保溫保壓保形取心工具優化設計及應用*

王西貴 鄒德永 楊立文 孫少亮 蘇洋

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院 2.中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術研究院)

0 引 言

近年來，我國油氣勘探突破東部地區4 500 m以深、西部地區6 000 m以深的區域，油氣勘探深度總體下降2 000 m左右，深層高溫高壓地層及非常規油氣賦存區已成為我國油氣勘探重大接替區[1]。

在研究深層頁巖油氣和煤層氣等非常規資源賦存條件與精細開發過程中，儲層總含氣量是計算非常規油氣資源潛力及儲層預測最重要的參數[2]。由于非常規油氣與常規油氣儲層存在較大的差異，前者賦存有一定比例的吸附氣，為了定量確定含氣量的大小，需要對其吸附氣量和游離氣量兩個部分都進行準確測試。深層頁巖氣井埋藏越深，損失氣逸散時間越長，頁巖現場含氣量測試中的損失氣量誤差越大，只能通過數學方法進行估算，損失氣量的精確計算已成為評估非常規油氣資源含氣量的重點和難點。

為了解決損失氣量無法準確計量的問題，可通過保溫保壓保形取心方式盡量減小估算誤差。保溫保壓取心技術初期是為可燃冰鉆探取樣而研制的，保形取心技術則是近年來應對非常規油氣開發形成的新技術。20世紀中期，美國和歐盟等就開始研究保溫保壓取心技術，研制了PCB、ODP-APC、ODP-PCS、PTCS和HYACE等系列取心工具，并實現了深海天然氣水合物樣品的成功獲取[3-4]。我國的保溫保壓取心技術起步較晚。長城鉆探工程公司于2014年成功研制了GWY194-70BB型保溫保壓取心工具，保壓能力達20 MPa，取巖心直徑70 mm，并在淺層煤層氣和天然氣藏進行了試驗應用[5]。中石化勝利鉆井院的保溫保壓取心工具于2017年5月在南海 LW3 區塊成功應用[6]。近年來，長城鉆探公司聯合石油高校，針對陸地深層非常規油氣儲層“保油、保氣、保形”特殊取心技術需求開展攻關，在前期研究基礎上不斷優化改進新型保溫保壓保形取心工具，使其應用范圍和適應能力進一步提高。新型保溫保壓保形取心工具在山西煤層氣和浙江油田頁巖氣等非常規油氣資源中進行了推廣應用[7-8]，為我國非常規油氣資源勘探開發提供了重要技術手段和支持。

1 技術分析

1.1 保溫保壓保形取心工具結構及原理

該型取心工具結構如圖1所示[9]。

取心外筒上端連接鉆具，下端連接取心鉆頭，用于傳送鉆壓和扭矩[10]。保溫保壓保形取心內筒下端連接球閥密封裝置，上端則依次是測量系統、壓力補償裝置和差動控制系統等。

上述工具的各部件按順序組裝完成后，檢查確保各部件都正常工作后入井。取心鉆進開始前和鉆進過程中，球閥均處于打開狀態，為巖心提供通道。鉆取目的層位巖心后，通過井口投入專用鋼球堵塞原有鉆井液液流通道而造成壓力上升，利用液壓作用剪斷差動機構固定銷釘進而實現外筒不動、內筒上提的差動動作。在此差動過程中，球閥關閉機構旋轉90°，完成保溫保壓保形取心內筒的密封，同時打開壓力補償裝置的開關。壓力補償裝置的主要作用是當內筒壓力降低到預置啟動壓力時，壓力補償通道自動打開，從而補償內筒壓力重新回到近地層壓力。測量系統可以對內筒中的溫度和壓力進行連續測量和存儲，監測巖心在起鉆過程中的動態變化，直觀地表征保壓取心的密封效果。

1.2 取心工具技術特點

1.2.1 巖心直徑大，保壓效果好

該型保溫保壓保形取心工具所取巖心直徑達到80 mm，獲取的地層巖心資料全面、真實。保壓內筒采用加強螺紋提升其承壓能力，并具有低摩阻和易切割的特點。為模擬井下工況，保壓保形取心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，最高試驗壓力60 MPa，測試周期45 h，在測試周期內分別進行了增壓、穩壓和降壓試驗，穩壓15 h無壓力泄漏，達到現場應用條件。

