GWY194-70BB型保溫保壓取心工具的研制和應用

楊立文孫文濤羅 軍，2王光玥王俊明

（1.中國石油長城鉆探工程技術研究院，遼寧盤錦 124010；2.東北石油大學，黑龍江大慶 163318）

GWY194-70BB型保溫保壓取心工具的研制和應用

楊立文1孫文濤1羅 軍1，2王光玥1王俊明1

（1.中國石油長城鉆探工程技術研究院，遼寧盤錦 124010；2.東北石油大學，黑龍江大慶 163318）

GW194-70BB型保溫保壓取心工具是為尋找和提升天然氣水合物實物樣品鉆取率而研制的特殊取心工具。該工具通過內筒獨立密封機構、復合真空隔熱保溫內筒、氮氣壓力補償系統、電子多點隨鉆測量總成實現了巖心樣品的溫度保持、壓力保持和海量的數據測量，解決了常規工具無法保持巖心壓力和溫度造成的天然氣水合物實物揮發、測量數據不全等難題。在常規井實驗中取得了保壓成功率93%、保溫率80%、溫度變化率2~2.5 ℃/h的良好效果，現場試驗表明，該工具在溫度保持、壓力保持方面可以完全滿足天然氣水合物樣品的鉆探與取樣要求，對獲取天然氣水合物樣品、提升天然氣水合物勘探開發效果具有重要意義。

取心工具；保壓；保溫；天然氣水合物

保溫保壓取心技術是能使取出的巖心始終保持在地層原始壓力和溫度狀態的取心技術［1］。天然氣水合物是在低溫條件下由水和天然氣（主要是甲烷氣） 結合形成的一種外觀似冰的白色結晶固體，在超過20℃、小于3 MPa下便會分解，直接從固態轉變為氣態，溫度越高，壓力越低，分解速度越快。常規取心工具無溫度和壓力保護裝置，從而難以獲取其真實樣品。國外針對天然氣水合物取心的工具主要型號有：國際深海鉆探計劃（DSDP）采用的保壓取樣筒PCB、國際大洋鉆探計劃（ODP）采用的保壓取心器PCS［2-3］、活塞取樣器APC、日本研制的PTCS，這4類取心工具都能實現保壓功能，但只有PTCS具有保溫功能，其中ODP-PCS的保壓能力最高，為70 MPa，PCS、PCB、PTCS均采用繩索提取放松，只有APC型號的取心工具曾有獲得天然氣水合物的實物樣品的報道。國內對天然氣水合物取心工具的研究起步較晚，較為專業和成熟的取心工具目前還沒有相關報道，隨著國內對天然氣水合物新能源開發的快速發展，研究專門的天然氣水合物保溫保壓取心工具對國內尋找和提升對天然氣水合物的勘探將具有重大的經濟意義和戰略意義。

1 GWY194-70BB型取心工具

GWY194-70BB型保溫保壓取心工具主要由差動總成、氮氣補償總成、TPMS測量總成、真空內筒、外筒、球閥總成、取心鉆頭等組成，如圖1所示 。

圖1 GWY194-70BB型保溫保壓取心工具

GWY194-70BB型保溫保壓主要技術特點：采用六方差動結構，安全性好，可靠性高；采用內筒獨立密封方式，直接拔出取心內筒進行地面巖心冷凍與處理；TPMS測量總成采用電子多點隨鉆測量技術，溫度壓力測量數據多，壓力溫度變化趨勢圖形化；采用真空隔熱多層復合可切割保溫管，便于巖心切割與冷凍。

取心工具主要參數：工具長度8.00 m，巖心直徑70 mm，鉆頭尺寸215.9 mm，額定保壓20 MPa，保溫管溫度變化率δ≤ 2℃/h，井眼尺寸215.9~ 311.15 mm，適應軟—中硬地層。

