自鎖式深井密閉取心工具的研制與應用

李 讓，呂躍濱，楊晨濤，彭 彬，胡建均

（中原石油勘探局鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001） ①

·技術應用·

自鎖式深井密閉取心工具的研制與應用

李 讓，呂躍濱，楊晨濤，彭 彬，胡建均

（中原石油勘探局鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001）①

隨著井深的增加，鉆井密閉取心的難度也在增加。現有的密閉取心工具存在結構復雜、拆裝困難、易憋壓放炮、堵心磨心、密封效果差等問題。通過對工具結構的改進，在下活塞底部增加刮泥功能，上活塞增加泄壓功能，采用耐高溫、抗腐蝕的密封件，解決工具存在的問題。現場應用表明，該工具結構合理、使用安全可靠，密閉取心成功率、巖心收獲率、密閉率大幅度提高，施工質量合格率達到100%。

深井；密閉取心工具；上活塞；下活塞

鉆井取心所獲取的巖心是認識油氣田和地層物性參數的重要資料，是油田勘探與開發評價的主要依據［1］。對于同一口井的某一層位，鉆井取心是不可重復的，因此必須取好巖心，提高巖心收獲率。在油田開發中后期，通過密閉取心可了解剩余油氣的分布和油氣儲量動用情況，水洗水淹程度，殘余油的飽和度等［2］。隨著我國石油工業的發展，鉆井深度在不斷增加，深井、硬地層密閉取心技術已成為亟待解決的重大問題［3］。由于井段愈深，地層壓力就愈高，要求的鉆井液密度也愈大，取心工具的密閉性要求也愈嚴格；地層愈硬，鉆進速度愈低，鉆井液中自由水浸入巖心的機會和程度就愈大；井底溫度愈高，普通密封圈耐高溫、抗H2S腐蝕性能差，密封易失效。因此，原有的密閉取心工具已不能滿足深井密閉取心現場作業要求，必須對密閉取心工具進行改進與完善，才能滿足深井密閉取心的技術要求。

1 現有密閉取心工具存在的問題

1） 施工中易出現堵心、磨心現象 現有的密閉取心工具下活塞底部為平面，沒有刮泥作用。由于密閉取心工具內筒不能循環鉆井液，作業時受鉆井液排量不能過高和割心后不能長時間循環的制約，以及深井起下鉆時間較長，鉆井液密度較高等因素影響，易造成井底沉砂過多，泥餅相應增厚。開泵時，在反循環的作用下，沉砂和泥餅沖向井底中心，不能被徹底清除，樹心時井底殘留的沉砂和泥餅首先進入巖心內筒，在巖心上行過程中，沉砂和泥餅受密閉液阻力和離心力作用而脫落，進入巖心與內筒的間隙中，造成堵心和磨心，從而嚴重影響取心成功率和收獲率。

2） 存在安全風險 現有的密閉取心工具上活塞沒有泄壓功能，如果鉆遇破碎地層及高壓油氣層而堵心后，造成巖心筒內的流體壓力不能釋放，隨著起鉆過程中鉆井液液柱壓力不斷減小，氣體不斷膨脹，引起卸上活塞及卸鉆頭困難，嚴重時造成巖心放炮，影響取心資料的完整性和準確性，威脅著人身和設備的安全。

3） 工具結構復雜、操作繁瑣、勞動強度大 現有的密閉取心工具出心時，卸完鉆頭后還要將上接頭與外筒卸開，向上抽出，然后卸開內筒接頭，再將內筒人工頂至外筒底端直到露出內筒與縮頸套接頭，卸開縮頸套才能進行出心。操作異常繁瑣，勞動強度大，既費時又費力。

4） 密封性能差 深井井下溫度高、地層壓力大，鉆井液密度大，循環壓力高，原有的普通密封圈耐高溫、抗H2S腐蝕性能差，密封圈易失效，內筒螺紋連接處的密封也難以保證。

