保压密闭取芯技术在ST1井的应用.pdf
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1、2023年第8期西部探矿工程*收稿日期:2022-08-22修回日期:2022-09-26第一作者简介:卢宝斌(1985-),男(汉族),山东泰安人,工程师,现从事钻井技术研究与现场提速工具、技术管理工作。保压密闭取芯技术在ST1井的应用卢宝斌1*,郑锋1,于国伟2,谢梦宇3(1.渤海钻探工程技术研究院,天津 300450;2.冀东油田勘探开发建设工程事业,河北 唐山 063200;3.长城钻探工程技术研究院,辽宁 盘锦 124010)摘要:青海油田风险探井ST1井钻探目的在于探索三湖地区未成岩泥岩气领域勘探潜力,评价其岩芯在地层原始压力状态下油、气、水含量,同时开展各项分析化验建立泥岩气评价
2、标准,对于涩北气田勘探潜能有重要意义。针对涩北气田取芯井段地层疏松、泥岩发育,取芯收获率保障难度大,设计了新型保压密闭取芯工具,并优化了取芯施工参数,使其更能适应油页岩地层。在保证岩芯收获率、保压率的前提下,缩短了作业周期。关键词:保压取芯工具;取芯收获率;风险探井;ST1井中图分类号:TE244 文献标识码:A 文章编号:1004-5716(2023)08-0025-05保压密闭取芯技术是将保压取芯和密闭取芯相结合,通过在保压内筒中加入密闭液,达到岩芯保压和密闭的双重效果。常规的取芯方式所取岩芯在割芯后起至地面的过程中,由于压力不平衡和钻井液污染的原因导致岩芯中的油、气、水含量不能保持原始状
3、态,从而影响储量计算的准确性,进而影响后续开采方案的制定1。保压密闭取芯技术,利用球阀割芯总成将岩芯在井底就完全密封起来,从而使岩芯保持原始地层压力,并且在钻进和起钻时不会受到钻井液的污染。从而可以为气层储量的计算提供更准确、更可靠的地质资料,为后续制定合理的开发方案提供更为坚实的依据。原有的保压密闭取芯工具,由于割芯总成的结构存在缺陷、密闭液粘度过高及对井下高温的适应性差等原因,容易产生堵芯,影响岩芯收获率,取出的岩芯在油气物性方面与地层差别较大,对勘探开发的决策产生严重影响2。因此需要设计一种新型的保压密闭取芯工具及适应性更强的密闭液。1工具的结构及技术参数1.1新工具的结构及原理保压取芯
4、工具主要由液压差动机构、外筒、保压内筒、球阀割芯总成、触压头、取芯钻头组成,其结构如图1所示。工具的工作原理是:取芯钻进时,球阀处于打开状态,岩芯通过球阀进入保压内筒。取完岩芯后,差动机构可在液压作用下进行差动,并带动内筒反向抬升,同时上部密封机构和球阀密封装置同时被关闭,完成内筒的保压密封。测量总成可以连续对内筒中的温度和压力进行测量和存储。1.2主要技术参数主要技术参数包括:工具总长8.0m,外径194mm,取芯钻头尺寸215.9mm;单次可取岩芯长度6.0m,岩芯直径80mm,额定保压60MPa;割芯方式为液力加压和自锁式割芯相结合3,采用钻具起下作业方式。2关键部件的优化在保压保形取芯
5、工具研制过程中,岩芯直径和保压能力两项主要技术指标始终难以取得突破,且由于岩芯直径和保压能力互为制约关系,在设计过程中为保证球阀的密封性和承压能力,往往需要牺牲一定的岩芯直径。为了进一步提升取芯工具保压能力和岩芯研究价值,对大通径球阀、压力补偿装置和保压内筒等关键部件进行了优化设计,实现了60MPa高温高压条1.液压差动机构;2.外筒;3.保压内筒;4.球阀割芯总成;5.触压头;6.取芯钻头图1新型保压密闭取芯工具 石油与钻掘工程 252023年第8期西部探矿工程件下大直径岩芯获取,解决了取芯工具岩芯直径小、保压能力弱及保温效果差的技术难题。2.1工具结构的优化优化取芯工具结构:保压密闭取芯采
6、用球阀密封的方式,岩芯进筒后,如果产生碎块,会影响球阀的正常关闭,因此在球阀密封总成机构中增加了引芯套,防避免岩芯直接接触球阀和密封总成造成球阀卡顿,提升了工具的可靠性,该球阀设计通过有限元分析:应力和变形数据计算结果与模拟井下施工状态的实测数据非常接近4。优化割芯总成尺寸,增大岩芯与割芯总成下部组件间的环空间隙,降低了破碎岩芯造成堵芯的几率。该保压密闭取芯工具主要特点:采用内提式液压差动机构,安全性好,可靠性高;内筒中加入密闭液,钻进和起钻过程中,岩芯不接触钻井液,防止岩芯污染;采用球阀密封的方式,取芯钻进时,岩芯通过球阀进入内筒,钻取岩芯完成后,在内外筒差动作用下旋转关闭,实现内筒下部密封
