马伟东 辛加栋 倪娜
大庆钻探集团钻井二公司 163000
摘 要:油田钻井取芯环节，在工程应用中大都使用密闭取芯技术，以避免在受钻井液污染岩芯，从而精准测量油水饱和度数据等地质指标。基于密闭取芯取得的岩芯地质资料，有助于油气资源开发、探明油田实际储量，但使用该技术在水平井中取样，技术可行性难度较高。文中重点探讨密闭取芯技术在水平井取样的技术困境，并就取样机理及关联因素进行研究，以期为油田资源开发提供技术支撑。
关键词:水平井;密闭取芯;连续取芯;工艺措施
水平井中的密闭式取芯，有别于其他形式的油田井岩芯取样。密闭取芯技术在水平井中的应用，由于技术条件的限制，不能简单的通过密闭取芯工具及取芯技术实现。在水平井密闭取芯环节，需要对取芯工况条件综合分析，对影响取芯环节特殊的地质、条件因素及作用机理逐项技术攻关，解决取芯技术难题。
1、取芯工具的作用机理
1.1 工具的构造
密闭取芯工具主要由密闭部分、钻头取样与轴承连接几部分构成，如接头总成、悬挂构件总成，岩芯取样套筒（内、外部分），丝堵，接头，稳定器及密闭头及取芯钻头等组件。
1.2 工具运行机理
取样工具投入使用前，在取芯筒内注入密闭液，并拧上丝堵。将取芯筒连接螺旋杆并下至油田井底，在取芯前启动取芯筒旋转，清洗干净岩芯周围的杂质，然后停泵，在钻具压力作用下剪断销钉。然后启动转盘及螺杆钻，在驱动力作用下开始取芯作业。在取芯缓慢钻入岩芯时，内套筒与钻具不同步转动，密闭头将岩芯转入内套筒中，套筒中的密闭液通过间隙均匀的覆盖在岩芯表面，自动形成对取样岩芯的防护，避免在钻井过程中岩壁溶液浸入到岩芯位置，导致取样样品污染。在切割岩芯时，向上提高钻具，让岩芯爪在钻头内锥位置移动，并形成径向锁紧反应，将岩芯卡紧后开始向上提拉，作用力的强度高于岩芯断面的极限值时，即可完成取芯工作。
2、水平井密闭取芯技术难点
（1）在水平油田井中进行取样时，取芯工具置于螺旋杆的末端位置，并通过螺杆驱动或螺杆、转盘驱动，取芯工具的转数是两者的转数总和，转速大约在150～180r/min之间。内筒在外筒的高速旋转带动下，内筒内存储的密闭溶液也会随之转动，并形成旋涡状，取样时若岩芯的强度较低，在惯性作用下容易将岩芯扭断，导致取样岩芯折断或破损，这样岩芯取样后无法进入内外筒，并对取芯的准确度造成影响。由此，在水平井的岩芯取样时，可通过双筒单动的方式实现。工程通用的水平井取芯工具，根据构件总成、运转方式不同，可实现悬挂总成、双筒单动的运行模式，这种取芯质量相对较好。但由于悬挂总成结构占用的套管空间较大，约1m左右，在水平井油田用这种结构取芯，影响总体进尺，且内套筒的密闭液只能从工具的底部位置、密闭头位置灌入，给整个取芯工作带来困扰，徒增劳动量。
（2）在水平井油田中进行取样，首要的控制目标就是取芯段使用的工具避免倾斜，一旦工具发生倾斜就需要花费大量时间纠正进尺，从而影响取芯进度，且岩芯资料的准确性也会受到影响。这种取芯方式就要求在取样过程中自行调整轨迹，确保偏差在设计指标内，实现连续取芯的目的。
（3）从密闭材料的密封性来分析，油基密闭液密度为0.95～1.03g/cm3，该密度值小于钻井溶液的密度。若取芯工具在水平井中进行打转，当钻头到达井底剪销位置时，钻井液会浸入到内套筒，并与密闭液置换产生分层现象，由此造成套筒中的密闭液白白流失，对岩芯的密闭性造成不良影响。
3、水平井取芯技术对策
3.1 悬挂总成构件设计
对于取芯内套筒的设计，增加带有一对圆锥滚子轴承的内旋构件，能够承载钻轴在径向方向、轴向荷载下的作用力，且能自动调整钻头的偏差，即能调节内筒的轴向移动限位，又能在双筒模式下实现单动。这种悬挂总成的构件布局紧凑，有效利用内筒的有限空间，这样单筒取岩芯的长度由原来的6m增加至7.4m，取样空间得以扩展。
3.2 取岩芯井眼的调控
通过水平井取岩芯作业，关键的环节在于避免取芯过程中出现倾斜偏差现象，如果进行纠斜将会拖延取芯效率，对进尺进度造成干扰，得到的岩心资料相对不精准。
