向峰

大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院

雙巖心爪取心工具的研究與應(yīng)用

向峰

大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院

引用格式：向峰. 雙巖心爪取心工具的研究與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（4）：442-445.

復(fù)雜地層一般是指裂縫發(fā)育，軟硬互層，膠結(jié)性、穩(wěn)定性及強(qiáng)度較差的地層，在對(duì)該地層進(jìn)行取心施工時(shí)，一直存在擼心、掉心、巖心收獲率低等問(wèn)題。依據(jù)復(fù)雜地層的特點(diǎn)，研制了雙巖心爪取心工具，該工具結(jié)合了自鎖式取心工具與加壓式取心工具的優(yōu)點(diǎn)，在軟地層割心時(shí)，可以通過(guò)加壓式巖心爪將巖心割斷并封堵內(nèi)筒，防止擼心、掉心；在硬地層割心時(shí)，啟動(dòng)自鎖式巖心爪，楔入巖心，將巖心割斷。現(xiàn)已在大慶地區(qū)進(jìn)行了兩口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，應(yīng)用表明，該工具有良好的地層適應(yīng)性，工藝操作簡(jiǎn)單，成本低，能夠有效提高復(fù)雜地層取心收獲率指標(biāo)，保證化驗(yàn)分析的準(zhǔn)確度，為油田的高效開(kāi)發(fā)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

復(fù)雜地層；取心；收獲率；雙巖心爪

隨著油田漸漸進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，對(duì)儲(chǔ)層準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)顯得尤為重要，而復(fù)雜地層取心［1］是一直困擾油氣勘探開(kāi)發(fā)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的難題。目前勝利、遼河、大慶等國(guó)內(nèi)主要油田的現(xiàn)役取心工具均不能滿(mǎn)足復(fù)雜地層鉆井取心的要求，經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研制了雙巖心爪取心工具，在葡90-462井、喇8-檢PS1707井進(jìn)行了成功應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，為油田復(fù)雜地層取心提供了可靠利器。

1　雙巖心爪取心工具Coring tool with double core catchers

1.1結(jié)構(gòu)

Structure

雙巖心爪取心工具主要由懸掛液壓集成系統(tǒng)、外筒組件、內(nèi)筒組件、雙巖心爪割心系統(tǒng)、取心鉆頭等組成，如圖1所示。

圖1　雙巖心爪取心工具結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of coring tool with double core catchers

1.1.1懸掛液壓集成系統(tǒng) 雙巖心爪取心工具的設(shè)計(jì)難點(diǎn)：加壓力的來(lái)源。目前常用的加壓結(jié)構(gòu)主要有機(jī)械加壓和液力加壓兩大類(lèi)型。其中機(jī)械加壓機(jī)構(gòu)一般采用的是六方桿等組件，零部件沉重，裝配不便，同時(shí)受井斜影響，存在卡球現(xiàn)象［2］。液力加壓結(jié)構(gòu)通常采用的是銷(xiāo)釘懸掛，存在循環(huán)時(shí)激動(dòng)壓力過(guò)大而導(dǎo)致銷(xiāo)釘提前斷開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)。而新設(shè)計(jì)的加壓機(jī)構(gòu)井深、井斜適應(yīng)性強(qiáng)，且懸掛結(jié)構(gòu)裝配簡(jiǎn)單，掛得住、拖得開(kāi)。

雙巖心爪取心工具采用懸掛液壓集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)由加壓接頭、大接頭、球座、懸掛球、泄壓機(jī)構(gòu)液壓球等組成，見(jiàn)圖2。工作原理：加壓接頭與球座及大接頭之間均采用活塞密封設(shè)計(jì)，當(dāng)液壓球落至球座時(shí)，上部形成封閉空間，在液力作用下釋放機(jī)構(gòu)脫開(kāi)，球座下行，懸掛鋼球解鎖，此時(shí)工具依然處于密封狀態(tài)，隨泵壓持續(xù)升高，內(nèi)筒組件受到向下的壓力，從而實(shí)現(xiàn)工具的加壓。當(dāng)加壓力達(dá)到泄壓機(jī)構(gòu)預(yù)設(shè)壓力時(shí)，循環(huán)通道被打開(kāi)，防止起鉆噴鉆井液。該系統(tǒng)特點(diǎn)：釋放機(jī)構(gòu)在投球前幾乎不受力，因此可以避免工具內(nèi)筒提前釋放，影響取心工序；泄壓機(jī)構(gòu)采用預(yù)設(shè)銷(xiāo)釘分級(jí)控制，泄壓力控制精準(zhǔn)；液力加壓—泄壓效果不受井深井斜影響，適用范圍廣，全過(guò)程安全可靠。