2 自鎖式深井密閉取心工具的研制

2.1 總體結構及工作原理

自鎖式深井密閉取心工具結構如圖1所示。在該取心工具接觸井底前 ，首先開泵循環，啟動轉盤低速旋轉，利用下活塞上的刮刀片將井底的沉砂及泥餅刮洗干凈，然后通過鉆具自重加壓將固定活塞的固定銷剪斷，下活塞上移，內筒里的密閉液被排出同體積量，排擠鉆井液，同時對鉆頭內部間隙進行有效包裹。取心鉆進時，隨著巖心的不斷形成并進入內筒，上頂下活塞，驅使內筒里的密閉液不斷沿巖心四周流出，在鉆頭周圍形成保護區，一部分在巖心表面形成保護膜，另一部分繼續流出，保持鉆頭周圍始終有密閉液而繼續鉆進。取心鉆進結束后，上提鉆具時鉆頭迫使巖心爪自動收縮抓緊巖心，進行割心。若出現堵心，內筒可能憋壓，取心工具起到井口后，卸松上活塞的針型閥進行泄壓，確定內筒無壓力后上提取心工具，卸松取心鉆頭，將工具用雙氣胡蘆抬到鉆桿支架上，卸掉上活塞和取心鉆頭即可出心。

圖1 自鎖式取心工具結構示意

2.2 下活塞結構

下活塞結構如圖2所示。刮泥板焊接在活塞帽下部正中央，活塞帽用螺紋連接在下活塞體上，活塞體用限位銷釘固定在取心鉆頭上。每次下取心工具離井底3～5m，首先開泵、旋轉轉盤、緩慢下放鉆具，對井底沉砂和泥餅充分刮洗，確保井底干凈后再樹心，它克服了現有技術中密閉取心工具下活塞底部為平面，沒有刮泥板，井底沉砂和泥餅不能被徹底清除，易造成堵心和磨心事故的缺點，從而提高了取心成功率和收獲率。通過多次現場使用，收到了良好的效果。

圖2 下活塞結構示意

2.3 上活塞結構

上活塞結構如圖3所示。絲堵上端中心部位開通孔與連桿用螺紋連接并焊接為一體，連桿內設計有泄壓通道，在泄壓通道的上端安裝有針型閥，封閉泄壓通道，在連桿頂部管壁上開有放噴口，在放噴口上焊接有放噴管接頭，放噴管接頭上安裝有壓帽。當取心工具起到井口時，卸掉放噴管接頭上的壓帽，連接放噴管，卸松針型閥，內筒壓力即可釋放，避免了因堵心引起內筒憋壓、造成巖心放炮，既影響巖心收獲率，又可能危及現場設備和人員安全。

2.4 取心鉆頭結構優化

取心鉆頭內腔設計為巖心爪座，實現了取心鉆頭和縮頸套的雙重功能，通過卸下鉆頭即可進行出心操作，避免了以前卸完鉆頭后還要將上接頭與外筒卸開，向上抽出，然后卸開內筒接頭，再將內筒人工頂至外筒底端直到露出內筒與縮頸套接頭，卸開縮頸套才能進行出心的頻繁拆卸，大幅降低了勞動強度，節約了鉆井時間，提高了鉆井時效，節約了鉆井成本。

2.5 密封設計

為了保證密閉液在下鉆、取心過程中被可靠密封在內筒中，防止鉆井液進入取心內筒污染巖心，保證巖心密閉率，同時考慮安裝方便，分別在分水接頭與內筒之間、內筒與鉆頭之間、下活塞與鉆頭之間采用耐高溫、抗H2S腐蝕的“O”型密封圈，保證結合面可靠密封。

3 現場應用

自鎖式深井密閉取心工具研制成功后，先后應用于普光氣田、延長油礦、玉門油礦、浙江油田等，經過普光2、普光8、普2011－3和延161等多口井的現場應用，密閉取心成功率、平均收獲率、平均密閉率大幅度提高，得到了甲方和現場人員的一致好評。

