雙巖心爪取心工具的研究與應用

向峰

大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院

雙巖心爪取心工具的研究與應用

向峰

大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院

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

復雜地層一般是指裂縫發育，軟硬互層，膠結性、穩定性及強度較差的地層，在對該地層進行取心施工時，一直存在擼心、掉心、巖心收獲率低等問題。依據復雜地層的特點，研制了雙巖心爪取心工具，該工具結合了自鎖式取心工具與加壓式取心工具的優點，在軟地層割心時，可以通過加壓式巖心爪將巖心割斷并封堵內筒，防止擼心、掉心；在硬地層割心時，啟動自鎖式巖心爪，楔入巖心，將巖心割斷。現已在大慶地區進行了兩口井的現場應用，應用表明，該工具有良好的地層適應性，工藝操作簡單，成本低，能夠有效提高復雜地層取心收獲率指標，保證化驗分析的準確度，為油田的高效開發提供可靠的地質依據。

復雜地層；取心；收獲率；雙巖心爪

隨著油田漸漸進入開發后期，對儲層準確的評價顯得尤為重要，而復雜地層取心［1］是一直困擾油氣勘探開發儲層評價的難題。目前勝利、遼河、大慶等國內主要油田的現役取心工具均不能滿足復雜地層鉆井取心的要求，經過技術攻關及現場試驗，研制了雙巖心爪取心工具，在葡90-462井、喇8-檢PS1707井進行了成功應用，應用效果良好，為油田復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結構

Structure

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

圖1　雙巖心爪取心工具結構圖Fig.1 Structure of coring tool with double core catchers

1.1.1懸掛液壓集成系統 雙巖心爪取心工具的設計難點：加壓力的來源。目前常用的加壓結構主要有機械加壓和液力加壓兩大類型。其中機械加壓機構一般采用的是六方桿等組件，零部件沉重，裝配不便，同時受井斜影響，存在卡球現象［2］。液力加壓結構通常采用的是銷釘懸掛，存在循環時激動壓力過大而導致銷釘提前斷開風險。而新設計的加壓機構井深、井斜適應性強，且懸掛結構裝配簡單，掛得住、拖得開。

雙巖心爪取心工具采用懸掛液壓集成系統，該系統由加壓接頭、大接頭、球座、懸掛球、泄壓機構液壓球等組成，見圖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計，當液壓球落至球座時，上部形成封閉空間，在液力作用下釋放機構脫開，球座下行，懸掛鋼球解鎖，此時工具依然處于密封狀態，隨泵壓持續升高，內筒組件受到向下的壓力，從而實現工具的加壓。當加壓力達到泄壓機構預設壓力時，循環通道被打開，防止起鉆噴鉆井液。該系統特點：釋放機構在投球前幾乎不受力，因此可以避免工具內筒提前釋放，影響取心工序；泄壓機構采用預設銷釘分級控制，泄壓力控制精準；液力加壓—泄壓效果不受井深井斜影響，適用范圍廣，全過程安全可靠。

圖2　懸掛液壓集成系統結構圖Fig.2 Structure of the integral suspension and hydraulic system

1.1.2雙巖心爪割心系統 常規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。實踐發現，在復雜地層采用這兩種割心方式應用效果均不太理想。因此必須研制一種新型割心方式，以解決該問題，提高復雜地層的巖心收獲率，實現軟—中—硬地層取心的全覆蓋。

雙巖心爪割心系統由卡箍座、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，鉆頭設計內錐面，割心時，通過加壓機構使加壓式巖心爪沿鉆頭內錐面變形，切入巖心，實現加壓割心［3-4］；若加壓式巖心爪不能將巖心割斷，說明巖心較硬，上提鉆具，啟動自鎖式巖心爪，將其割斷。該割心系統具有結構簡單、地層適應性強，取心效率高的特點。

1.1.3內筒保形襯管 復雜地層軟硬互層，膠結性、穩定性及強度較差，在該地層取心時，取全取準保持原始沉積狀態的、不受或極少受鉆井液傷害的巖心至關重要。保形取心技術則是為了更好地提高巖心收獲率、保證巖心完整性而研發的一種特殊取心技術。國內保形取心技術主要以四川、勝利和遼河為代表， 采用PC、PVC和玻璃鋼、鋁合金內筒代替常規鋼內筒的方式保護巖心［5］。

雙巖心爪取心工具設有加壓機構，內筒需要具有較強的加壓承載力，而單獨使用上述保形內筒，取心過程中內筒容易發生彎、折等變形，對取心工藝產生嚴重影響。因此設計采用“鋼內筒+保形襯管”組合取代常規鋼內筒，該組合具有良好的抗拉、抗壓性能，內壁光滑，不易堵心，有利于保護巖心。