圖2　懸掛液壓集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the integral suspension and hydraulic system

1.1.2雙巖心爪割心系統(tǒng) 常規(guī)的割心方式一般均是單一的自鎖式割心或者加壓式割心，存在一定的局限性。在中、硬地層一般自鎖式割心效果較好；在松軟、易碎地層加壓式割心效果更優(yōu)。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜地層采用這兩種割心方式應(yīng)用效果均不太理想。因此必須研制一種新型割心方式，以解決該問(wèn)題，提高復(fù)雜地層的巖心收獲率，實(shí)現(xiàn)軟—中—硬地層取心的全覆蓋。

雙巖心爪割心系統(tǒng)由卡箍座、卡箍座接頭、自鎖式巖心爪、加壓式巖心爪等組成。其工作原理：加壓式巖心爪與卡箍座采用螺紋連接，鉆頭設(shè)計(jì)內(nèi)錐面，割心時(shí)，通過(guò)加壓機(jī)構(gòu)使加壓式巖心爪沿鉆頭內(nèi)錐面變形，切入巖心，實(shí)現(xiàn)加壓割心［3-4］；若加壓式巖心爪不能將巖心割斷，說(shuō)明巖心較硬，上提鉆具，啟動(dòng)自鎖式巖心爪，將其割斷。該割心系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、地層適應(yīng)性強(qiáng)，取心效率高的特點(diǎn)。

1.1.3內(nèi)筒保形襯管 復(fù)雜地層軟硬互層，膠結(jié)性、穩(wěn)定性及強(qiáng)度較差，在該地層取心時(shí)，取全取準(zhǔn)保持原始沉積狀態(tài)的、不受或極少受鉆井液傷害的巖心至關(guān)重要。保形取心技術(shù)則是為了更好地提高巖心收獲率、保證巖心完整性而研發(fā)的一種特殊取心技術(shù)。國(guó)內(nèi)保形取心技術(shù)主要以四川、勝利和遼河為代表， 采用PC、PVC和玻璃鋼、鋁合金內(nèi)筒代替常規(guī)鋼內(nèi)筒的方式保護(hù)巖心［5］。

雙巖心爪取心工具設(shè)有加壓機(jī)構(gòu)，內(nèi)筒需要具有較強(qiáng)的加壓承載力，而單獨(dú)使用上述保形內(nèi)筒，取心過(guò)程中內(nèi)筒容易發(fā)生彎、折等變形，對(duì)取心工藝產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此設(shè)計(jì)采用“鋼內(nèi)筒+保形襯管”組合取代常規(guī)鋼內(nèi)筒，該組合具有良好的抗拉、抗壓性能，內(nèi)壁光滑，不易堵心，有利于保護(hù)巖心。

從襯管的切割難易程度、強(qiáng)度、抗溫性能、抗老化能力、價(jià)格等因素綜合考慮，雙巖心爪取心工具選用玻璃鋼保形襯管最佳，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　保形襯管的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of the conformal liner