3.1 普光2井應用情況

3.1.1 技術難點及相應措施

普光2井位于四川省宣漢縣普光鎮，設計井深5 353m。該區塊井深、氣層壓力大且H2S濃度高，地層溫度高，巖性成柱性差極易破碎，容易頂壞巖心爪。根據該區塊地層特征，優選了鉆速較高的取心鉆頭，研制了抗高溫的密閉液，使用新研制的適應于深井作業的密閉取心工具。由于破碎地層容易頂壞巖心爪，改用強度較高頂部為瓦棱狀的新型巖心爪。克服了原有密閉取心工具井底沉砂和泥餅不能被徹底清除，易造成堵心和磨心事故的缺點，避免了因堵心引起內筒憋壓，造成巖心放炮，從而影響取心資料的完整性和準確性，威脅人身和設備安全等問題發生，取得了良好的效果。

3.1.2 密閉取心情況

普光2井共密閉取心38筒，井段為4 775.19～5 201.86m，累計進尺331.22m。其中，常規地層密閉取心176.58m，心長174.72m，收獲率98.95%（SY5593—93標準≥90%）；散碎地層密閉取心154.64m，心長133.79m，收獲率86.52%（SY5593—93標準≥50%）。累計純鉆148.75h，平均機械鉆速為2.23m／h，單筒最高進尺10.13m。全井密閉率化驗取樣165塊，密閉157塊，密閉率95.15%。該井共用密閉取心鉆頭12只，其中PDC鉆頭9只，聚晶金剛石鉆頭2只，三角聚晶鉆頭1只。2號PDC鉆頭共下井5次，單只鉆頭進尺47.77m，純鉆24.57h，創單只鉆頭下井次數、單只鉆頭進尺最好指標。該井密閉取心被中國企業聯合會、中國企業家協會授予中國企業新紀錄獎牌。普光2井密閉取心統計數據如表1。

表1 普光2井密閉取心數據統計

3.2 普光8井應用情況

3.2.1 技術難點及相應措施

普光8井位于四川省宣漢縣清溪鎮，設計井深5 670m，完鉆井深5 930m。

1） 井深、摩阻大、氣層壓力大且H2S濃度高。該井自井深5 505m開始取心，裸眼段長2 200多m，上提摩阻為120～180kN，下放摩阻為80～120 kN，給準確判斷井下情況造成一定困難。第4～5筒出筒巖心H2S濃度高達200×10－6，對現場人員的健康和生命安全構成嚴重威脅，為確保巖心及時出筒，必須配戴H2S防護裝置才能作業。

2） 泵壓高，容易刺壞取心工具及鉆柱。1、2號泵泵壓分別為12～18MPa和20～23MPa，加之下鉆多次分段循環，溢流長時間循環，易造成分水接頭被刺壞。采取適當降低排量、泵壓等措施，并對工具嚴格檢查和精心組裝，以減少鉆井液對取心工具的沖蝕。

3） 瞬時鉆速變化大，頻率快。鉆速在瞬時由10m／h突降為＜1m／h，井下情況難以判斷。鉆速變化是由于巖性變化，還是堵心，只能憑經驗及記錄儀上的參數變化來分析判斷，所以從取心工具接近井底到割心，都隨時觀察鉆井參數變化情況，準確判斷井下情況，確保快速安全取心鉆進。

4） 地層巖石破碎，易造成堵心和磨心。堵心不僅影響進尺和收獲率，更為嚴重的是堵心后造成巖心完全封閉，巖心內的氣體不能釋放，起鉆過程中液柱壓力不斷減小，氣體不斷膨脹，從而引起放炮現象。例如，第7筒為極破碎地層，堵心、蹩壓現象嚴重，在鉆臺上卸壓時噴出15L密閉液，在現場上、卸上活塞時仍有壓力，又噴出18L密閉液，出心困難。

