GWY194-70BB型保温保压取心工具的研制和应用

杨立文孙文涛罗 军，2王光玥王俊明

（1.中国石油长城钻探工程技术研究院，辽宁盘锦 124010；2.东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

GWY194-70BB型保温保压取心工具的研制和应用

杨立文1孙文涛1罗 军1，2王光玥1王俊明1

（1.中国石油长城钻探工程技术研究院，辽宁盘锦 124010；2.东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

GW194-70BB型保温保压取心工具是为寻找和提升天然气水合物实物样品钻取率而研制的特殊取心工具。该工具通过内筒独立密封机构、复合真空隔热保温内筒、氮气压力补偿系统、电子多点随钻测量总成实现了岩心样品的温度保持、压力保持和海量的数据测量，解决了常规工具无法保持岩心压力和温度造成的天然气水合物实物挥发、测量数据不全等难题。在常规井实验中取得了保压成功率93%、保温率80%、温度变化率2~2.5 ℃/h的良好效果，现场试验表明，该工具在温度保持、压力保持方面可以完全满足天然气水合物样品的钻探与取样要求，对获取天然气水合物样品、提升天然气水合物勘探开发效果具有重要意义。

取心工具；保压；保温；天然气水合物

保温保压取心技术是能使取出的岩心始终保持在地层原始压力和温度状态的取心技术［1］。天然气水合物是在低温条件下由水和天然气（主要是甲烷气） 结合形成的一种外观似冰的白色结晶固体，在超过20℃、小于3 MPa下便会分解，直接从固态转变为气态，温度越高，压力越低，分解速度越快。常规取心工具无温度和压力保护装置，从而难以获取其真实样品。国外针对天然气水合物取心的工具主要型号有：国际深海钻探计划（DSDP）采用的保压取样筒PCB、国际大洋钻探计划（ODP）采用的保压取心器PCS［2-3］、活塞取样器APC、日本研制的PTCS，这4类取心工具都能实现保压功能，但只有PTCS具有保温功能，其中ODP-PCS的保压能力最高，为70 MPa，PCS、PCB、PTCS均采用绳索提取放松，只有APC型号的取心工具曾有获得天然气水合物的实物样品的报道。国内对天然气水合物取心工具的研究起步较晚，较为专业和成熟的取心工具目前还没有相关报道，随着国内对天然气水合物新能源开发的快速发展，研究专门的天然气水合物保温保压取心工具对国内寻找和提升对天然气水合物的勘探将具有重大的经济意义和战略意义。

1 GWY194-70BB型取心工具

GWY194-70BB型保温保压取心工具主要由差动总成、氮气补偿总成、TPMS测量总成、真空内筒、外筒、球阀总成、取心钻头等组成，如图1所示 。

图1 GWY194-70BB型保温保压取心工具

GWY194-70BB型保温保压主要技术特点：采用六方差动结构，安全性好，可靠性高；采用内筒独立密封方式，直接拔出取心内筒进行地面岩心冷冻与处理；TPMS测量总成采用电子多点随钻测量技术，温度压力测量数据多，压力温度变化趋势图形化；采用真空隔热多层复合可切割保温管，便于岩心切割与冷冻。

取心工具主要参数：工具长度8.00 m，岩心直径70 mm，钻头尺寸215.9 mm，额定保压20 MPa，保温管温度变化率δ≤ 2℃/h，井眼尺寸215.9~ 311.15 mm，适应软—中硬地层。

1.1 内筒独立密封机构

保温保压取心工具设计的第一个难点是保压。受取心井眼尺寸限制，密封系统面临可靠性、强度与尺寸之间的矛盾，强度高、性能可靠易导致密封结构复杂，岩心直径小；增大岩心直径易降低密封系统各个部分的连接强度和影响密封机构的实现，绳索提取式保压取样器PCS采用独立密封，但岩心直径小，直径只有42 mm，且取心进尺短；保压取样筒PCB岩心直径57.8 mm，但是压力和温度测量困难，密封系统维护需2~5 h，时效低［2-3］；国内仿制的保压取心工具其密封空间是整个取心外筒空间［4-6］，冷冻前需在高压情况下对内外筒之间钻井液进行置换。因此，新设计的密封机构需具有岩心直径大、结构简便、易操作、效率高等特点。