1.2工作原理

Working principles

取心工具由內(nèi)外雙筒組成，外筒的作用是為取心鉆頭切削破巖傳遞鉆壓和扭矩，內(nèi)筒采用球懸掛方式，外筒和內(nèi)筒之間的環(huán)空間隙構(gòu)成取心鉆進(jìn)時(shí)鉆井液循環(huán)通道。取心前需循環(huán)鉆井液清洗井底和內(nèi)筒，鉆井液通過(guò)內(nèi)外筒之間的環(huán)空，最后流經(jīng)取心鉆頭再由井眼環(huán)空返出井筒，將井底的沉砂清洗干凈。開(kāi)始取心時(shí)，從井口向鉆具內(nèi)投入一鋼球，當(dāng)鋼球坐落到球座時(shí)，內(nèi)筒上部的通道即被封堵，此時(shí)內(nèi)外筒的環(huán)空是鉆井液唯一循環(huán)通道。當(dāng)取心工具的外筒帶動(dòng)取心鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，經(jīng)取心鉆頭切削成柱狀的巖心克服巖心爪的摩擦力進(jìn)入內(nèi)筒。取心鉆進(jìn)結(jié)束后通過(guò)地面管線再投一大球，通過(guò)液力加壓系統(tǒng)，使內(nèi)筒組件整體下移，加壓式巖心爪受力收攏，發(fā)生永久變形，割斷巖心并封堵內(nèi)筒。如果巖心較硬加壓式巖心爪不能割斷巖心，則上提鉆具，啟動(dòng)卡箍巖心爪，割斷巖心。

1.3技術(shù)特點(diǎn)

Technical features

（1）采用懸掛液壓集成系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，易裝配，安全性好，可靠性高。

（2）采用雙巖心爪割心系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自鎖式與加壓式巖心爪的有效結(jié)合，克服了復(fù)雜地層取心的技術(shù)難點(diǎn)。

（3）采用玻璃鋼內(nèi)筒襯管，使內(nèi)壁更加光滑，不易堵心，且有利于巖心保形與切割。

1.4技術(shù)參數(shù)

Technical parameters

工具長(zhǎng)度10.3 m；巖心直徑100 mm；鉆頭尺寸215.9 mm；適應(yīng)軟-中-硬等復(fù)雜地層。

2　工藝流程Process flow

由于雙巖心爪取心工具結(jié)構(gòu)的特殊性，主要工藝流程與現(xiàn)役工具有很多不同點(diǎn)。

2.1下鉆前準(zhǔn)備工作

Pre-drill preparations

（1）通徑：開(kāi)鉆前對(duì)鉆鋌、螺旋扶正器、變徑接頭等進(jìn)行通徑。

（2）安裝專(zhuān)用投球接頭：按照要求將投球接頭安裝到方鉆桿上方，便于投球操作。

2.2下鉆

Drill-down

（1）下放鉆具要平穩(wěn)，控制下放速度，嚴(yán)禁猛剎、猛放、猛頓，下鉆遇阻劃眼鉆壓應(yīng)小于10 kN，盡量避免大段劃眼。

（2）準(zhǔn)確計(jì)算方入，下鉆至距井底0.5 m時(shí)開(kāi)泵循環(huán)，鉆頭不得接觸井底，預(yù)防井底沉砂進(jìn)入內(nèi)筒。

2.3取心鉆進(jìn)

Coring and drilling

（1）鉆進(jìn)前需投球，封堵循環(huán)通道。依靠排量控制球的下行速度，接近球座時(shí)，降低泵速，待鋼球落在球座上后，開(kāi)始正常鉆進(jìn)，鉆進(jìn)排量不得大于32 L/s。

（2）鉆進(jìn)初期應(yīng)注意樹(shù)心，輕壓10～20 kN鉆進(jìn)30 cm，再逐漸加壓40～50 kN正常鉆進(jìn)，送鉆要均勻，注意泵壓、機(jī)械鉆速變化及轉(zhuǎn)盤(pán)負(fù)荷情況［6-7］。

2.4割心

Core cutting

加壓割心時(shí)需停轉(zhuǎn)盤(pán)、停泵，打開(kāi)回水閘門(mén)，關(guān)閉上旋塞，地面投液壓球，開(kāi)泵送球落座，排量10～15 L/s，同時(shí)記錄泵速和立管壓力，鋼球落座后，緩慢升壓（約6 MPa），釋放機(jī)構(gòu)脫開(kāi)，內(nèi)筒組件整體下行，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)泄壓力時(shí)（約16～22 MPa），泄壓通道打開(kāi)。加壓割心失效，則需啟動(dòng)自鎖式巖心爪，上提鉆具，巖心爪沿著卡箍座錐面下行，卡緊并割斷巖心，特殊情況也可采用上提鉆具并轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)等方法進(jìn)行割心。

