新型旋转井壁取心仪在大庆油田的应用

陆敬武, 曹扬, 杨帆, 贾鑫, 王莹

(中国石油大庆钻探工程公司测井公司, 黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

分析岩心可通过3种方式获得:钻井取心、爆炸撞击式取心、旋转式井壁取心[1]。旋转式井壁取心凭借其电缆作业的特点,相比钻井取心具有施工方便、效率高、成本低的优势,适合对全井各类地层取心;相比爆炸式取心具有岩心规则、结构完整的优势,可直观进行岩性含油性观察,借助分析设备进行岩性、电性、物性和含油性分析化验求取孔隙度、渗透率等储集层参数,应用最广泛,发展潜力最大的取心方式。

Schlumberger公司的旋转式井壁取心仪器(MSCT)在1985年达到实用阶段[2],随后,Halliburton公司也推出了旋转式取心仪器(RSCT[3])。在20世纪90年代中期河南油田与航天部一院合作研制出了中国首套机械钻进式井壁取心仪器(FCT[4-5])。

MSCT、RSCT和FCT均需要提供380 V交流供电,地面系统的体积庞大。3种仪器的井下动力系统都采用交流电机供电,液压驱动钻头进行取心作业,功率转换效率低。RSCT和FCT均采用皮囊和浮动管线设计,仪器稳定性差,难于维护,使用成本高。大庆钻探工程公司测井公司自主研发的旋转式取心仪器(ESCT)。地面系统采用便携式机箱,井下应用大功率直流无刷电机和数字电磁阀技术,液压系统实现集成一体化。仪器具有高可靠性、高采收率的特点。

1 旋转式井壁取心仪器

ESCT旋转式井壁取心系统包括地面设备和井下仪器2部分。仪器外径为138 mm,适用于井眼尺寸为Φ160 mm～Φ360 mm的取心作业。耐温达到175 ℃,耐压达到20 000 psi*非法定计量单位,1 psi=6 894.76 Pa,下同。取心深度误差小于0.1 m。钻取的岩心规格为(25 mm×50 mm),取心筒容量最大为75颗。井况要求井斜不大于40°。钻井液黏度不大于55 s,比重小于1.6 g/cm3,含砂量小于0.5%,失水小于8 mL具有良好的流变性能和防塌性能。

地面系统采用便携式机箱,可与任意系统配接(见图1)。地面系统可以完成深度、张力、自然伽马等曲线的记录和打印。系统的软件实现了取心操作可视化控制,还可以对仪器的工作状态进行全程实时监测和记录。当配接7 000 m以下电缆时,取心电源可使用220 V交流作为系统供电,提高了系统的适应性和安全标准。地面系统的便携式设计使其体积和重量均不到FCT地面系统的一半。而MSCT需要专用的车辆承载它的供电系统。

ESCT电气性能实现了大功率直流无刷电机的驱动和控制,提高了系统供电效率。ESCT的井下动力系统采用的直流无刷电机,功率转换效率达到80%以上。通讯技术采用了抗强电磁干扰技术,通讯稳定可靠。

ESCT井下仪器的液压系统实现集成一体化设计,在直径Φ120 mm长度为1 240 mm的钛合金棒体上实现了3条油路,在本体两侧嵌入式安装了20多个控制阀体、钻进活塞缸及推心活塞缸体。在液压系统中成功应用了数字控制电磁阀,通过地面系统调节电磁阀的占空比,实现了取心钻压的实时全范围调节,使得仪器对各种硬度的地层适应性大为增强。特别是在较软的地层所取的岩心完整规则,取心收获率高。液压系统采用一种液压油(J26),可在常温下平稳启动电动机,适合深井作业,不用换油和预热。

ESCT井下机械系统配合液压动力自动完成仪器的推靠、岩心的钻进、掰断、收集和检测。取心动力采用了大功率直流无刷电机,实现了电机带动齿轮直接驱动钻头,减少了取心动能在能量转换过程中的损耗。仪器的最大取心输出功率达到1 800 W,最大扭矩达到7 N·m。取心钻头输出动力性能显著提升,不但可以满足致密坚硬的火成岩的钻取,也适应含油饱和度高的葡萄花层,解决了过去取心作业的难题。

2 旋转式井壁取心仪器的应用

在仪器研制阶段,ESCT旋转式井壁取心仪完成了××1号井和××2号井的取心作业任务。ESCT旋转式井壁取心仪器在××1号井作业的完井曲线与岩性相关性(见图2),在深度××00～×700 m井段获取了24颗岩心,经现场确认全部合格,岩性正确。在同口井与国外测井公司取得的岩心和测井时效进行对比,取心收获率和作业时间(见表1),取心效果和取心效率达到了国际大公司取心水平。ESCT旋转式井壁取心仪器在大庆油田高温高压深层气井成功应用,在登二段、营城组、沙河子组层段取得合格岩心,其岩性包括粗砂岩、泥质粉砂、砂质砾岩。

表1 ××1井取心作业时效表

××2号井取心作业时间9 h,在深度××00～××50 m的嫩二段、嫩一段、姚二三段、姚一段、青二三段、青一段井段钻取岩心50次,收获岩心48颗。在深度××40.2 m位置取得的油浸粉砂岩岩心,与录井岩屑资料对比一致(见图3)。对不同深度同岩性取心时效和钻取的岩心长度进行了统计(见表2)。岩心实物见图4。

图3 ××2完井曲线与岩心相关性对比

在此基础上升级改造的仪器在××3井进行了大颗粒岩心(38 mm×63 mm)实验取心,成功钻取大颗粒岩心16颗。在ESCT井壁取完岩心后斯伦贝谢公司进行了电成像作业,图5是电成像测得的成像图。可以清晰地看到井壁取心后的井壁图像和钻取的岩心实物(见图6)。

ESCT旋转式井壁取心测井仪在大庆地区已经开始投产应用,截止到2016年6月,已经完成了21口井的取心生产任务。共取心1 000余颗,平均取心收获率达到了90%以上,实现单只仪器单口井钻取99颗完整岩心无故障的记录。

图4 不同岩性岩心实物图

图5 ××3井大颗粒岩心取心后电成像图

图6 ××3井大颗粒岩心实物图

3 结 论

(1) 在ESCT旋转式井壁取心仪中应用的大功率直流无刷电机和钻头直驱技术,提高了仪器的取心动力和功率转换效率,使仪器的地面系统小巧方便,安全可靠。仪器的拓展性增强,可适应大颗粒取心的需要。

(2) ESCT旋转式井壁取心仪的液压集成一体化设计、钻压实时数控技术、可靠的岩心检测机构,使仪器的稳定性和可靠性进一步加强,平均取心收获率达到了90%以上,在近2年完成的取心任务中取心效率明显提高。

(3) ESCT旋转式井壁取心仪解决了葡萄花层和深层火成岩取心的难题,钻取包括泥岩、细砂岩、玄武岩、砂质砾岩、粗砂岩、泥质粉砂岩等不同岩性井段不同硬度岩心,适应大庆油田不同地层的取心要求。

参考文献:

[1] 王志信. 井壁取心技术的发展与应用 [J]. 测井技术, 1997, 21(1): 66-70.

[2] Schlumberger. Mechanical Sidewall Coring Tool [Z]. 1985.

[3] Halliburton. Coring Tool Service System [Z]. 1992.

[4] 卢晓丽, 范继香. HH-2钻进式井壁取心器的研制 [J]. 石油仪器, 2004, 18(2): 50-51.

[5] 程林峰, 马林, 吴凤秋. 完善旋转式井壁取心器的综合性能 [J]. 石油仪器, 2000, 14(2): 12-15.