3.2.2 密閉取心情況

該井取心井段為5 505.00～5 685.25m，共密閉取心19筒，累計進尺180.25m。其中常規地層密閉取心81.06m，心長79.46m，收獲率98.03%；散碎地層密閉取心99.19m，心長61.71m，收獲率62.21%。累計純鉆77.85h，平均機械鉆速為2.32 m／h，單筒最高進尺10.36m，單筒最多心長10.53 m。全井密閉率化驗取樣113塊，密閉108塊，密閉率95.60%。由于該新型工具采用的是耐高溫、防H2S的密封圈，下活塞增加了刮泥功能，井底沉砂和泥餅被徹底清除，上活塞增加了泄壓功能，避免了因堵心引起內筒憋壓現象。試驗證明，該工具適用于深井密閉取心現場作業要求。該井密閉取心創密閉取心井深、H2S地層高濃度、單筒取心長度、單筒巖心長度、平均單筒進尺和深井密閉取心平均機械鉆速等多項記錄。密閉取心統計數據如表2。

表2 普光8井密閉取心數據統計

4 結論

1） 研制的深井密閉取心工具原理可行、結構簡單、操作簡便、使用安全可靠、可廣泛適用于深井、超深井含氣密閉取心。

2） 密閉取心下活塞增加了刮泥功能，它克服了現有技術中密閉取心工具下活塞底部為平面，沒有刮泥板，井底沉砂和泥餅不能被徹底清除，易造成堵心和磨心事故的缺點，從而提高了取心成功率和收獲率。

3） 上活塞增加了泄壓功能。當取心工具起到井口時，卸掉放噴管接頭上的壓帽，連接放噴管，卸松針型閥，內筒壓力即可釋放，避免了因堵心引起內筒憋壓、造成巖心放炮，既影響巖心收獲率，又可能危及現場設備和人員安全的問題發生。

4） 通過普光2、普光8、普2011－3和延161等多口井的現場應用，密閉取心成功率、巖心收獲率、密閉率大幅度提高，施工質量合格率達到100%。

5） 該工具的成功研制與應用對深井油氣藏的評價和勘探開發具有很大的促進作用。

［1］ 李 讓.普光2井密閉取心技術［J］.鉆采工藝，2006，29（3）：28－30.

［2］ 李 讓.深井密閉取心技術在普光8井的應用［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：38－42.

［3］ 王智鋒，許俊良，薄萬順.深海天然水合物鉆探取心技術［J］.石油礦場機械，2009，38（9）：12－15.

Development and Application of Self－locking Sealed Coring Tool for Deepwell

LI Rang，LV Yao－bin，YANG Chen－tao，PENG Bin，HU Jian－jun
（Drilling Engineering Technology Research Institute，Zhongyuan Petroleum Exploration Burea，Puyang457001，China）

With the drilling depth increases，the difficulty of drilling coring is also increasing.The existing coring tools have problem in complex structure，disassembly difficulty，pressure－blasting，blocked core，and poor sealing effect.After development，underpiston added mud－shaving function，and resolved depressing accident by sand setting.Upperpiston added decompression function，and avoided coring data incomplete and personnel safety threaten accident by core blasting，using a high temperature，corrosion resistant seals.Tool structure is improved，and resolved complex dismounting，reduced the labor intensity，and saved the operating time.Through application on well，tool structure is reasonable，application is safe and reliable，sealed coring success rate，core cropping efficiency，and seal rate is greatly advanced，acceptable quality rate achieved 100%.

deep well；sealed coring tool；upperpiston；underpiston

1001－3482（2012）04－0057－04

TE921.303

A

2011－10－27

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目“提高超深井鉆井速度及安全鉆井技術研究”（2006AA06A109－7）

李 讓（1961－），男，陜西洛南人，工程師，1982年畢業于長慶石油學校鉆井專業，從事鉆井工藝技術研究和現場密閉取心技術服務工作，E－mail：yangct＠126.com。