1.2.2 適應能力強，適用于水平井取心作業

該型取心工具采用內提式液壓差動機構，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、內筒反向提升[11]，因而避免了井斜對差動效果的影響，可滿足大斜度井和水平井等井型保壓取心作業需求，適應能力較強。

2 關鍵部件優化設計

在保溫保壓保形取心工具研制過程中，巖心直徑和保壓能力兩項主要技術指標始終難以取得突破，尤其在保壓能力方面，是制約保壓取心技術向深井以及深海鉆探拓展的技術瓶頸。由于巖心直徑和保壓能力互為制約關系，在設計過程中為保證球閥的密封性和承壓能力，往往需要犧牲一定的巖心直徑。為了進一步提升取心工具保壓能力和巖心研究價值，對大通徑球閥、壓力補償裝置和保溫保壓內筒等關鍵部件進行了優化設計，實現了60 MPa高溫高壓條件下大直徑巖心獲取，解決了取心工具巖心直徑小、保壓能力弱及保溫效果差的技術難題。

2.1 大通徑球閥優化設計

針對常規球閥的密封圈易移位、井底異物易進入球閥與球閥座間隙等導致密封失效的問題，改進設計了圓弧閉合球閥密封裝置[12-13]，其結構如圖2所示。

球閥的各部件按照要求裝配好之后,在彈簧回復力的作用下圓弧球閥座始終與球閥緊密貼合，形成預密封。當取心鉆進完成、需要關閉球閥時，通過井口投球啟動差動控制系統，齒條關閉套筒因外徑稍大而隨著取心外筒保持不動，球閥的其他部件則反向抬升一段距離，齒輪在齒條導軌上轉動，進而帶動球閥轉動90°達到密封效果。

球閥和球閥座采用圓弧面密封結構，通過復位彈簧和取心筒內部的封存高壓的聯合作用力，使球閥與球閥座貼合更緊密，密封更可靠；球閥座采用圓弧刮刀設計，具備自清潔功能，可清除球閥表面的微小砂礫等異物；球閥關閉采用齒輪與齒條配合的關閉形式，使球閥關閉過程更加平穩。

2.2 壓力補償總成優化設計

原氮氣直接補償的方式，造成部分氮氣進入保溫取心內筒，進而影響煤層氣和頁巖氣等非常規油氣巖心的含氣量測試，為此，優化了氣液補償總成[14]。新型氣液補償總成結構示意圖如圖3所示。

1—高壓氮氣室；2—啟動室封堵；3—定壓啟動室；4—浮動氣閥；5—固定銷釘；6—滑套開關；7—氣閥滑動室；8—下連接套；9—隔離活塞。

氣液補償總成的高壓氮氣室上端連接差動控制系統，下端連接定壓啟動室，其主要作用是儲存高壓氮氣，作為氣液補償總成的動力源；定壓啟動室的作用是預充相當于井底靜液柱壓力的氮氣，作為補償總成啟動的壓力值；滑套開關起初由銷釘固定在氣閥滑動室外壁上，在差動控制系統作用下剪斷銷釘、滑套開關下移到預定位置后，氣液補償總成的通道才完全貫通。隔離活塞左端是氣體，右端是液體，是氣液補償總成的執行機構。

浮動氣閥左端與定壓啟動室連通，右端與隔離活塞室連通，當兩端壓力不同時，在壓力差的作用下氣閥向右移動，高壓氮氣注入隔離活塞室推動隔離活塞向右移動擠壓預置液體，實現下部的保形膠筒與保溫金屬筒之間的液壓加載。隨著下連接套內部壓力逐步回升，氣閥向左移動阻斷補償通道，自動停止補償。由于液體具有不可壓縮性，氣液補償方式相較于純氣體補償更加清潔、高效和穩定。

