GW系列全適應地層取心工具研制與應用

張國麗

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GW系列全適應地層取心工具研制與應用

張國麗

（中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術研究院， 遼寧 盤錦 124010）

遼河油田小洼區塊油藏埋深1 000~2 000 m，松散地層與堅硬地層相互交替，采用常規松散地層取心工具發生憋泵、巖心爪無法收縮的頻率較高，嚴重影響取心效率和井下安全。為進一步提升取心工具對地層的適應能力，研制了GW系列全適應地層取心工具，并在松軟地層、破碎地層等各種地層取心中得到成功應用，對于提高復雜地層巖心收獲率起到了重要作用。

全適應；取心工具；巖心收獲率；松散地層；破碎地層

遼河油田小洼地區主要以稠油為主，地層埋深1 000~2 000 m，油層松軟有堅硬夾層。采用常規松散地層保形取心工具在鉆遇交互地層發生憋泵頻率高，導致割心時間長，取心工具長時間處于井底無法循環，增加了井下工程事故發生風險；同時巖心爪收縮不好，掉心嚴重巖心收獲率低，而采用硬地層取心工具在鉆遇松軟地層時又無法承托巖心，嚴重影響該區對地層的認識。全適應取心工具采用雙巖心爪復合割心機構、一體式加壓泄壓技術，不僅滿足淺層常規松散的需求，也適合深井破碎地層的需求，實現了同一系列取心工具、同一取心工藝適應不同地層的取心的要求。

1 GW系列全適應取心工具

1.1 取心工具結構

GW系列取心工具主要由加壓總成、懸掛分流總成、扶正器、外筒、內筒、雙巖心爪復合割心總成、取心鉆頭等組成。取心工具結構圖如圖1所示。

圖1 取心工具結構圖

1- 加壓總成; 2-扶正器; 3-懸掛分流總成; 4-內筒; 5-外筒; 6-割心總成; 7-取心鉆頭

1.2 工具原理

GW系列取心工具結合了松散地層取心工具和硬地層取心工具的優點。取心工具采用液壓全封閉割心和自鎖式卡箍巖心爪割心相結合的方式。該工具的工作原理是：對于軟地層取心，鉆進結束后，在取心工具不離開井底的情況下投入加壓鋼球憋壓。在高壓作用下，整個內筒下移，割心總成的全封巖心爪收縮切斷巖心，卡箍巖心爪起輔助作用；對于硬地層、破碎地層取心，復合割心巖心爪的全封巖心爪不能收縮切斷巖心，導致內筒無法下移而憋泵，加壓泄壓總成會在高壓下將高壓安全銷釘剪斷而自動泄壓，通過上提取心工具啟動割心總成的自鎖式卡箍巖心爪直接拔斷巖心。取心工具在較低的工作壓力下實現加壓功能，在高壓實現自動泄壓功能，其壓力值的大小通過泄壓與加壓的壓力梯度進行控制，不需要額外單獨使用泄壓接頭。在硬地層、軟地層、破碎地層中取心中均可采用同一套取心工具和相同的工藝，實現了工具的全適應。

1.3 取心工具主要參數

該類型取心工具根據井眼規格的不同，現已形成三個規格型號的取心工具，主要適應地層是81/2＂井眼松軟地層和破碎地層、6＂井眼破碎地層。取心工具主要參數如表1所示。

表1 GW系列主要取心工具參數

2 關鍵技術

2.1 加壓泄壓自動一體化設計

全適應取心工具結合了松散加壓取心工具和硬地層取心工具的特點，軟地層和硬地層、破碎地層均采用加壓式割心和自鎖式割心相互結合的復合割心模式，為防止因地層硬度不同或者內筒發卡時造成的憋泵難題，設計了加壓泄壓一體化總成。該總成的外體即為取心工具的安全接頭，活塞采用兩級活塞原理，一級活塞和二級活塞的受力面大小不同，從而形成不同的剪切壓力梯度，在全封巖心爪工作壓力內一級活塞實現加壓功能，當高于額定工作壓力時，為防止高壓憋泵的事故，第二級活塞在設計的安全預設壓力下自動泄壓。一體化設計總成簡化了取心工具結構，提升了取心工具的可靠性，降了的配件成本。

2.2 雙巖心爪復合割心總成

GW系列取心工具的復合割心總成采用了全封閉巖心爪與卡箍巖心爪相結合的方式，軟地層以全封閉巖心爪為主，硬地層以卡箍巖心爪為主，二者互為補充，起到雙重割心與承托巖心的作用，復合割心總成結構示意圖如圖2所示。

圖2 雙巖心爪復合割心總成

2.3 鋁合金割縫式取心內筒

割縫式取心內筒與現有的割縫篩管類似，取心內筒采用鋁合金材質，每段割縫長度為1 m，縫隙為0.2 mm，且每段割縫之間與下一段割縫之間成180 關系，軟地層和硬地層均采用巖心和內筒一起切割的方式，切割長度為1 m,切割后的取心內筒直接成為兩半，達到半合管的效果。交叉式割縫取心內筒比普通半合管內筒相比，主要優點有：強度高；變形小；加工難度小。割縫式取心內筒示意圖如圖3所示。

