薄油層水平井連續密閉取心工具的研制與應用*

王 長 旭

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院取心分公司)

0 引 言

截至2020年底，大慶長垣油田綜合含水質量分數已達95.86%，全面進入特高含水后期開發階段。大慶長垣油田三類油層地質儲量巨大，以水驅開發為主，仍然是油田產量的主體[1-3]。密閉取心是目前唯一可獲取的井下第一手資料，是準確解析油氣層狀況最有效、最直觀的方法。為進一步揭示三類油層井間砂體連通狀況和剩余油分布規律，明確三類油層的水驅油效果，亟待獲取能夠反映平面滲流特征的水平井巖心[4]。

與直井密閉取心相比，水平段動力加壓困難、造斜段取心工具通過困難以及井眼軌跡控制難，這也增加了水平井密閉取心難度。在薄差層密閉取心時，為了保證砂巖鉆遇率，密閉取心難度進一步加大。常規取心工具主要為直井眼取心設計，若直接用于水平井取心，則存在巖心收獲率、密閉率以及砂巖鉆遇率低等難題[5]。受LWD 儀器距鉆頭較遠以及取心鉆具組合造斜能力不確定性的雙重影響，鉆頭處井斜預測困難、著陸平穩入靶難，因此在厚度0.6～1.0 m的薄油層水平段連續取心時軌跡控制難度大、易出層；同時，由于水平段取心工具軸線與重力方向垂直，且鉆具與下井壁接觸面積大，隨著井深增加，上提下放摩阻增大，增加了地面判斷密閉頭剪銷剪斷與否的難度[6]，導致樹心、割心困難，影響巖心收獲率。

針對上述問題，對水平井密閉取心工具結構進行優化設計，配合水平井井眼軌跡控制工藝，研制了5套不同長度水平井密閉取心工具，同時對密閉液進行了改進[7]。在現場施工時，密閉取心工具與螺桿結合，配備LWD儀器，在杏6-20檢平647 井實現水平井0.6～1.0 m薄油層連續取心，創造大慶油田首口連續不間斷水平井密閉取心最長記錄。密閉取心井段1 163.1～1 478.6 m，全直徑巖心單筒最長7.29 m，取心收獲率99.76%，密閉率97.10%，砂巖鉆遇率87.63%，應用效果較好。

1 技術分析

1.1 密閉取心工具結構

薄油層水平井連續密閉取心工具結構如圖1所示，主要由分水接頭、上絲堵、軸承總成、螺旋扶正器、內筒上接頭、內筒、外筒、鉆頭接頭、密閉頭、密封圈、巖心爪、懸掛銷釘以及取心鉆頭等部件組成。

1—分水接頭；2—上絲堵；3—軸承總成；4、8—螺旋扶正器；5—內筒上接頭；6—內筒；7—外筒；9—鉆頭接頭；10—密閉頭；11—密封圈；12—巖心爪；13—懸掛銷釘；14—取心鉆頭。

1.2 工作原理

在密閉取心工具內筒注滿密閉液，固定上絲堵。密閉取心工具外筒下端連接取心鉆頭，上端連接螺桿鉆具下入到井底。密閉取心前進行循環，大排量沖洗井底；井底清洗干凈后，停泵，緩慢下放鉆具施加鉆壓，剪斷懸掛銷釘。通過轉盤和螺桿鉆具聯合驅動的方式進行取心作業。取心鉆進時，內筒不隨鉆具旋轉，密閉頭引導巖心進入內筒，密閉液從其間隙流出，均勻地包裹在巖心表面，形成一層保護膜，防止鉆井液浸入巖心[8-9]。割心時，上提鉆具，巖心爪沿鉆頭內錐面下行，產生徑向鎖緊力，將巖心卡緊，當上提拉力達到巖心斷面極限拉力時，巖心即被割斷，取心工藝完成。

1.3 主要技術參數

密閉取心工具內徑115 mm、外徑172 mm，螺旋扶正器外徑210 mm，長度3.7、4.6、5.8、7.2和8.0 m，抗拉強度1 100 kN，抗壓強度300 kN。

