王 长 旭

(大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院取心分公司)

0 引 言

截至2020年底，大庆长垣油田综合含水质量分数已达95.86%，全面进入特高含水后期开发阶段。大庆长垣油田三类油层地质储量巨大，以水驱开发为主，仍然是油田产量的主体[1-3]。密闭取心是目前唯一可获取的井下第一手资料，是准确解析油气层状况最有效、最直观的方法。为进一步揭示三类油层井间砂体连通状况和剩余油分布规律，明确三类油层的水驱油效果，亟待获取能够反映平面渗流特征的水平井岩心[4]。

与直井密闭取心相比，水平段动力加压困难、造斜段取心工具通过困难以及井眼轨迹控制难，这也增加了水平井密闭取心难度。在薄差层密闭取心时，为了保证砂岩钻遇率，密闭取心难度进一步加大。常规取心工具主要为直井眼取心设计，若直接用于水平井取心，则存在岩心收获率、密闭率以及砂岩钻遇率低等难题[5]。受LWD 仪器距钻头较远以及取心钻具组合造斜能力不确定性的双重影响，钻头处井斜预测困难、着陆平稳入靶难，因此在厚度0.6～1.0 m的薄油层水平段连续取心时轨迹控制难度大、易出层；同时，由于水平段取心工具轴线与重力方向垂直，且钻具与下井壁接触面积大，随着井深增加，上提下放摩阻增大，增加了地面判断密闭头剪销剪断与否的难度[6]，导致树心、割心困难，影响岩心收获率。

针对上述问题，对水平井密闭取心工具结构进行优化设计，配合水平井井眼轨迹控制工艺，研制了5套不同长度水平井密闭取心工具，同时对密闭液进行了改进[7]。在现场施工时，密闭取心工具与螺杆结合，配备LWD仪器，在杏6-20检平647 井实现水平井0.6～1.0 m薄油层连续取心，创造大庆油田首口连续不间断水平井密闭取心最长记录。密闭取心井段1 163.1～1 478.6 m，全直径岩心单筒最长7.29 m，取心收获率99.76%，密闭率97.10%，砂岩钻遇率87.63%，应用效果较好。

1 技术分析

1.1 密闭取心工具结构

薄油层水平井连续密闭取心工具结构如图1所示，主要由分水接头、上丝堵、轴承总成、螺旋扶正器、内筒上接头、内筒、外筒、钻头接头、密闭头、密封圈、岩心爪、悬挂销钉以及取心钻头等部件组成。

1—分水接头；2—上丝堵；3—轴承总成；4、8—螺旋扶正器；5—内筒上接头；6—内筒；7—外筒；9—钻头接头；10—密闭头；11—密封圈；12—岩心爪；13—悬挂销钉；14—取心钻头。

1.2 工作原理

在密闭取心工具内筒注满密闭液，固定上丝堵。密闭取心工具外筒下端连接取心钻头，上端连接螺杆钻具下入到井底。密闭取心前进行循环，大排量冲洗井底；井底清洗干净后，停泵，缓慢下放钻具施加钻压，剪断悬挂销钉。通过转盘和螺杆钻具联合驱动的方式进行取心作业。取心钻进时，内筒不随钻具旋转，密闭头引导岩心进入内筒，密闭液从其间隙流出，均匀地包裹在岩心表面，形成一层保护膜，防止钻井液浸入岩心[8-9]。割心时，上提钻具，岩心爪沿钻头内锥面下行，产生径向锁紧力，将岩心卡紧，当上提拉力达到岩心断面极限拉力时，岩心即被割断，取心工艺完成。

1.3 主要技术参数

密闭取心工具内径115 mm、外径172 mm，螺旋扶正器外径210 mm，长度3.7、4.6、5.8、7.2和8.0 m，抗拉强度1 100 kN，抗压强度300 kN。