2.3 復合式可切割保溫取心內筒優化設計

由于真空復合式保溫筒加工工藝復雜，高真空度難以保證，且真空式保溫筒厚度較大，導致獲取的巖心直徑縮小，與巖心直徑越大越有利于地層信息的獲取相違背。在新型保溫材料迅猛發展的背景下，經調研，二氧化硅氣凝膠在 0 ℃時的導熱系數為 0.013 W/(m·K)，遠低于常溫下靜止空氣(0.025 W/(m·K))，目前被認為是隔熱性能最好的固態材料[15]，且成型性較好。非常規油氣開發多涉及孔隙度和滲透率的計算，為了保護近地層巖性的物性狀態，將鋁合金外筒升級為膠筒，便于向巖心施加近原始地層圍壓?；谏鲜鲆蛩兀瑑灮O計了一種新型復合式可切割保溫取心內筒，其主要由金屬保溫外筒、二氧化硅氣凝膠保溫層、膠筒、隨動保形膠膜和連接頭等組成，如圖4所示。

1—膠筒上接頭；2—金屬保溫外筒；3—反熱輻射涂層；4—保溫層；5—膠筒；6—隨動保形膠膜；7—膠筒下接頭；8—巖心。

其主要工作機理是：將金屬保溫外筒與膠筒環空密封，預置一定量的壓力傳遞液，且與氣液補償總成的壓力傳遞液保持連通，在保溫層的適當位置設計幾個通孔，便于傳遞液的壓力傳遞。當下部的球閥關閉后，在壓力補償裝置的作用下，相當于近地層壓力的傳遞液會壓迫膠筒，對內部巖心形成圍壓保護，降低起鉆過程中因鉆具震動造成的巖心傷害，使巖心的孔隙度和滲透率測試更加準確。在二氧化硅氣凝膠保溫層的作用下，巖心的溫度受外界的影響顯著降低。

采用膠筒代替原有鋁合金取心內筒，向膠筒外壁施加液壓進而對內部巖心提供近地層圍壓保護；橡膠材質比鋁合金更加容易切割，可減少因切割過程產生的熱量對非常規油氣心樣品造成的損害；優選的二氧化硅氣凝膠材料保溫性能好、易成型，可有效延緩外界溫度對巖心的影響。

3 取心技術措施及巖心地面處理工藝

3.1 取心技術措施

為了保證取心作業順利進行，在施工前準備以及取心鉆進等環節均制定了詳細的取心技術措施。

(1)下鉆過程：取心下鉆過程中遇阻不能超過50 kN，且不準使用取心工具強行通井和劃眼作業，推薦下鉆速度以每小時11柱為宜。為了避免一次性下鉆到井底開泵困難，推薦每下鉆30柱循環一次鉆井液，保證取心鉆頭水眼暢通。下鉆到底后，緩慢開泵，防止瞬間壓力過大提前剪斷液壓差動系統的固定銷釘。待鉆井液循環正常且徹底清洗井底后，方可進行取心鉆進。

(2)取心鉆進：從安全性、時效性和工具平穩性方面綜合評估，制定了小鉆壓、中低轉速和中小排量的鉆進參數。在引心時期，要精準控制鉆壓，建議將鉆壓控制在5～10 kN，以保證所獲取巖心的頂部成型較好，正常鉆進鉆壓控制在40～50 kN。高效孕鑲金剛石取心鉆進的工作機理以研磨為主、切削為輔，考慮到鉆頭切削效率和轉速有直接關系，如果轉速過高會導致水平段和直井段的鉆具不同步，不利于取心鉆具的平穩和巖心的獲取，因此鉆具轉速以50～65 r/min為宜。針對?215.9 mm井眼取心，鉆井液排量控制在16～22 L/s。

3.2 巖心地面處理工藝

在進行非常規油氣取心作業時，保溫保壓保形取心技術提供了多種巖心地面處理配套工藝。保壓巖心到達地面后，可根據需要進行液氮冷凍、帶壓解吸和游離氣收集等作業。現場配套了專用冷凍裝置，其內部隔溫式設計及多孔道循環方式可以提升冷凍效果和縮短冷凍時間，可以快速地將內筒內的高壓流體固化降壓，最大限度地減少油氣組分的損失?，F場巖心達到冷凍效果后進行低溫切割，迅速轉移到液氮樣品罐內，持續保持零壓力狀態，并及時送至實驗室進行分析化驗，整個操作過程始終在液氮冷凍環境下進行。為更直觀地獲取保壓巖心油氣數據，現場還可通過內筒氣體收集接口進行帶壓解吸和氣體收集。