密閉液抽絲長度≥30 cm，黏度35 000～45 000 mPa·s，密度1.05～1.15 g/cm3。

取心工具施工鉆壓10～40 kN，轉速60～70 r/min，排量28～32 L/s[10]。

2 關鍵技術

(1)設計一對圓錐滾子軸承的內筒旋轉機構，實現雙筒單動，并實現內筒軸向限位和內筒扶正，在取心過程中內筒不隨鉆具旋轉，減小了堵心、磨心的可能性，提高了巖心收獲率[11]。

(2)密閉頭初露于鉆頭切削齒，采用小直徑且其長度小于45 mm，可以防止下鉆過程中特別是通過造斜段時銷釘提前被剪斷的可能性，有利于保證密閉率。

(3)高黏度、高切力和密度可調的密閉液可有效防止與鉆井液密度差引起的密閉液混漿；鉆進時，密閉液黏附在巖心表面并迅速充填巖心表面孔隙，形成一層保護膜，避免鉆井液污染和巖心中油水的外溢，保證巖心密閉率[12]。

(4)根據水平井造斜工具特點，采用Landmark設計軟件進行井下力學分析，優化設計密閉取心工具長度，研制了5種不同長度水平井密閉取心工具，并與螺旋扶正器、彎螺桿和直螺桿進行優化組合，形成8種鉆具組合，達到穩斜、增斜和降斜目的，配套LWD儀器隨鉆監測，實現連續不間斷密閉取心同時控制水平井眼軌跡。

(5)在水平段密閉取心過程中，綜合考慮水平井狗腿度和摩阻影響，設計密閉取心工具長度不超過8 m。在直井應用的MQ-215密閉取心工具基礎上，根據目標井井眼軌道設計要求，優化設計密閉取心工具不同長度及其外筒配置單(雙)螺旋扶正器與否，獲得適應增斜、穩斜和降斜水平井密閉取心鉆具組合[13]，通過LWD儀器隨鉆監測，達到密閉取心的同時控制井眼軌跡的目的，滿足鉆井工程設計要求。

3 現場應用情況及效果

2020年12月12日，在大慶油田第四采油廠杏6-20檢平647 井采用研制的密閉取心工具及相應的鉆具組合，進行了水平段連續密閉取心服務。

由于密閉取心時井眼軌跡受鉆井轉盤轉速、鉆壓、機械鉆速、地層傾角和鉆井液性能等因素的影響較大，所以很難實現井眼軌跡平穩光滑達到預定靶點。為此，在杏6-20-檢平647井密閉取心前期，不斷優化增斜、降斜和穩斜鉆具組合[13]，結合密閉取心工藝及質量控制，獲得適合該井的3種密閉取心工具設計長度及鉆具組合，在保障取心的同時精準控制井眼軌跡，達到了鉆井工程設計要求。

3.1 密閉取心井底鉆具組合

(1)穩斜鉆具組合：?215 mm取心鉆頭(0.3 m)+?210 mm螺旋扶正器(0.5 m)+?178 mm密閉取心工具(7.2 m)+?210 mm螺旋扶正器(0.5 m)+ ?165 mm LWD隨鉆測量儀器。

(2)增斜鉆具組合：?215 mm鉆頭(0.3 m)+ ?178 mm密閉取心工具(3.7 m)+?172 mm彎螺桿(0.75°/1.00°)+ ?165 mm LWD隨鉆測量儀器。

(3)降斜鉆具組合：?215 mm鉆頭(0.3 m)+ ?178 mm密閉取心工具(4.6 m)+?172 mm彎螺桿(0.75°/1.00°)+ ?165 mm LWD隨鉆測量儀器。