密闭液抽丝长度≥30 cm，黏度35 000～45 000 mPa·s，密度1.05～1.15 g/cm3。

取心工具施工钻压10～40 kN，转速60～70 r/min，排量28～32 L/s[10]。

2 关键技术

(1)设计一对圆锥滚子轴承的内筒旋转机构，实现双筒单动，并实现内筒轴向限位和内筒扶正，在取心过程中内筒不随钻具旋转，减小了堵心、磨心的可能性，提高了岩心收获率[11]。

(2)密闭头初露于钻头切削齿，采用小直径且其长度小于45 mm，可以防止下钻过程中特别是通过造斜段时销钉提前被剪断的可能性，有利于保证密闭率。

(3)高黏度、高切力和密度可调的密闭液可有效防止与钻井液密度差引起的密闭液混浆；钻进时，密闭液黏附在岩心表面并迅速充填岩心表面孔隙，形成一层保护膜，避免钻井液污染和岩心中油水的外溢，保证岩心密闭率[12]。

(4)根据水平井造斜工具特点，采用Landmark设计软件进行井下力学分析，优化设计密闭取心工具长度，研制了5种不同长度水平井密闭取心工具，并与螺旋扶正器、弯螺杆和直螺杆进行优化组合，形成8种钻具组合，达到稳斜、增斜和降斜目的，配套LWD仪器随钻监测，实现连续不间断密闭取心同时控制水平井眼轨迹。

(5)在水平段密闭取心过程中，综合考虑水平井狗腿度和摩阻影响，设计密闭取心工具长度不超过8 m。在直井应用的MQ-215密闭取心工具基础上，根据目标井井眼轨道设计要求，优化设计密闭取心工具不同长度及其外筒配置单(双)螺旋扶正器与否，获得适应增斜、稳斜和降斜水平井密闭取心钻具组合[13]，通过LWD仪器随钻监测，达到密闭取心的同时控制井眼轨迹的目的，满足钻井工程设计要求。

3 现场应用情况及效果

2020年12月12日，在大庆油田第四采油厂杏6-20检平647 井采用研制的密闭取心工具及相应的钻具组合，进行了水平段连续密闭取心服务。

由于密闭取心时井眼轨迹受钻井转盘转速、钻压、机械钻速、地层倾角和钻井液性能等因素的影响较大，所以很难实现井眼轨迹平稳光滑达到预定靶点。为此，在杏6-20-检平647井密闭取心前期，不断优化增斜、降斜和稳斜钻具组合[13]，结合密闭取心工艺及质量控制，获得适合该井的3种密闭取心工具设计长度及钻具组合，在保障取心的同时精准控制井眼轨迹，达到了钻井工程设计要求。

3.1 密闭取心井底钻具组合

(1)稳斜钻具组合：ø215 mm取心钻头(0.3 m)+ø210 mm螺旋扶正器(0.5 m)+ø178 mm密闭取心工具(7.2 m)+ø210 mm螺旋扶正器(0.5 m)+ ø165 mm LWD随钻测量仪器。

(2)增斜钻具组合：ø215 mm钻头(0.3 m)+ ø178 mm密闭取心工具(3.7 m)+ø172 mm弯螺杆(0.75°/1.00°)+ ø165 mm LWD随钻测量仪器。

(3)降斜钻具组合：ø215 mm钻头(0.3 m)+ ø178 mm密闭取心工具(4.6 m)+ø172 mm弯螺杆(0.75°/1.00°)+ ø165 mm LWD随钻测量仪器。

3.2 现场应用情况

3.2.1 水平井密闭取心井眼轨迹控制

首先采用带密闭钻头+螺旋扶正器+密闭取心工具(8 m)+螺旋扶正器+LWD随钻测量仪器的井底稳斜钻具组合进行取心钻进14.0 m后，LWD随钻测量仪器测点井斜增加1.25°，未达到稳斜效果；然后及时起钻改用密闭取心钻头+密闭取心工具(4.6 m)+弯螺杆+LWD随钻测量仪器的井底降斜钻具组合进行降斜，取心钻进8.0 m后，LWD仪器测点井斜降低0.15°，进尺20.0 m后随钻测量仪器测点井斜降低0.42°，降斜效果明显；降斜达到井眼轨迹设计要求后，起钻采用密闭钻头+螺旋扶正器+密闭取心工具(7.2 m)+螺旋扶正器+LWD仪器的井底稳斜钻具组合钻进，稳斜钻进20.5 m后，井斜微增0.07°，稳斜效果理想。后期因地层倾角发生变化，需要增斜取心钻进时，采用密闭钻头+螺旋扶正器+3.7 m密闭取心工具+螺旋扶正器+LWD随钻测量仪器的井底增斜钻具组合钻进，进尺18.5 m后随钻测量仪器测点井斜增加0.24°，增斜效果明显。