因此水平井取岩芯环节，应设计能够自动调整井眼的轨迹，确保取芯环节偏差在允许设计指标内，实现连续取芯作业，提高取芯效率和资料准确度。在对取芯工具的作用力情况进行分析，发现在对取芯工具的钻头端稳定器外径技改，或通过转换接头替换稳定器能实现钻头的倾斜调节目的，从而实现对井眼轨迹的控制。技改后的螺杆与取芯工具在取芯环节，可以调整成增斜、稳斜和降斜多角度钻井方式，在取芯过程中使用测量仪器对钻具角度进行调整，确保钻具在井眼的轨迹符合设计指标要求。
3.3 密闭液与钻井液的置换
在密闭液与钻井液的置换，一是要研制出合成基密闭液，该液体的粘度和切力强度指标要高，并能根据环境条件调整密度，在确保取样岩芯的质量同时，也能满足密度及粘度要求，避免在取芯过程中出现密闭溶液置换现象。二是在密闭头部位增加平衡单向阀，在取芯工具取样时使用平衡单向阀来调节密闭溶液。当平衡单向阀阀芯内的压力高于外部压力时，阀门内部的弹簧在压缩作用下阀芯被打开，此时密闭液从套筒内流出。若在阀芯两端的压力均衡，阀芯在这种情况下关闭，密闭液与钻井液接触。平衡单向阀在取芯工具应用后，能够避免密闭液出现外流，从而提高取样环节的密闭率。
4、取芯工具钻进参数的设定
使用取芯工具现场取样时，对水平井定期通一次，确保井眼在取样过程中顺畅，在通井时顺便下进LWD探测仪器，对井斜情况进行测定，并调整倾斜偏差值。此外，取芯下钻过程中应适当调整下钻的速度，防止钻头转速在压力作用下出现剪断现象。
4.1 钻压工序
在水平井油田进行取芯，钻具大都在水平状态下下钻，使得钻具与井壁的摩擦力增强，取芯工具配置的指重表不能精准测定钻压。在下钻过程中，应尽量降低取芯环节的机械转速，使用小钻压进。钻头钻井环节，及时监测泵压及钻进进程中扭矩的变化趋势，防止螺杆钻具在过速反应下出现失效现象。在井深变化及水平延伸作用下，钻压的前端压力不能及时传输至末端钻头，可通过在螺杆上方增加螺旋钻铤、加重钻杆并反复倒换的方式，降低在水平钻动过程中的钻压增大现象。
4.2 取芯排量指标
对取芯环节排量的指标设计，应满足在取芯环节的最低携沙，同时配套的螺杆额定排量，及钻井岩芯的岩性、井眼的稳定性等。钻具在钻入井眼过程中，坚持“大排量循环,低排量钻进”的取芯原则，当泵压在短期内的压力较高，可适当降低钻具排量，通过提高钻压压力实现机械转速效率提升。
4.3 转速指标设计
在取芯过程中，钻杆的转动主要通过螺杆驱动实现，转盘仅作为辅助驱动设施，目的是在螺杆转动时保持钻具活动性，避免出现托压、钻具受卡，确保钻井液及时返砂。为确保钻具在转动过程的稳定性，在取芯时螺杆转速较慢，约5～25r/min。这种低速旋转的优势，一是降低钻具振动的频率，确保底部钻具的稳定旋转，同时也能有效降低岩芯的破损概率，避免卡芯与堵芯现象的发生；二是若取芯旋转环节若末端的扭矩较大，在低速旋转能够及时缓冲压力，降低扭矩带来的惯性冲击，对钻具起到保护作用。
4.4 螺杆钻具防倒转的技术对策
为避免钻头在旋转取样环节引发的转盘倒转问题，使用20～30kN的压力推动钻具钻进作业。在水平井的钻动长度增加，钻具受到的摩阻和扭矩力随之提高，甚至出现泵压超高的情况，在钻探过程中副司钻应全程做好监控，发现泵压超过设定值时及时停泵处理。若在循环打钻环节出现沉砂憋泵，应迅速将钻具提起并及时停泵，避免螺杆在回旋力作用下钻具倒转。若在钻具钻进环节发现突发性泥岩夹层现象，机械的转速也会减弱，钻头部位的扭矩增加；这就要求在钻进环节，均匀的将钻头钻入，并时刻观测泵压、钻压的压力趋势。钻进后期阶段，泵压在岩层及井壁压力作用下升高，此时应降低泥浆泵排量进钻，避免由于螺杆钻具过速失效导致转盘倒转现象。
密闭取芯技术在水平井油田的实践应用功能，能够确保取芯作业岩芯的完整性，为实验室分析岩芯的油水饱和度提供可靠性资料，防止取样环节钻井液融入导致样品失真。本文研究的水平井取芯技术、取芯工具钻进参数的设定，为水平井取芯技术改进提供借鉴。
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作者简介：马伟东，性别：男，民族：汉，籍贯：黑龙江讷河，出生年月：1975.10.31，文化程度：大学专科，现有职称：助理工程师，研究方向：水平取心井技术.