取心獲得成功，表明GW-CP194-80A型保壓取心工具具備了深井高密度條件下的保壓取心作業能力。

表1 GW-CP194-80A型保壓取心工具現場應用情況統計表

4.2 水平井保壓取心現場應用

B9-28井為常規油藏開發水平井，取心層位井斜65°。保壓取心工具選用6 m常規保壓內筒，共計取心1筒次，取心進尺4.5 m，收獲巖心4.5 m，取心收獲率達100%。該井儲層巖性以長石巖屑砂巖和灰黑色泥巖為主，巖性較為致密，機械鉆速較低。割心時先采用自鎖式割心方式將巖心割斷，后投入加壓鋼球，鋼球落座后造成壓力升高，利用液壓作用將差動總成銷釘剪斷，使內外筒成功進行差動。內筒到達地面后發現球閥關閉良好，保壓率達100%。該井保壓取心獲得成功，表明GW-CP194-80A型保壓取心工具具備了水平井保壓取心作業能力。

4.3 頁巖氣保壓取心現場應用

以YS-X井為例，該井為頁巖氣藏評價井，井型為直井，主要取心層位為龍馬溪組。保壓取心工具選用6 m常規保壓內筒取心6筒次，選用1.5 m解吸保壓內筒取心5筒次，共計取心11筒次，全部保壓成功。該井累計取心進尺39.23 m，收獲巖心38.06 m，取心收獲率達97.0%。該井由于采用了兩種保壓內筒，在進行巖心地面處理時采取了不同的工藝措施，常規保壓內筒到達地面后采用液氮冷凍技術進行處理，冷凍結束后進行了切割取樣和化驗分析；解吸保壓內筒到達地面后無需冷凍，通過內筒集氣接口直接進行了游離氣收集、成分測試和點火；游離氣收集完畢后又進行了吸附氣解吸、收集以及點火測試。現場實測數據顯示，采用該技術獲取的單位體積巖心含氣量為鄰井常規取心技術獲取巖心的4～6倍，保壓、保氣效果顯著。

5 結論

1）大通徑球閥密封裝置和高強度保壓內筒實現了巖心直徑和保壓能力的同步提升；內提式差動總成和上部密封機構解決了復雜井眼條件下保壓成功率低和取心收獲率低的難題，保壓取心工具綜合技術指標得到顯著提高。

2）現場應用效果表明，GW-CP194-80A型保壓取心工具同時滿足了深井高密度條件下保壓取心作業和水平井保壓取心作業需求，性能可靠，適應性強，為保壓取心技術向深井、復雜結構井的推廣應用提供了寶貴的現場經驗和技術支撐。

3）GW-CP194-80A型保壓取心工具配套技術完善，保壓、保氣效果顯著，可以為常規及非常規油氣藏精確計算含油、含氣儲量，合理制定開發方案提供真實的基礎資料和解釋依據，值得進一步推廣應用。