4 現場應用情況

4.1 工具在煤層氣井中的應用

N1-H3井位于山西省大寧地區，構造位置在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部，為一口煤層氣開發井，井型屬于水平井，設計井深3 150 m。為了精細評價該地區古生界山西組儲層物性及含氣飽和度等儲量參數，同時為建立人工氣藏及開采方案的制定提供原始數據，設計在N1-H3井采用保壓取心技術獲取原始地層巖心的地質資料。

實鉆資料顯示，N1-H3井在鉆進過程中頻繁鉆遇多套煤線和煤層，且伴有碳質泥巖夾層，地層易垮塌，排量受限，導致井眼凈化困難，鉆具磨阻扭矩大，容易造成憋堵。N1-H3井的三開井身結構增斜段全角變化率較大，不利于保溫保壓保形取心工具的安全下入。鉆具在取心施工過程中易形成托壓現象，所以要求鉆井液潤滑性能要好；隨著水平段長度的逐漸延伸，井眼完整性保護難度大，導致后期起下鉆作業及取心鉆進施工中風險不可控。綜上所述，該井的地質難點和工程難點給保壓取心作業的順利實施帶來了雙重挑戰。

按照預先制定的取心技術方案，第1筒取心用時10 min，取心井段為2 174.27～2 177.27 m,進尺3.00 m，心長2.94 m，收獲率98%。機械取心鉆速0.33 m/min，割心和關球閥過程正常；井底靜液壓力25.72 MPa，巖心地面壓力24.11 MPa，保壓率93.74%。第2筒和第3筒取心長度均為3 m，心長分別為2.90和2.92 m，巖心地面壓力分別是22.92和22.12 MPa。3筒次共取心9 m，累計獲取心長8.76 m，平均保壓率為89.61%，巖心數據如表1所示。

表1 N1-H3井巖心數據統計

4.2 工具在致密砂巖氣中的應用

合川001-74-H3井位于四川省廣安市武勝縣，屬于合川須家河底界構造西端的一口開發井，井型為水平井，設計井深3 957 m。為了準確落實須家河組儲層物性及含氣飽和度等儲量參數，為后期建立人工氣藏及開采方案的制定提供原始數據，設計在合川001-74-H3井采用保壓取心技術獲取地層巖心資料。

合川地區須家河組地層巖石平均抗壓強度達到157 MPa，最高達到350 MPa，巖石可鉆性級值達7級以上，地層研磨性為5～6級，地層壓力系數高，屬于高壓、強研磨、極硬地層。取心地層裂縫發育好，易漏失，作業風險和難度極大。合川001-74-H3井三開增斜段每30 m全角變化率超過7.5°，工具下入存在安全隱患。另外該井取心段也為水平段，不利于沉砂攜帶，容易形成巖屑床，再加上取心工具外徑較大，易形成卡鉆事故，所以選用優質鉆井液以保證攜砂效果和保護井壁。

精細化操作保溫保壓保形取心工具順利入井，未發現明顯遇阻情況。正常取心過程中，取心鉆頭鉆時均勻，未出現機械鉆速明顯降低現象。投球關閉球閥過程中，地面觀察泵壓顯示良好，工具到達地面后驗證球閥成功關閉密封，地面電子記錄儀測壓顯示的保壓率為87.5%。第2筒和第3筒整體施工平穩正常。該井累計進行保壓取心3筒次，總進尺7.0 m，平均保壓成功率87.93%，取心收獲率97%，具體巖心數據如表2所示。

表2 001-74-H3井巖心數據統計

5 結 論

(1)保溫保壓保形取心技術是煤層氣和頁巖氣等非常規油氣資源開發過程中地層信息獲取的重要手段，隨著深層、超深層非常規能源的勘探開發力度的加大，該取心技術的發展將更加成熟，配套技術將更加完善，應用將更加普遍。

(2)在常規保溫保壓取心工具的基礎上，通過大通徑球閥、壓力補償總成和復合式可切割保溫取心內筒的優化設計，升級保溫保壓保形取心工具的功能，實現了非常規油氣巖心溫度、壓力和形態的同步保持，為后期巖心的準確測試提供了支撐。

(3)現場應用結果表明，該型取心工具可應用于煤層氣和頁巖氣等非常規油氣水平井中，巖心收獲率和保壓率達到設計要求，施工過程中取心工具運行平穩、高效。根據工程需求，可現場進行解吸氣收集以及滲透率計算等巖心測試。