1.1 內筒獨立密封機構

保溫保壓取心工具設計的第一個難點是保壓。受取心井眼尺寸限制，密封系統面臨可靠性、強度與尺寸之間的矛盾，強度高、性能可靠易導致密封結構復雜，巖心直徑小；增大巖心直徑易降低密封系統各個部分的連接強度和影響密封機構的實現，繩索提取式保壓取樣器PCS采用獨立密封，但巖心直徑小，直徑只有42 mm，且取心進尺短；保壓取樣筒PCB巖心直徑57.8 mm，但是壓力和溫度測量困難，密封系統維護需2~5 h，時效低［2-3］；國內仿制的保壓取心工具其密封空間是整個取心外筒空間［4-6］，冷凍前需在高壓情況下對內外筒之間鉆井液進行置換。因此，新設計的密封機構需具有巖心直徑大、結構簡便、易操作、效率高等特點。

GWY194-70BB型保溫保壓型取心工具采用內筒獨立密封結構，采用鉆具起下方式，該密封系統由氮氣補償總成、TPMS電子多點測量總成、真空內筒、球閥密封總成等組成，結構如圖2所示。工作原理：工具下井和鉆進過程中，球閥總成處于開啟狀態，測量系統隨鉆測量下鉆和鉆進過程中的溫度和壓力數據，取心完畢起鉆割心時，通過液力加壓使內外筒產生差動，關閉球閥，整個內筒、測量總成、氮氣補償總成成為獨立的封閉密封系統。該系統特點：結構簡單，密封空間僅限于內筒；易操作，電子隨鉆測量與內筒獨立冷凍；巖心直徑為70 mm，單次可取巖心5 m，取心效率高。

圖2 內筒獨立密封機構示意圖

1.2 真空復合保溫技術

保溫技術有主動保溫和被動保溫［7］。GWY194-70BB型保溫保壓取心工具采用被動保溫技術，運用可拆卸雙層鋁合金管加不銹鋼內膽真空隔熱的方式，解決了普通鋼質真空隔熱管質量大、冷凍困難、切割困難、成本高等諸多不足。保溫管結構如圖3所示，內管和外管均為鋁合金材質；真空隔熱管為不銹鋼管；真空隔熱管的兩端安裝有密封件，提高內外管之間的密封性，減少和降低熱對流的形成；保溫管的上接頭連接內筒上部的下球閥，在地面關閉下球閥時，可卸掉保溫管的鎖緊接頭，將真空隔熱管和外管取出，方便盛有巖心的內管冷凍與切割。該復合保溫管的特點有：質量輕，易于搬運；真空隔熱，效果好，其保溫性能達到A級隔熱效率；鋁合金內筒，易切割；可拆卸結構，易于巖心的冷凍；真空隔熱管和外管可重復使用，節約成本。

圖3 保溫內筒結構示意圖

1.3 壓力補償

壓力補償是當內筒壓力降低時，由安裝在內筒頂端的高壓氣源向內筒中沖入氣源以平衡內筒中的壓力。壓力補償總成的工作原理是：壓力補償容器內沖入相當于井底鉆井液壓力2~2.5倍的高壓氮氣，取心下鉆和鉆進時，壓力補償器處于關閉狀態，鉆進完成后，內筒下端的球閥總成關閉，壓力補償器開關打開，當內筒壓力緩慢降低時，壓力開關開啟氣源通道，高壓氣源流入內筒中補償漏失壓力，當內筒壓力高于井底鉆井液壓力時，壓力開關關閉氣源通道，停止補償。GWY194-70BB型保溫保壓取心工具壓力補償總成主要參數：容積1 500 cm3、額定承壓100 MPa、開關啟動壓差0.2 MPa。該壓力補償器具有容積大、壓力開關敏感度高、壓力大等特點。

1.4 TPMS電子多點隨鉆測量

電子多點隨鉆測量技術實現了溫度壓力的連續測量與記錄，海量測量數據能反映巖心溫度壓力變化的細小趨勢，通過細小的趨勢變化可更加詳細地了解天然氣水合物在起鉆過程中的揮發分解過程。該取心工具測量總成主要由上球閥、儀器倉、下球閥、電子多點測量儀、數據處理終端組成，測量總成結構如圖4所示。

