自锁式深井密闭取心工具的研制与应用

李 让，吕跃滨，杨晨涛，彭 彬，胡建均

（中原石油勘探局钻井工程技术研究院，河南濮阳457001） ①

·技术应用·

自锁式深井密闭取心工具的研制与应用

李 让，吕跃滨，杨晨涛，彭 彬，胡建均

（中原石油勘探局钻井工程技术研究院，河南濮阳457001）①

随着井深的增加，钻井密闭取心的难度也在增加。现有的密闭取心工具存在结构复杂、拆装困难、易憋压放炮、堵心磨心、密封效果差等问题。通过对工具结构的改进，在下活塞底部增加刮泥功能，上活塞增加泄压功能，采用耐高温、抗腐蚀的密封件，解决工具存在的问题。现场应用表明，该工具结构合理、使用安全可靠，密闭取心成功率、岩心收获率、密闭率大幅度提高，施工质量合格率达到100%。

深井；密闭取心工具；上活塞；下活塞

钻井取心所获取的岩心是认识油气田和地层物性参数的重要资料，是油田勘探与开发评价的主要依据［1］。对于同一口井的某一层位，钻井取心是不可重复的，因此必须取好岩心，提高岩心收获率。在油田开发中后期，通过密闭取心可了解剩余油气的分布和油气储量动用情况，水洗水淹程度，残余油的饱和度等［2］。随着我国石油工业的发展，钻井深度在不断增加，深井、硬地层密闭取心技术已成为亟待解决的重大问题［3］。由于井段愈深，地层压力就愈高，要求的钻井液密度也愈大，取心工具的密闭性要求也愈严格；地层愈硬，钻进速度愈低，钻井液中自由水浸入岩心的机会和程度就愈大；井底温度愈高，普通密封圈耐高温、抗H2S腐蚀性能差，密封易失效。因此，原有的密闭取心工具已不能满足深井密闭取心现场作业要求，必须对密闭取心工具进行改进与完善，才能满足深井密闭取心的技术要求。

1 现有密闭取心工具存在的问题

1） 施工中易出现堵心、磨心现象 现有的密闭取心工具下活塞底部为平面，没有刮泥作用。由于密闭取心工具内筒不能循环钻井液，作业时受钻井液排量不能过高和割心后不能长时间循环的制约，以及深井起下钻时间较长，钻井液密度较高等因素影响，易造成井底沉砂过多，泥饼相应增厚。开泵时，在反循环的作用下，沉砂和泥饼冲向井底中心，不能被彻底清除，树心时井底残留的沉砂和泥饼首先进入岩心内筒，在岩心上行过程中，沉砂和泥饼受密闭液阻力和离心力作用而脱落，进入岩心与内筒的间隙中，造成堵心和磨心，从而严重影响取心成功率和收获率。

2） 存在安全风险 现有的密闭取心工具上活塞没有泄压功能，如果钻遇破碎地层及高压油气层而堵心后，造成岩心筒内的流体压力不能释放，随着起钻过程中钻井液液柱压力不断减小，气体不断膨胀，引起卸上活塞及卸钻头困难，严重时造成岩心放炮，影响取心资料的完整性和准确性，威胁着人身和设备的安全。

3） 工具结构复杂、操作繁琐、劳动强度大 现有的密闭取心工具出心时，卸完钻头后还要将上接头与外筒卸开，向上抽出，然后卸开内筒接头，再将内筒人工顶至外筒底端直到露出内筒与缩颈套接头，卸开缩颈套才能进行出心。操作异常繁琐，劳动强度大，既费时又费力。

4） 密封性能差 深井井下温度高、地层压力大，钻井液密度大，循环压力高，原有的普通密封圈耐高温、抗H2S腐蚀性能差，密封圈易失效，内筒螺纹连接处的密封也难以保证。

2 自锁式深井密闭取心工具的研制

2.1 总体结构及工作原理

自锁式深井密闭取心工具结构如图1所示。在该取心工具接触井底前 ，首先开泵循环，启动转盘低速旋转，利用下活塞上的刮刀片将井底的沉砂及泥饼刮洗干净，然后通过钻具自重加压将固定活塞的固定销剪断，下活塞上移，内筒里的密闭液被排出同体积量，排挤钻井液，同时对钻头内部间隙进行有效包裹。取心钻进时，随着岩心的不断形成并进入内筒，上顶下活塞，驱使内筒里的密闭液不断沿岩心四周流出，在钻头周围形成保护区，一部分在岩心表面形成保护膜，另一部分继续流出，保持钻头周围始终有密闭液而继续钻进。取心钻进结束后，上提钻具时钻头迫使岩心爪自动收缩抓紧岩心，进行割心。若出现堵心，内筒可能憋压，取心工具起到井口后，卸松上活塞的针型阀进行泄压，确定内筒无压力后上提取心工具，卸松取心钻头，将工具用双气胡芦抬到钻杆支架上，卸掉上活塞和取心钻头即可出心。