3.2 現場應用情況

3.2.1 水平井密閉取心井眼軌跡控制

首先采用帶密閉鉆頭+螺旋扶正器+密閉取心工具(8 m)+螺旋扶正器+LWD隨鉆測量儀器的井底穩斜鉆具組合進行取心鉆進14.0 m后，LWD隨鉆測量儀器測點井斜增加1.25°，未達到穩斜效果；然后及時起鉆改用密閉取心鉆頭+密閉取心工具(4.6 m)+彎螺桿+LWD隨鉆測量儀器的井底降斜鉆具組合進行降斜，取心鉆進8.0 m后，LWD儀器測點井斜降低0.15°，進尺20.0 m后隨鉆測量儀器測點井斜降低0.42°，降斜效果明顯；降斜達到井眼軌跡設計要求后，起鉆采用密閉鉆頭+螺旋扶正器+密閉取心工具(7.2 m)+螺旋扶正器+LWD儀器的井底穩斜鉆具組合鉆進，穩斜鉆進20.5 m后，井斜微增0.07°，穩斜效果理想。后期因地層傾角發生變化，需要增斜取心鉆進時，采用密閉鉆頭+螺旋扶正器+3.7 m密閉取心工具+螺旋扶正器+LWD隨鉆測量儀器的井底增斜鉆具組合鉆進，進尺18.5 m后隨鉆測量儀器測點井斜增加0.24°，增斜效果明顯。

在整個密閉取心過程中，通過綜合應用上述3種鉆具組合，在保證井眼軌跡的同時實現了水平段連續密閉取心，取得了很好的應用效果。表1、表2和表3為密閉取心段截取的實測井眼軌跡部分數據。從表1可以看出，在1 210.53～1 235.94 m井段，進尺25.41 m降斜0.52°，降斜效果明顯。

表1 取心段部分降斜軌跡數據Table 1 Borehole trajectory with coring section inclination-decrease

從表2可以看出，在1 263.61～1 284.86 m井段，進尺21.25 m增斜0.27°，增斜效果明顯。

表2 取心段部分增斜軌跡數據Table 2 Borehole trajectory with coring section inclination-increase

從表3可以看出，在1 355.24～1 376.58 m井段，進尺21.34 m井斜變化0.07°，穩斜效果理想。

表3 取心段部分穩斜軌跡數據Table 3 Borehole trajectory with coring section inclination-stabilization

采用杏6-20檢平647井實測井眼軌跡數據，通過Landmark軟件形成該井實鉆井眼軌跡1∶200的縮略圖，其水平投影及垂直剖面分別如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出，A靶點、B靶點、C靶點、D靶點和E靶點過渡平穩光滑，完全滿足0.6～1.0 m薄油層水平井連續密閉取心設計要求。

圖2 實測井眼軌跡水平投影圖Fig.2 Horizontal projection of measured borehole trajectory

3.2.2 取心工藝質量控制

在杏6-20檢平647井水平段密閉取心時，上提、下放摩阻較大，直接影響樹心放不到井底和割心拉力不準。為此，密閉取心鉆進時嚴格執行取心工程師下達的操作指令；連續密閉取心時，采用優化后的井底增斜、穩斜和降斜密閉取心鉆具組合，調整井斜和方位，并精細控制鉆進參數，保障水平段密閉取心收獲率和密閉率，同時精準控制密閉取心井段井眼軌跡。

圖3 實測井眼軌跡垂直剖面圖Fig.3 Vertical profile of measured borehole trajectory

3.3 應用效果

在水平段取心施工中，創新應用的LWD儀器與不同長度雙筒單動密閉取心工具，配套單、雙螺旋扶正器，實現增斜、穩斜和降斜，減少了為調整井眼軌跡而增加的起下鉆次數，避免了密閉取心不連續，縮短了鉆井取心周期。高質、高效完成水平段連續取心315.5 m，單層連續不間斷密閉取心236.6 m，取心收獲率99.76%，密閉率97.10%。

4 結論及建議

(1)研制的5套不同長度雙筒單動水平井連續密閉取心工具，通過LWD儀器監測，達到密閉取心的同時控制井眼軌跡的目的，滿足鉆井工程設計要求。

(2)該工具可將井眼軌跡精準控制，且現場定向與密閉取心完美結合，在大慶杏6-20檢平647井中得到了成功應用，首次在油層有效厚度僅0.6～1.0 m的靶體中連續取心315.54 m，取心收獲率99.76%，密閉率97.10%。

(3)對現場5趟不同鉆具組合鉆進進行充分分析后，確定井底適合該井增斜、穩斜和降斜鉆具組合，同時優化鉆井參數，有效實現在薄油層中連續取心的同時精細控制井眼軌跡。

(4)現場應用結果發現，水平井密閉取心工具上的螺旋扶正器外徑對整體水平井井眼軌跡控制有一定的影響，建議后續優化時考慮螺旋扶正器外徑的影響。