圖4 測量總成結構示意圖

上球閥連接壓力補償器并提供高壓泄壓口，儀器倉用于保護電子多點儀，降低電子多點儀在軸向和徑向的振動，下球閥用于連通取心內筒和儀器倉。工具在井內時，上球閥、下球閥處于開啟狀態，電子多點測量儀在預設好的時間段啟動并連續測量取心內筒中的溫度和壓力；取心結束時，在地面關閉下球閥，開啟上球閥上的高壓泄壓孔，泄出儀器倉內的高壓，即可將電子多點測量儀器取出讀數，下球閥隨內筒進行保壓冷凍。

該測量總成采用電子多點測量儀，其耐高溫鋰電池可持續工作15 天；儀器測量間隔為3~120 s，測量數據點多；溫度誤差±0.1 ℃，壓力誤差±0.01 MPa；測量數據存儲在儀器內，通過地面數據處理終端讀出后可直接顯示為表格和連續模擬曲線，數據處理界面如圖5所示。

2 現場應用

圖5 數據處理界面

GWY194-70BB型工具在S油田常規井中進行保壓及保溫取心施工，對工具可靠性及其取心工藝等進行了檢驗。該試驗井為注水井，主要目的是完善注采井網，補充區域能量，挖掘剩余油潛力，提高區域內油井的產液量。全井設計取心115 m，取心井段495~641 m。目的油層已進入開采的中后期，采出程度50.24%，采油速度0.67%，綜合含水61.3%，累計注采比1.94，巖性以砂巖為主。取心難點：取心層位埋藏淺、水洗嚴重、地層疏松成柱性差、巖心進筒困難。該井累計取心32筒，進尺115 m，心長87.49 m，巖心收獲率76.09%，平均保壓率80.45%，保壓成功筒數占總筒數的93%。

鉆頭轉速越高，鉆頭切削能力越強，巖心進筒速度越快，巖心收獲率越高。該井第1、2取心井段地層主要為砂泥巖互層，地層水洗嚴重，無膠結，采用轉速為80~90 r/min，鉆進鉆速1 m/h，取心收獲率反而偏低，分析原因是地層水化嚴重，巖心強度太低，工具轉動過快造成內筒對細小巖心的扭轉破壞。后期轉速30~40 r/min，工具扭轉振動減少，提升了巖心柱的強度，保持了巖心柱的連續性，巖心進筒能力提升，巖心收獲率上升。

GWY194-70BB型取心工具采用卡箍巖心爪割心為主、球閥割心為輔的方式。不同的施工工藝可能直接影響巖心收獲率：硬地層巖心成柱摩擦力大，上提過程中巖心不易脫落，應優選卡箍巖心爪割心，即先上提取心工具割斷巖心，再從井口投球加壓割斷工具上端的定位銷，使外筒相對內筒下移并密封內筒；軟地層巖心松軟摩擦力小，如采用卡箍巖心爪割心，巖心易滑落，因此需先投球割斷工具上端的定位銷，然后上提取心工具，內筒相對外筒上移，因球閥到鉆頭的距離較短，球閥關閉時也會將滑落的巖心切斷并密封。取心施工前7筒采用先上提后加壓的方式，取心收獲率和保壓率偏低，后續施工均采用先投球后起鉆的方式，保壓率和取心收獲率得到提升。

從表1中可以看出，降低轉速，優化割心方式后，巖心收獲率和保壓率出現顯著的提高，全井平均收獲率76.09%，平均保壓率80.45%，保壓成功筒數占總筒數的93%。從圖6可以看出，除第2筒和第5筒，保壓率均在80%以上，保壓效果良好，保壓失敗主要是球閥關閉銷釘斷裂，采用先上提后投球的方式，在剪斷工具定位銷后，外筒相對內筒下移的慣性大，導致球閥關閉銷釘斷裂，保壓失敗，而先投球后上提的方式，內筒運移緩慢，球閥可靠；溫度變化在4~5 ℃，考慮施工井深500~600 m，平均起鉆時間約3 h，溫度下降速度2 ℃/h，后期由于施工地面環境溫度降為零下，導致鉆井液罐的鉆井液溫度下降明顯，井底測試溫度也出現相應下降，地面內筒的測試溫度比較穩定，說明保溫效果良好，對于低溫地層，熱對流和熱輻射將進一步降低，該型號工具的保溫內筒完全能滿足天然氣水合物低溫地層取心的保溫要求。