图1 自锁式取心工具结构示意

2.2 下活塞结构

下活塞结构如图2所示。刮泥板焊接在活塞帽下部正中央，活塞帽用螺纹连接在下活塞体上，活塞体用限位销钉固定在取心钻头上。每次下取心工具离井底3～5m，首先开泵、旋转转盘、缓慢下放钻具，对井底沉砂和泥饼充分刮洗，确保井底干净后再树心，它克服了现有技术中密闭取心工具下活塞底部为平面，没有刮泥板，井底沉砂和泥饼不能被彻底清除，易造成堵心和磨心事故的缺点，从而提高了取心成功率和收获率。通过多次现场使用，收到了良好的效果。

图2 下活塞结构示意

2.3 上活塞结构

上活塞结构如图3所示。丝堵上端中心部位开通孔与连杆用螺纹连接并焊接为一体，连杆内设计有泄压通道，在泄压通道的上端安装有针型阀，封闭泄压通道，在连杆顶部管壁上开有放喷口，在放喷口上焊接有放喷管接头，放喷管接头上安装有压帽。当取心工具起到井口时，卸掉放喷管接头上的压帽，连接放喷管，卸松针型阀，内筒压力即可释放，避免了因堵心引起内筒憋压、造成岩心放炮，既影响岩心收获率，又可能危及现场设备和人员安全。

2.4 取心钻头结构优化

取心钻头内腔设计为岩心爪座，实现了取心钻头和缩颈套的双重功能，通过卸下钻头即可进行出心操作，避免了以前卸完钻头后还要将上接头与外筒卸开，向上抽出，然后卸开内筒接头，再将内筒人工顶至外筒底端直到露出内筒与缩颈套接头，卸开缩颈套才能进行出心的频繁拆卸，大幅降低了劳动强度，节约了钻井时间，提高了钻井时效，节约了钻井成本。

2.5 密封设计

为了保证密闭液在下钻、取心过程中被可靠密封在内筒中，防止钻井液进入取心内筒污染岩心，保证岩心密闭率，同时考虑安装方便，分别在分水接头与内筒之间、内筒与钻头之间、下活塞与钻头之间采用耐高温、抗H2S腐蚀的“O”型密封圈，保证结合面可靠密封。

3 现场应用

自锁式深井密闭取心工具研制成功后，先后应用于普光气田、延长油矿、玉门油矿、浙江油田等，经过普光2、普光8、普2011－3和延161等多口井的现场应用，密闭取心成功率、平均收获率、平均密闭率大幅度提高，得到了甲方和现场人员的一致好评。

3.1 普光2井应用情况

3.1.1 技术难点及相应措施

普光2井位于四川省宣汉县普光镇，设计井深5 353m。该区块井深、气层压力大且H2S浓度高，地层温度高，岩性成柱性差极易破碎，容易顶坏岩心爪。根据该区块地层特征，优选了钻速较高的取心钻头，研制了抗高温的密闭液，使用新研制的适应于深井作业的密闭取心工具。由于破碎地层容易顶坏岩心爪，改用强度较高顶部为瓦棱状的新型岩心爪。克服了原有密闭取心工具井底沉砂和泥饼不能被彻底清除，易造成堵心和磨心事故的缺点，避免了因堵心引起内筒憋压，造成岩心放炮，从而影响取心资料的完整性和准确性，威胁人身和设备安全等问题发生，取得了良好的效果。

3.1.2 密闭取心情况

普光2井共密闭取心38筒，井段为4 775.19～5 201.86m，累计进尺331.22m。其中，常规地层密闭取心176.58m，心长174.72m，收获率98.95%（SY5593—93标准≥90%）；散碎地层密闭取心154.64m，心长133.79m，收获率86.52%（SY5593—93标准≥50%）。累计纯钻148.75h，平均机械钻速为2.23m／h，单筒最高进尺10.13m。全井密闭率化验取样165块，密闭157块，密闭率95.15%。该井共用密闭取心钻头12只，其中PDC钻头9只，聚晶金刚石钻头2只，三角聚晶钻头1只。2号PDC钻头共下井5次，单只钻头进尺47.77m，纯钻24.57h，创单只钻头下井次数、单只钻头进尺最好指标。该井密闭取心被中国企业联合会、中国企业家协会授予中国企业新纪录奖牌。普光2井密闭取心统计数据如表1。