7、5;取芯工具到达地面后,利用液氮对岩芯进行快速超低温冷冻,使岩芯中的油气水等组分因低温失去流动性,防止其向外扩散;采用储存式随钻测量技术,能够得到准确测量封闭内筒中的温度和压力;采用内壁光滑的高强度耐腐蚀铝合金内筒,便于岩芯冷冻与切割,有助于岩芯顺畅进入内筒6。2.2优化取芯钻头,提高机械钻速为提高PDC复合片切削能力,针对页岩的岩性特点,优化设计了1306和1306M两种类型的取芯钻头,其主要设计特征如图2所示:攻击性较强的浅抛物线冠形设计,在垂直于钻头轴线平面内对钻头切削齿进行周向布置设计,以确保切削齿能完全覆盖井底7。采用直径13mm复合片,中等布齿密度,攻击性的切削齿角度。刀翼式布齿模
8、式,提高复合片冷却、清洗效率,提升钻头使用寿命。主切削齿采用进口高性能复合片,内外保径采用天然金刚石给予加强,提升钻头整体抗冲、抗磨能力。图2取芯钻头设计2.3优化密闭液性能为保证密封性,保压密闭取芯工具内筒总成上部无排气结构,使用粘度过高的密闭液,将增加岩芯进筒的难度。针对储层井底温度相对较高,采用以蓖麻油为基础的密闭液,配合适量的纳米封堵剂等材料,使密闭液粘度适中,能更好的匹配针对储层井底温度,起到保护岩芯作用,该密闭液即使经过超低温冷冻,恢复常温状态后仍不影响后期实验室岩芯的化验分析。3现场应用3.1取芯施工方案优化柴达木盆地涩北气田第四纪产层埋藏浅、含气井段长,地层疏松、泥质含量高,气
9、、水关系复杂,井眼易缩径、易塌8,针对涩北气田储层的特点及保压密闭取芯技术要求,将原有的保压密闭取芯工具进行优化、改进使其更适应气田储层。改进后的工具在上一代工具基础上增加了岩芯的直径,优化了割芯总成、球阀机构,使得岩芯即使小于钻头尺寸5mm以上仍然可以保证岩芯收获率,并且降低了堵芯发生的几率。该井取芯工具主要参数:工具长度9.2m,岩芯直径79mm,钻头外径215.9mm,额定保压65MPa。针对保压取芯的目的层Q1+2-、层组泥岩段为主,地层胶结一般,易破碎的特点,结合在涩北气田常规取芯的经验9,优化了取芯施工方案:内筒总成提前密封试压,保压取芯工具中的保压系统,特别是其中的密封系统,密封
10、262023年第8期西部探矿工程点多,现场施工中任何一个点出现密封不严,将会导致保压失败10。因此,正式施工之前,对所有密封系统进行室内试压试验,检验工具的密封性,提升了保压成功率;在不影响岩芯收获率并保证井下安全的前提下,钻进参数选择高排量、高转速、低钻压,其中钻压控制在3050kN,转速控制在5065r/min,排量为1518L/s,减少钻具的振动频率,有利于岩芯整齐,成柱性好;采用先超低温液氮冷冻内筒,再进行切割的岩芯并密封保存的地面处理方式,保压工具起至地面时,内筒中处于高压状态,冷冻后直接切割内筒,最大限度地保护岩芯中的气体原始状态。经过讨论ST1井的取芯层位与取芯工具安排如表1所示
11、。表1ST1井保压保形取芯层位层位Q1+2-层组进尺(m)18100取芯方式保形取芯保压取芯收获率80.0%50.0%(散碎地层)岩芯直径(mm)10180取芯工具型号数量保形取芯工具2套保压取芯工具4套钻头类型外径(mm)PDC215.9PDC215.93.2保压率的计算根据中石油行业标准 SY/T 5593-2016井筒取芯质量规范,保压率按照以下公式进行计算。B=PcPn100%(2)式中:B岩芯保压率,采用百分数表示;Pc地面实测岩芯压力,MPa;Pn井底液柱计算压力,MPa。3.3施工过程及使用效果该井总共取芯作业施工20筒次,取芯进尺118m,岩芯长度 111.3m,平均收获率 9
12、4.30%,平均保压率81.04%,见表2。表2ST1井保压密闭取芯数据统计表序号1234567891011121314151617181920合计井段(m)1201.001205.001207.001214.001214.001220.001220.001226.001226.001232.001232.001238.001238.001244.001244.001250.001250.001256.001256.001262.001262.001268.001268.001274.001274.001280.001280.001286.001286.001292.001292.001298
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