從襯管的切割難易程度、強度、抗溫性能、抗老化能力、價格等因素綜合考慮，雙巖心爪取心工具選用玻璃鋼保形襯管最佳，其性能參數見表1。

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

1.2工作原理

Working principles

取心工具由內外雙筒組成，外筒的作用是為取心鉆頭切削破巖傳遞鉆壓和扭矩，內筒采用球懸掛方式，外筒和內筒之間的環空間隙構成取心鉆進時鉆井液循環通道。取心前需循環鉆井液清洗井底和內筒，鉆井液通過內外筒之間的環空，最后流經取心鉆頭再由井眼環空返出井筒，將井底的沉砂清洗干凈。開始取心時，從井口向鉆具內投入一鋼球，當鋼球坐落到球座時，內筒上部的通道即被封堵，此時內外筒的環空是鉆井液唯一循環通道。當取心工具的外筒帶動取心鉆頭旋轉鉆進時，經取心鉆頭切削成柱狀的巖心克服巖心爪的摩擦力進入內筒。取心鉆進結束后通過地面管線再投一大球，通過液力加壓系統，使內筒組件整體下移，加壓式巖心爪受力收攏，發生永久變形，割斷巖心并封堵內筒。如果巖心較硬加壓式巖心爪不能割斷巖心，則上提鉆具，啟動卡箍巖心爪，割斷巖心。

1.3技術特點

Technical features

（1）采用懸掛液壓集成系統，結構緊湊，易裝配，安全性好，可靠性高。

（2）采用雙巖心爪割心系統，實現了自鎖式與加壓式巖心爪的有效結合，克服了復雜地層取心的技術難點。

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

1.4技術參數

Technical parameters

工具長度10.3 m；巖心直徑100 mm；鉆頭尺寸215.9 mm；適應軟-中-硬等復雜地層。

2　工藝流程Process flow

由于雙巖心爪取心工具結構的特殊性，主要工藝流程與現役工具有很多不同點。

2.1下鉆前準備工作

Pre-drill preparations

（1）通徑：開鉆前對鉆鋌、螺旋扶正器、變徑接頭等進行通徑。

（2）安裝專用投球接頭：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，控制下放速度，嚴禁猛剎、猛放、猛頓，下鉆遇阻劃眼鉆壓應小于10 kN，盡量避免大段劃眼。

（2）準確計算方入，下鉆至距井底0.5 m時開泵循環，鉆頭不得接觸井底，預防井底沉砂進入內筒。

2.3取心鉆進

Coring and drilling

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

（2）鉆進初期應注意樹心，輕壓10～20 kN鉆進30 cm，再逐漸加壓40～50 kN正常鉆進，送鉆要均勻，注意泵壓、機械鉆速變化及轉盤負荷情況［6-7］。

2.4割心

Core cutting

加壓割心時需停轉盤、停泵，打開回水閘門，關閉上旋塞，地面投液壓球，開泵送球落座，排量10～15 L/s，同時記錄泵速和立管壓力，鋼球落座后，緩慢升壓（約6 MPa），釋放機構脫開，內筒組件整體下行，當達到預設泄壓力時（約16～22 MPa），泄壓通道打開。加壓割心失效，則需啟動自鎖式巖心爪，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動轉盤等方法進行割心。

3　應用實例Applications

應用雙巖心爪取心工具在油田進行了兩口井的取心現場試驗，對工具的可靠性及其相關工藝參數進行了檢驗。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：取心層位埋藏淺，主要是粉砂質泥巖與砂巖互層，泥質膠結疏松，成巖性較差，巖心進筒困難；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，軟硬交錯互層，第1-2筒采用常規自鎖式取心工具，取心效果較差，第1筒掉心，第2筒撈心，撈心時，發生磨心導致巖心損失，兩次割心現象均不明顯，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，累計進尺29.50 m，累計收獲率97.62%。對比發現，在巖性相對疏松、復雜的油層取心時，雙巖心爪取心工具有較明顯的優越性，主要是因為該工具具有雙割心結構，可采用加壓式巖心爪強力切入疏松巖心柱，將巖心抱死并收攏，封堵內筒，防止掉心，同時當巖性變硬時，又可直接啟動自鎖式巖心爪將巖心割斷；在喇8-檢PS1707井，高臺子油層，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。

4　結論與認識Conclusions and discussions

（1）設計的雙巖心爪取心工具結構合理，拓寬了工具的地層適應性，尤其適合于軟硬交錯等復雜地層取心，能有效提高取心收獲率指標；取心工藝參數切實可行，能滿足現場技術要求。

（2）懸掛液壓集成系統實現了工具掛得住，脫得開，將鉆井液的流體能量轉化為工具的加壓動力，裝配簡單，不受井深、井斜影響，應用范圍廣。

表2　取心現場記錄Table 2 On-site records for coring operations

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［7］ 楊立文，孫文濤，羅軍，王光玥，王俊明. 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. YANG Liwen， SUN Wentao， LUO Jun， WANG Guangyue，WANG Junming. Study and application of GWY194-70BB heat and pressure preservation coring tool［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2014， 36（5）: 58-61.

（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年畢業于昆明理工大學材料學專業，現從事油田取心科研與技術服務工作，工程師。通訊地址：（163413）黑龍江省大慶市八百晌鉆井工程技術研究院取心分公司。電話：0459-4893167。E-mail: xiangfengkg@163.com