鉆井取心用液動投球裝置研制及應用

劉 彬， 陳文才， 付小平， 殷 鴿

(1四川川慶石油鉆采科技有限公司 2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程分公司)

常規鉆井取心工藝流程是：下鉆→循環→投球→鉆進→割心→起鉆→出心→下鉆，循環是為了清洗內筒，防止內筒沉沙、阻礙進心，投球是為了封堵內筒，避免鉆井液沖蝕巖心[1]，具體操作是：內筒清洗完成后，停泵，卸開方鉆桿，從井口鉆具投入鋼球，然后開泵。采用這種投球方法需要多次開關泵、上卸扣作業，浪費時間,且在某些高含硫地層取心、欠平衡鉆井取心或井下動力取心中，因為裝有內防噴工具或井下動力鉆具而無法投球。

本文介紹的鉆井取心用液動投球裝置提前將鋼球儲藏于投球裝置內，并隨取心工具一起下到井底，需要投球時通過增大排量來實現鋼球的投放，既節約了時間，提高了作業效率，又滿足了特殊地層取心和井下動力取心等特殊要求。

一、鉆井取心用液動投球裝置研制

1. 結構及工作原理介紹

本文介紹的鉆井取心用液動投球裝置，主要包括外殼、彈性擋圈、限位環、滑套、彈簧、封堵、鋼球、密封圈、定位銷和導向環等，其結構如圖1所示。

鉆井取心用液動投球裝置連接在取心工具和鉆鋌之間，裝置內預先儲藏了一顆鋼球。當取心工具到達井底后，開泵正常循環鉆井液(此時鉆井液的液力小于彈簧彈力，滑套無法下移，鋼球仍被藏于外殼內)，進行內筒清洗作業。清洗完畢后，加大鉆井液循環排量，此時液體對本裝置內滑套的作用力增大，壓縮彈簧，滑套下移，鋼球通過滑套投球孔坐落在內筒上端的球座上，實現內筒的封堵，防止了鉆井液對巖心的沖刷。

圖1 鉆井取心用液動投球裝置結構示意圖

1外殼 2彈性擋圈 3限位環 4滑套 5彈簧 6封堵 7鋼球 8定位銷 9密封圈 10導向環

2. 滑套及彈簧分析計算

本裝置的核心是液體推到滑套的液力與彈簧彈力的匹配性，即在正常循環排量的時候液體對滑套的液力要小于彈簧的彈力，而在需要投球時，加大排量，鉆井液產生的液力要大于彈簧的彈力，因此首先計算滑套受鉆井液的液力。

滑套受鉆井液的沖擊力[2]:

Fj=ρ×Q×VJ

(1)

式中：Fj—滑套受鉆井液的沖擊力，N；

Q—鉆井液排量，L/s；

ρ—鉆井液密度，g/cm3；

VJ—鉆井液噴射速度，m/s。

其中，鉆井液噴射速度VJ：

(2)

式中：VJ—鉆井液噴射速度，m/s;

Q—鉆井液排量，L/s；

AJ—滑套截面積，mm2。

根據式(1)、式(2)可推導出鉆井液排量Q：

(3)

根據彈簧設計計算可得，再彈簧被壓縮到投球位置的時候，彈力335 N。

研究中，以川7-4取心工具配套的鉆井取心用液動投球裝置為例，鉆井液密度1.5 g/cm3，因此可得排量Q在28 L/s時，滑套受鉆井液的沖擊力FJ為360 N，此時滑套受鉆井液的沖擊力大于彈簧彈力，彈簧被壓縮到位，鋼球被順利投放。

3. 鋼球投放到位壓力變化計算

根據取心工具結構特點,在鋼球投放到位后,心軸的中心孔水眼被封堵,泵壓增加,根據壓降公式：

p=0.0827×[(ρ×Q2)/(C2×d4)]

(4)

式中：p—壓力,MPa；

Q—鉆井液排量，L/s；

ρ—鉆井液密度，g/cm3；

C—流量系數，取0.98；

d—當量直徑，cm。

其中當量直徑d：

d=4×A/L

(5)

式中：A—總流的有效截面積,mm2；L—濕周(流體與固體壁面的接觸長度)，mm。

研究中，以川7-4取心工具為例，鉆井液密度1.5 g/cm3。根據式(4)計算出川7-4取心工具在鋼球投放到位后泵壓增加1.15 MPa。

二、鉆井取心用液動投球裝置室內測試及現場應用

1. 室內測試

2018年3月，利用井下動力鉆具測試平臺對鉆井取心用液動投球裝置進行了多次室內測試，試驗采用清水(密度1 g/cm3)作為循環介質，由于清水密度低于理論計算時用的1.5 g/cm3鉆井液密度，故當排量到達28 L/s時，清水產生的推力不足335 N。因此，鉆井取心用液動投球裝置沒有投球，理論

計算與實際測試情況基本相符。此后，緩慢增加循環排量，當排量增至34.3 L/s時鉆井取心用液動投球裝置順利投球。

按上述操作過程，技術人員先后進行了5次室內測試，投球裝置順利投球時的清水排量分別是34.3 L/s、34.5 L/s、34.1 L/s、34.2 L/s、34.0 L/s，多次室內測試的結果顯示：鉆井取心用液動投球裝置投球時的清水排量基本穩定在34.2 L/s附近，測試數據與理論設計值基本相符，具備現場應用條件。

2. 現場應用

經過多次室內測試后，對鉆井取心用液動投球裝置配合川7-4取心工具在X井進行現場應用，取心井段：5 299.30～5 372.53 m，鉆井液密度：1.62 g/cm3，循環排量20.0 L/s，循環結束后緩慢增加鉆井液排量至26.4 L/s時，泵壓突然增加1.2 MPa，據此判斷液動投球裝置已完成投球操作。因此，降低鉆井液排量至15 L/s完成取心作業，工具出井后與現場技術人員判斷一致，鉆井取心用液動投球裝置順利完成投球，對取心工具內筒形成有效封堵。

本次現場應用，鉆井取心用液動投球裝置先后入井4次，完成8筒/次取心作業，取心進尺73.23 m，巖心長70.58 m，巖心收獲率96.38%，投球成功率100%，投球時的鉆井液排量分別是：26.4 L/s、26.7 L/s、25.9 L/s、26.1 L/s。對現場應用獲得的數據進行分析，與理論設計計算數據基本一致，對后續新產品的開發具有指導意義。

三、結論與認識

通過室內測試和現場應用表明，研制的鉆井取心用液動投球裝置將鋼球提前儲藏在裝置內，并隨取心工具一起下到井底，通過改變鉆井液排量順利投放鋼球，實現了鉆井組合中有內防噴工具或井下動力鉆具等情況下鋼球的投放作業，滿足了地層取心和井下動力取心等特殊要求。