表1 普光2井密闭取心数据统计

3.2 普光8井应用情况

3.2.1 技术难点及相应措施

普光8井位于四川省宣汉县清溪镇，设计井深5 670m，完钻井深5 930m。

1） 井深、摩阻大、气层压力大且H2S浓度高。该井自井深5 505m开始取心，裸眼段长2 200多m，上提摩阻为120～180kN，下放摩阻为80～120 kN，给准确判断井下情况造成一定困难。第4～5筒出筒岩心H2S浓度高达200×10－6，对现场人员的健康和生命安全构成严重威胁，为确保岩心及时出筒，必须配戴H2S防护装置才能作业。

2） 泵压高，容易刺坏取心工具及钻柱。1、2号泵泵压分别为12～18MPa和20～23MPa，加之下钻多次分段循环，溢流长时间循环，易造成分水接头被刺坏。采取适当降低排量、泵压等措施，并对工具严格检查和精心组装，以减少钻井液对取心工具的冲蚀。

3） 瞬时钻速变化大，频率快。钻速在瞬时由10m／h突降为＜1m／h，井下情况难以判断。钻速变化是由于岩性变化，还是堵心，只能凭经验及记录仪上的参数变化来分析判断，所以从取心工具接近井底到割心，都随时观察钻井参数变化情况，准确判断井下情况，确保快速安全取心钻进。

4） 地层岩石破碎，易造成堵心和磨心。堵心不仅影响进尺和收获率，更为严重的是堵心后造成岩心完全封闭，岩心内的气体不能释放，起钻过程中液柱压力不断减小，气体不断膨胀，从而引起放炮现象。例如，第7筒为极破碎地层，堵心、蹩压现象严重，在钻台上卸压时喷出15L密闭液，在现场上、卸上活塞时仍有压力，又喷出18L密闭液，出心困难。

3.2.2 密闭取心情况

该井取心井段为5 505.00～5 685.25m，共密闭取心19筒，累计进尺180.25m。其中常规地层密闭取心81.06m，心长79.46m，收获率98.03%；散碎地层密闭取心99.19m，心长61.71m，收获率62.21%。累计纯钻77.85h，平均机械钻速为2.32 m／h，单筒最高进尺10.36m，单筒最多心长10.53 m。全井密闭率化验取样113块，密闭108块，密闭率95.60%。由于该新型工具采用的是耐高温、防H2S的密封圈，下活塞增加了刮泥功能，井底沉砂和泥饼被彻底清除，上活塞增加了泄压功能，避免了因堵心引起内筒憋压现象。试验证明，该工具适用于深井密闭取心现场作业要求。该井密闭取心创密闭取心井深、H2S地层高浓度、单筒取心长度、单筒岩心长度、平均单筒进尺和深井密闭取心平均机械钻速等多项记录。密闭取心统计数据如表2。

表2 普光8井密闭取心数据统计

4 结论

1） 研制的深井密闭取心工具原理可行、结构简单、操作简便、使用安全可靠、可广泛适用于深井、超深井含气密闭取心。

2） 密闭取心下活塞增加了刮泥功能，它克服了现有技术中密闭取心工具下活塞底部为平面，没有刮泥板，井底沉砂和泥饼不能被彻底清除，易造成堵心和磨心事故的缺点，从而提高了取心成功率和收获率。

3） 上活塞增加了泄压功能。当取心工具起到井口时，卸掉放喷管接头上的压帽，连接放喷管，卸松针型阀，内筒压力即可释放，避免了因堵心引起内筒憋压、造成岩心放炮，既影响岩心收获率，又可能危及现场设备和人员安全的问题发生。

4） 通过普光2、普光8、普2011－3和延161等多口井的现场应用，密闭取心成功率、岩心收获率、密闭率大幅度提高，施工质量合格率达到100%。

5） 该工具的成功研制与应用对深井油气藏的评价和勘探开发具有很大的促进作用。

［1］ 李 让.普光2井密闭取心技术［J］.钻采工艺，2006，29（3）：28－30.

［2］ 李 让.深井密闭取心技术在普光8井的应用［J］.石油钻采工艺，2008，30（1）：38－42.

［3］ 王智锋，许俊良，薄万顺.深海天然水合物钻探取心技术［J］.石油矿场机械，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

国家高技术研究发展计划（863计划）项目“提高超深井钻井速度及安全钻井技术研究”（2006AA06A109－7）

李 让（1961－），男，陕西洛南人，工程师，1982年毕业于长庆石油学校钻井专业，从事钻井工艺技术研究和现场密闭取心技术服务工作，E－mail：yangct＠126.com。