GWY194-70BB型保温保压型取心工具采用内筒独立密封结构，采用钻具起下方式，该密封系统由氮气补偿总成、TPMS电子多点测量总成、真空内筒、球阀密封总成等组成，结构如图2所示。工作原理：工具下井和钻进过程中，球阀总成处于开启状态，测量系统随钻测量下钻和钻进过程中的温度和压力数据，取心完毕起钻割心时，通过液力加压使内外筒产生差动，关闭球阀，整个内筒、测量总成、氮气补偿总成成为独立的封闭密封系统。该系统特点：结构简单，密封空间仅限于内筒；易操作，电子随钻测量与内筒独立冷冻；岩心直径为70 mm，单次可取岩心5 m，取心效率高。

图2 内筒独立密封机构示意图

1.2 真空复合保温技术

保温技术有主动保温和被动保温［7］。GWY194-70BB型保温保压取心工具采用被动保温技术，运用可拆卸双层铝合金管加不锈钢内胆真空隔热的方式，解决了普通钢质真空隔热管质量大、冷冻困难、切割困难、成本高等诸多不足。保温管结构如图3所示，内管和外管均为铝合金材质；真空隔热管为不锈钢管；真空隔热管的两端安装有密封件，提高内外管之间的密封性，减少和降低热对流的形成；保温管的上接头连接内筒上部的下球阀，在地面关闭下球阀时，可卸掉保温管的锁紧接头，将真空隔热管和外管取出，方便盛有岩心的内管冷冻与切割。该复合保温管的特点有：质量轻，易于搬运；真空隔热，效果好，其保温性能达到A级隔热效率；铝合金内筒，易切割；可拆卸结构，易于岩心的冷冻；真空隔热管和外管可重复使用，节约成本。

图3 保温内筒结构示意图

1.3 压力补偿

压力补偿是当内筒压力降低时，由安装在内筒顶端的高压气源向内筒中冲入气源以平衡内筒中的压力。压力补偿总成的工作原理是：压力补偿容器内冲入相当于井底钻井液压力2~2.5倍的高压氮气，取心下钻和钻进时，压力补偿器处于关闭状态，钻进完成后，内筒下端的球阀总成关闭，压力补偿器开关打开，当内筒压力缓慢降低时，压力开关开启气源通道，高压气源流入内筒中补偿漏失压力，当内筒压力高于井底钻井液压力时，压力开关关闭气源通道，停止补偿。GWY194-70BB型保温保压取心工具压力补偿总成主要参数：容积1 500 cm3、额定承压100 MPa、开关启动压差0.2 MPa。该压力补偿器具有容积大、压力开关敏感度高、压力大等特点。

1.4 TPMS电子多点随钻测量

电子多点随钻测量技术实现了温度压力的连续测量与记录，海量测量数据能反映岩心温度压力变化的细小趋势，通过细小的趋势变化可更加详细地了解天然气水合物在起钻过程中的挥发分解过程。该取心工具测量总成主要由上球阀、仪器仓、下球阀、电子多点测量仪、数据处理终端组成，测量总成结构如图4所示。

图4 测量总成结构示意图

上球阀连接压力补偿器并提供高压泄压口，仪器仓用于保护电子多点仪，降低电子多点仪在轴向和径向的振动，下球阀用于连通取心内筒和仪器仓。工具在井内时，上球阀、下球阀处于开启状态，电子多点测量仪在预设好的时间段启动并连续测量取心内筒中的温度和压力；取心结束时，在地面关闭下球阀，开启上球阀上的高压泄压孔，泄出仪器仓内的高压，即可将电子多点测量仪器取出读数，下球阀随内筒进行保压冷冻。

该测量总成采用电子多点测量仪，其耐高温锂电池可持续工作15 天；仪器测量间隔为3~120 s，测量数据点多；温度误差±0.1 ℃，压力误差±0.01 MPa；测量数据存储在仪器内，通过地面数据处理终端读出后可直接显示为表格和连续模拟曲线，数据处理界面如图5所示。

2 现场应用

图5 数据处理界面

GWY194-70BB型工具在S油田常规井中进行保压及保温取心施工，对工具可靠性及其取心工艺等进行了检验。该试验井为注水井，主要目的是完善注采井网，补充区域能量，挖掘剩余油潜力，提高区域内油井的产液量。全井设计取心115 m，取心井段495~641 m。目的油层已进入开采的中后期，采出程度50.24%，采油速度0.67%，综合含水61.3%，累计注采比1.94，岩性以砂岩为主。取心难点：取心层位埋藏浅、水洗严重、地层疏松成柱性差、岩心进筒困难。该井累计取心32筒，进尺115 m，心长87.49 m，岩心收获率76.09%，平均保压率80.45%，保压成功筒数占总筒数的93%。