3　應(yīng)用實(shí)例Applications

應(yīng)用雙巖心爪取心工具在油田進(jìn)行了兩口井的取心現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)工具的可靠性及其相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了檢驗(yàn)。第一口井：葡90-462井，取心井段912～949.98 m，葡萄花油層，取心難點(diǎn)：取心層位埋藏淺，主要是粉砂質(zhì)泥巖與砂巖互層，泥質(zhì)膠結(jié)疏松，成巖性較差，巖心進(jìn)筒困難；第二口井：喇8-檢PS1707井，取心井段1 218.42～1 255.00 m，屬高臺(tái)子油層高二組，取心段以灰色砂巖為主，成巖性較好。

從表2可以看出：在葡90-462井中，地層成巖性差，軟硬交錯(cuò)互層，第1-2筒采用常規(guī)自鎖式取心工具，取心效果較差，第1筒掉心，第2筒撈心，撈心時(shí)，發(fā)生磨心導(dǎo)致巖心損失，兩次割心現(xiàn)象均不明顯，出心后，僅成功打撈上部巖心1.05 m，該工具在此地層取心累計(jì)平均收獲率僅43.04%。第3-6筒采用雙巖心爪取心工具，共取心4筒，累計(jì)進(jìn)尺29.50 m，累計(jì)收獲率97.62%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在巖性相對(duì)疏松、復(fù)雜的油層取心時(shí)，雙巖心爪取心工具有較明顯的優(yōu)越性，主要是因?yàn)樵摴ぞ呔哂须p割心結(jié)構(gòu)，可采用加壓式巖心爪強(qiáng)力切入疏松巖心柱，將巖心抱死并收攏，封堵內(nèi)筒，防止掉心，同時(shí)當(dāng)巖性變硬時(shí)，又可直接啟動(dòng)自鎖式巖心爪將巖心割斷；在喇8-檢PS1707井，高臺(tái)子油層，成巖性好，使用自鎖式取心工具和雙巖心爪取心工具均獲得了良好的取心收獲率指標(biāo)。

4　結(jié)論與認(rèn)識(shí)Conclusions and discussions

（1）設(shè)計(jì)的雙巖心爪取心工具結(jié)構(gòu)合理，拓寬了工具的地層適應(yīng)性，尤其適合于軟硬交錯(cuò)等復(fù)雜地層取心，能有效提高取心收獲率指標(biāo)；取心工藝參數(shù)切實(shí)可行，能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)要求。

（2）懸掛液壓集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工具掛得住，脫得開(kāi)，將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)化為工具的加壓動(dòng)力，裝配簡(jiǎn)單，不受井深、井斜影響，應(yīng)用范圍廣。

表2　取心現(xiàn)場(chǎng)記錄Table 2 On-site records for coring operations

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（修改稿收到日期 2016-05-26）

〔編輯 景 暖〕

Development and application of coring tools with double core catchers

XIANG Feng
Drilling Engineering Technology Research Institute， CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation， Daqing， Heilongjiang 163413， China

Complex formations refer to those with abundant fractures， alternating soft and hard layers， and poor cementation， stability and strength. Coring operations in complex formations often encounter such problems as core ripping， core disengagement and low core recovery. In light of features of complex formations， a coring tool with double core catchers has been developed. With combined advantages of self-locking and pressurized coring tools， the newly-developed coring tool may effectively cut the core and properly secure it in the inner barrel during coring operations in soft formations by using the pressurized catcher， in this way， the captured core can be protected against ripping and disengagement. While in coring operations in hard formations， the self-locking core catcher can be mobilized to penetrate into and cut the core. This tool has been used in two wells in Daqing Oilfield. On-site application shows this tool，with good formation adaptability， simple operation and low costs， can effectively enhance core recovery in complex formations to ensure accuracy of lab analysis， so reliable geologic data can be provided for highly efficient oilfield development.

complex formation； coring； core recovery； double core catchers

TE244

B

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0442- 04

10.13639/j.odpt.2016.04.007

XIANG Feng. Development and application of coring tools with double core catchers［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 442-445.

向峰（1979-），2008年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)材料學(xué)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事油田取心科研與技術(shù)服務(wù)工作，工程師。通訊地址：（163413）黑龍江省大慶市八百晌鉆井工程技術(shù)研究院取心分公司。電話(huà)：0459-4893167。E-mail: xiangfengkg@163.com