表1 GWY194-70BB型取心工具取心數據統計

圖6 取心過程中溫度壓力測試曲線（井底壓力、溫度為井底鉆井液溫度和壓力)

3 結論與認識

（1）GW194-70BB型保溫保壓取心工具結構設計合理，性能可靠，常規井保溫保壓取心試驗為該工具在天然氣水合物取心領域的推廣應用提供了豐富的經驗。

（2）保溫保壓取心屬于高壓作業，必須嚴格按照操作規程進行，地面出心、現場冷凍等環節需多人重復檢查，鉆進過程中注意參數變化，及時分析、判斷、處理井下情況，確保巖心收獲率。

［1］劉寶和.中國石油勘探開發百科全書.工程卷［M］.北京：石油工業出版社，2008：21-22.

［2］許紅，吳河勇，徐祿俊，等.區別于DSDP—ODP的深海保壓保溫天然氣水合物鉆探取心技術［J］.海洋地質動態，2003，19（6）：24-27.

［3］DICKENS Gerald R，PAULL Charles K，WALLACE Paul.Direct measurement of in situ methane quantities in a large gas-hydrate reservoir［ J］.Nature,1997（385）:426-428.

［4］張洪君， 劉春來，王曉舟，等.深層保壓密閉取心技術在徐深12井的應用 ［J］.石油鉆采工藝，2007，29（4）：110-114.

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［6］胡海良，唐海雄，羅俊豐，等.深水天然氣水合物鉆井取心技術［J］.石油鉆采工藝，2009，31（1）：27-30.

［7］唐燕青.保溫管道預制成形工藝技術的發展與應用［J］.石油工程建設，2004（6）： 10-12.

（修改稿收到日期 2014-08-11）

〔編輯 景 暖〕

Study and application of GWY194-70BB heat and pressure preservation coring tool

YANG Liwen1,SUN Wentao1,LUO Jun1,2,WANG Guangyue1,WANG Junming1
（1.Engineering Technology Research Institute,Great Wall Drilling Company of CNPC,Panjin124010,China;2.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China）

The GW194-70BB heat and pressure preservation coring tool is developed specifically for exploring gas hydrate and improving the recovery rate of gas hydrate samples.This tool has realized insulation and pressure keeping of core samples,surveying of massive amount of data,and solved problems such as volatilization of gas hydrate sample due to being unable to preserve core pressure and temperature by conventional tools and incomplete survey data.The tool achieved satisfactory performance in the test of conventional wells:93% pressure keeping rate,80% insulation rate,and 2-2.5 ℃ temperature variation rate per hour.Field tests show that this tool can meet the requirement of drilling and sampling of gas hydrate in terms of insulation and pressure keeping and is of great significance to recovering the gas hydrate samples and improving the effect of gas hydrate exploration and development.

coring tool;pressure keeping;insulation;gas hydrate

楊立文，孫文濤，羅軍，等.GWY194-70BB型保溫保壓取心工具的研制和應用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：58-61.

TE921.3

：B

1000–7393（2014） 05–0058–04

10.13639/j.odpt.2014.05.014

國家專利： 專利名稱“一種保溫保壓復合式可切割取心內筒（專利號：ZL201320732914.8）”；專利名稱“ 一種保溫保壓取心工具（專利號：ZL201120358385.0）”。

楊立文，1965年生。1985年畢業于重慶石油學校鉆井專業。現主要從事鉆井技術管理與研究工作，長城鉆探工程技術研究院副院長。電話：0427-7828979。E-mail：yllwww@163.com。