钻头转速越高，钻头切削能力越强，岩心进筒速度越快，岩心收获率越高。该井第1、2取心井段地层主要为砂泥岩互层，地层水洗严重，无胶结，采用转速为80~90 r/min，钻进钻速1 m/h，取心收获率反而偏低，分析原因是地层水化严重，岩心强度太低，工具转动过快造成内筒对细小岩心的扭转破坏。后期转速30~40 r/min，工具扭转振动减少，提升了岩心柱的强度，保持了岩心柱的连续性，岩心进筒能力提升，岩心收获率上升。

GWY194-70BB型取心工具采用卡箍岩心爪割心为主、球阀割心为辅的方式。不同的施工工艺可能直接影响岩心收获率：硬地层岩心成柱摩擦力大，上提过程中岩心不易脱落，应优选卡箍岩心爪割心，即先上提取心工具割断岩心，再从井口投球加压割断工具上端的定位销，使外筒相对内筒下移并密封内筒；软地层岩心松软摩擦力小，如采用卡箍岩心爪割心，岩心易滑落，因此需先投球割断工具上端的定位销，然后上提取心工具，内筒相对外筒上移，因球阀到钻头的距离较短，球阀关闭时也会将滑落的岩心切断并密封。取心施工前7筒采用先上提后加压的方式，取心收获率和保压率偏低，后续施工均采用先投球后起钻的方式，保压率和取心收获率得到提升。

从表1中可以看出，降低转速，优化割心方式后，岩心收获率和保压率出现显著的提高，全井平均收获率76.09%，平均保压率80.45%，保压成功筒数占总筒数的93%。从图6可以看出，除第2筒和第5筒，保压率均在80%以上，保压效果良好，保压失败主要是球阀关闭销钉断裂，采用先上提后投球的方式，在剪断工具定位销后，外筒相对内筒下移的惯性大，导致球阀关闭销钉断裂，保压失败，而先投球后上提的方式，内筒运移缓慢，球阀可靠；温度变化在4~5 ℃，考虑施工井深500~600 m，平均起钻时间约3 h，温度下降速度2 ℃/h，后期由于施工地面环境温度降为零下，导致钻井液罐的钻井液温度下降明显，井底测试温度也出现相应下降，地面内筒的测试温度比较稳定，说明保温效果良好，对于低温地层，热对流和热辐射将进一步降低，该型号工具的保温内筒完全能满足天然气水合物低温地层取心的保温要求。

表1 GWY194-70BB型取心工具取心数据统计

图6 取心过程中温度压力测试曲线（井底压力、温度为井底钻井液温度和压力)

3 结论与认识

（1）GW194-70BB型保温保压取心工具结构设计合理，性能可靠，常规井保温保压取心试验为该工具在天然气水合物取心领域的推广应用提供了丰富的经验。

（2）保温保压取心属于高压作业，必须严格按照操作规程进行，地面出心、现场冷冻等环节需多人重复检查，钻进过程中注意参数变化，及时分析、判断、处理井下情况，确保岩心收获率。

［1］刘宝和.中国石油勘探开发百科全书.工程卷［M］.北京：石油工业出版社，2008：21-22.

［2］许红，吴河勇，徐禄俊，等.区别于DSDP—ODP的深海保压保温天然气水合物钻探取心技术［J］.海洋地质动态，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］张洪君， 刘春来，王晓舟，等.深层保压密闭取心技术在徐深12井的应用 ［J］.石油钻采工艺，2007，29（4）：110-114.

［5］李永平，赵生秀，蒲继才，等.保压密闭取心技术在台6-28井的应用［J］.青海石油，2009，27（4）： 10-13.

［6］胡海良，唐海雄，罗俊丰，等.深水天然气水合物钻井取心技术［J］.石油钻采工艺，2009，31（1）：27-30.

［7］唐燕青.保温管道预制成形工艺技术的发展与应用［J］.石油工程建设，2004（6）： 10-12.

（修改稿收到日期 2014-08-11）

〔编辑 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

杨立文，孙文涛，罗军，等.GWY194-70BB型保温保压取心工具的研制和应用［J］.石油钻采工艺，2014，36（5）：58-61.

TE921.3

：B

1000–7393（2014） 05–0058–04

10.13639/j.odpt.2014.05.014

国家专利： 专利名称“一种保温保压复合式可切割取心内筒（专利号：ZL201320732914.8）”；专利名称“ 一种保温保压取心工具（专利号：ZL201120358385.0）”。

杨立文，1965年生。1985年毕业于重庆石油学校钻井专业。现主要从事钻井技术管理与研究工作，长城钻探工程技术研究院副院长。电话：0427-7828979。E-mail：yllwww@163.com。