在整个密闭取心过程中，通过综合应用上述3种钻具组合，在保证井眼轨迹的同时实现了水平段连续密闭取心，取得了很好的应用效果。表1、表2和表3为密闭取心段截取的实测井眼轨迹部分数据。从表1可以看出，在1 210.53～1 235.94 m井段，进尺25.41 m降斜0.52°，降斜效果明显。

表1 取心段部分降斜轨迹数据Table 1 Borehole trajectory with coring section inclination-decrease

从表2可以看出，在1 263.61～1 284.86 m井段，进尺21.25 m增斜0.27°，增斜效果明显。

表2 取心段部分增斜轨迹数据Table 2 Borehole trajectory with coring section inclination-increase

从表3可以看出，在1 355.24～1 376.58 m井段，进尺21.34 m井斜变化0.07°，稳斜效果理想。

表3 取心段部分稳斜轨迹数据Table 3 Borehole trajectory with coring section inclination-stabilization

采用杏6-20检平647井实测井眼轨迹数据，通过Landmark软件形成该井实钻井眼轨迹1∶200的缩略图，其水平投影及垂直剖面分别如图2和图3所示。从图2和图3可以看出，A靶点、B靶点、C靶点、D靶点和E靶点过渡平稳光滑，完全满足0.6～1.0 m薄油层水平井连续密闭取心设计要求。

图2 实测井眼轨迹水平投影图Fig.2 Horizontal projection of measured borehole trajectory

3.2.2 取心工艺质量控制

在杏6-20检平647井水平段密闭取心时，上提、下放摩阻较大，直接影响树心放不到井底和割心拉力不准。为此，密闭取心钻进时严格执行取心工程师下达的操作指令；连续密闭取心时，采用优化后的井底增斜、稳斜和降斜密闭取心钻具组合，调整井斜和方位，并精细控制钻进参数，保障水平段密闭取心收获率和密闭率，同时精准控制密闭取心井段井眼轨迹。

图3 实测井眼轨迹垂直剖面图Fig.3 Vertical profile of measured borehole trajectory

3.3 应用效果

在水平段取心施工中，创新应用的LWD仪器与不同长度双筒单动密闭取心工具，配套单、双螺旋扶正器，实现增斜、稳斜和降斜，减少了为调整井眼轨迹而增加的起下钻次数，避免了密闭取心不连续，缩短了钻井取心周期。高质、高效完成水平段连续取心315.5 m，单层连续不间断密闭取心236.6 m，取心收获率99.76%，密闭率97.10%。

4 结论及建议

(1)研制的5套不同长度双筒单动水平井连续密闭取心工具，通过LWD仪器监测，达到密闭取心的同时控制井眼轨迹的目的，满足钻井工程设计要求。

(2)该工具可将井眼轨迹精准控制，且现场定向与密闭取心完美结合，在大庆杏6-20检平647井中得到了成功应用，首次在油层有效厚度仅0.6～1.0 m的靶体中连续取心315.54 m，取心收获率99.76%，密闭率97.10%。

(3)对现场5趟不同钻具组合钻进进行充分分析后，确定井底适合该井增斜、稳斜和降斜钻具组合，同时优化钻井参数，有效实现在薄油层中连续取心的同时精细控制井眼轨迹。

(4)现场应用结果发现，水平井密闭取心工具上的螺旋扶正器外径对整体水平井井眼轨迹控制有一定的影响，建议后续优化时考虑螺旋扶正器外径的影响。