圖3 交叉式割縫取心內筒

2.4 斜向/徑向低沖蝕取心鉆頭

鉆井液流動時會沖蝕巖心，造成取心技術指標低和巖心污染嚴重的問題，根據地層硬度與膠結程度的不同設計了不同類型的低沖蝕取心鉆頭：軟地層低沖蝕取心鉆頭采用圓弧形冠部，如圖4所示，內部設計獨立“U”-環形水槽，設計斜向水眼，水眼頂部采用徑向設計，鉆井液徑向沖向井壁而非井底，保證松軟巖心不被鉆井液沖蝕。硬地層取心鉆頭采用錐形冠部，斜向5度的水眼，減少鉆井液沖蝕；根據外徑越大，切屑齒受到到縱向力越小、側向力越大、且線速度越大的特點，提升了錐形弧面上的布齒密度，降低單個齒的縱向和側向力，提升了取心鉆頭的使用壽命和機械速度。

圖4 軟地層低沖蝕取心鉆頭

2.5 割心工藝

GW系列取心工具具有高壓下的自動泄壓功能，因此對于軟、硬地層均可采用相同的割心工藝，即：停鉆—投球加壓—上提取心工具—起鉆出心。該工具也可在對地層認識比較清楚的情況下采取針對性強的特殊的割心工藝：軟地層取心，當鉆完取心進尺后，工具不提離井底，投入加壓鋼球，推動全封閉巖心爪彎曲切斷并承托巖心，割心完成后起鉆出心；對于膠結良好成柱性好的地層，取心完成后，直接上提取心工具，依托卡箍巖心爪割心；對于硬地層破碎巖心，根據井深先上提鉆具0.5~1.0 m，保證取心鉆頭剛好提離井底，依托卡箍巖心爪割斷巖心，然后投入加壓鋼球，推動全封閉巖心爪彎曲并承托巖心從而保證巖心收獲率。

3 現場應用

GW系列全適應取心工具在松軟地層中應用1口井，在硬地層中應用1口。W83-H109井分別為遼河油區某區塊淺層油藏，油層埋深1 200~1 600 m，地層松軟，成柱性差，以粗砂巖為為主，采用巖心直徑115的取心工具。該井取心5筒，進尺18.50 m，心長17.08 m，收獲率92.32%。X42-7-9井為遼河某區塊硬地層取心井，設計井深2 200 m，取心井段1 969.52~1 973.92 m，進尺4.40 m，平均收獲率86.36%，該次割心第一次加壓時在12 MPa時司鉆停泵，泵壓沒有回落，第二次開泵在16 MPa 時，泵壓回落到正常7 MPa, 其原因為地層巖心成形，液力加壓無法推動全封閉巖心爪變形，同時安全銷釘壓力設計15 MPa，導致第一次開泵無法泄壓，第二次開泵到達安全泄壓設計值，自動泄壓，也說明了取心工具設計的合理性。。現場數據統計表如表2所示。

從表2可以看出。該類型的取心工具試驗室成功的，原理是可行的。割心泵壓與泄壓泵壓之間的差即為安全壓力，安全壓力太小，容易導致泄壓提前發生而無法實現加壓割心，安全壓力太大，容易造成異常高壓，安全壓力的大小可以通過安全剪切銷釘的大小來進行優化，并且可根據地層特性和井深有針對性地進行調節，淺井可適當增大壓力梯度，深井可適當縮小壓力梯度值。

表2 取心數據統計表

4 結 論

（1） 全適應取心工具結構設計新穎，使用可靠。

（2）GW系列全適應取心工具使用相同的取心工藝和取心工具可以同時滿足軟地層、硬地層、破碎地層等各類地層的取心要求，提升了工具使用效率、節約成本，具有廣泛的推廣應用前景。

（3）加壓投球割心需停泵并卸開地面高壓管匯，浪費部分時間，因此取心工具配合液壓投球接頭使用，在不停泵的情況下直接通過排量控制投球，可以有效提升壓力加壓割心的工作效率，對于深井和超深井，投球接頭的使用也可以降低井下工具風險。

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Development and Application of GW Series fully Adaptive Coring Tool

（CNPC GWDC Engineering Research Institute , Liaoning Panjin 124010, China）

Buried depth of Xiaowa block reservoir in Liaohe oilfield is 1000~2000 m, there is both loose formation and hard formation in the block, some problems in using conventional unconsolidated formation coring tool frequently appear, such as pump suffocation and core catcher unshrinking and so on, which seriously affects the efficiency and safety of coring. In order to further enhance the stratum adaptability of coring tool, GW series fully adaptive formation coring tool has been developed, and it has been successfully applied in coring work of soft formation and broken formation, it can play an important role in improving the core recovery of complex formation.

full adaptation; coring tool; core recovery; loose formation; broken formation

2017-02-27

張國麗（1983-），女，工程師，碩士，河南靈寶人，2005年畢業于長江大學電子信息工程學院，研究方向：現從事取心科研與服務工作。

TE 357

A

1004-0935（2017）05-0516-03