双岩心爪取心工具的研究与应用

向峰

大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院

双岩心爪取心工具的研究与应用

向峰

大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院

引用格式：向峰. 双岩心爪取心工具的研究与应用［J］.石油钻采工艺，2016，38（4）：442-445.

复杂地层一般是指裂缝发育，软硬互层，胶结性、稳定性及强度较差的地层，在对该地层进行取心施工时，一直存在撸心、掉心、岩心收获率低等问题。依据复杂地层的特点，研制了双岩心爪取心工具，该工具结合了自锁式取心工具与加压式取心工具的优点，在软地层割心时，可以通过加压式岩心爪将岩心割断并封堵内筒，防止撸心、掉心；在硬地层割心时，启动自锁式岩心爪，楔入岩心，将岩心割断。现已在大庆地区进行了两口井的现场应用，应用表明，该工具有良好的地层适应性，工艺操作简单，成本低，能够有效提高复杂地层取心收获率指标，保证化验分析的准确度，为油田的高效开发提供可靠的地质依据。

复杂地层；取心；收获率；双岩心爪

随着油田渐渐进入开发后期，对储层准确的评价显得尤为重要，而复杂地层取心［1］是一直困扰油气勘探开发储层评价的难题。目前胜利、辽河、大庆等国内主要油田的现役取心工具均不能满足复杂地层钻井取心的要求，经过技术攻关及现场试验，研制了双岩心爪取心工具，在葡90-462井、喇8-检PS1707井进行了成功应用，应用效果良好，为油田复杂地层取心提供了可靠利器。

1　双岩心爪取心工具Coring tool with double core catchers

1.1结构

Structure

双岩心爪取心工具主要由悬挂液压集成系统、外筒组件、内筒组件、双岩心爪割心系统、取心钻头等组成，如图1所示。

图1　双岩心爪取心工具结构图Fig.1 Structure of coring tool with double core catchers

1.1.1悬挂液压集成系统 双岩心爪取心工具的设计难点：加压力的来源。目前常用的加压结构主要有机械加压和液力加压两大类型。其中机械加压机构一般采用的是六方杆等组件，零部件沉重，装配不便，同时受井斜影响，存在卡球现象［2］。液力加压结构通常采用的是销钉悬挂，存在循环时激动压力过大而导致销钉提前断开风险。而新设计的加压机构井深、井斜适应性强，且悬挂结构装配简单，挂得住、拖得开。

双岩心爪取心工具采用悬挂液压集成系统，该系统由加压接头、大接头、球座、悬挂球、泄压机构液压球等组成，见图2。工作原理：加压接头与球座及大接头之间均采用活塞密封设计，当液压球落至球座时，上部形成封闭空间，在液力作用下释放机构脱开，球座下行，悬挂钢球解锁，此时工具依然处于密封状态，随泵压持续升高，内筒组件受到向下的压力，从而实现工具的加压。当加压力达到泄压机构预设压力时，循环通道被打开，防止起钻喷钻井液。该系统特点：释放机构在投球前几乎不受力，因此可以避免工具内筒提前释放，影响取心工序；泄压机构采用预设销钉分级控制，泄压力控制精准；液力加压—泄压效果不受井深井斜影响，适用范围广，全过程安全可靠。

图2　悬挂液压集成系统结构图Fig.2 Structure of the integral suspension and hydraulic system

1.1.2双岩心爪割心系统 常规的割心方式一般均是单一的自锁式割心或者加压式割心，存在一定的局限性。在中、硬地层一般自锁式割心效果较好；在松软、易碎地层加压式割心效果更优。实践发现，在复杂地层采用这两种割心方式应用效果均不太理想。因此必须研制一种新型割心方式，以解决该问题，提高复杂地层的岩心收获率，实现软—中—硬地层取心的全覆盖。

双岩心爪割心系统由卡箍座、卡箍座接头、自锁式岩心爪、加压式岩心爪等组成。其工作原理：加压式岩心爪与卡箍座采用螺纹连接，钻头设计内锥面，割心时，通过加压机构使加压式岩心爪沿钻头内锥面变形，切入岩心，实现加压割心［3-4］；若加压式岩心爪不能将岩心割断，说明岩心较硬，上提钻具，启动自锁式岩心爪，将其割断。该割心系统具有结构简单、地层适应性强，取心效率高的特点。

1.1.3内筒保形衬管 复杂地层软硬互层，胶结性、稳定性及强度较差，在该地层取心时，取全取准保持原始沉积状态的、不受或极少受钻井液伤害的岩心至关重要。保形取心技术则是为了更好地提高岩心收获率、保证岩心完整性而研发的一种特殊取心技术。国内保形取心技术主要以四川、胜利和辽河为代表， 采用PC、PVC和玻璃钢、铝合金内筒代替常规钢内筒的方式保护岩心［5］。

双岩心爪取心工具设有加压机构，内筒需要具有较强的加压承载力，而单独使用上述保形内筒，取心过程中内筒容易发生弯、折等变形，对取心工艺产生严重影响。因此设计采用“钢内筒+保形衬管”组合取代常规钢内筒，该组合具有良好的抗拉、抗压性能，内壁光滑，不易堵心，有利于保护岩心。

从衬管的切割难易程度、强度、抗温性能、抗老化能力、价格等因素综合考虑，双岩心爪取心工具选用玻璃钢保形衬管最佳，其性能参数见表1。

表1　保形衬管的主要参数Table 1 The main parameters of the conformal liner

1.2工作原理

Working principles

取心工具由内外双筒组成，外筒的作用是为取心钻头切削破岩传递钻压和扭矩，内筒采用球悬挂方式，外筒和内筒之间的环空间隙构成取心钻进时钻井液循环通道。取心前需循环钻井液清洗井底和内筒，钻井液通过内外筒之间的环空，最后流经取心钻头再由井眼环空返出井筒，将井底的沉砂清洗干净。开始取心时，从井口向钻具内投入一钢球，当钢球坐落到球座时，内筒上部的通道即被封堵，此时内外筒的环空是钻井液唯一循环通道。当取心工具的外筒带动取心钻头旋转钻进时，经取心钻头切削成柱状的岩心克服岩心爪的摩擦力进入内筒。取心钻进结束后通过地面管线再投一大球，通过液力加压系统，使内筒组件整体下移，加压式岩心爪受力收拢，发生永久变形，割断岩心并封堵内筒。如果岩心较硬加压式岩心爪不能割断岩心，则上提钻具，启动卡箍岩心爪，割断岩心。

1.3技术特点

Technical features

（1）采用悬挂液压集成系统，结构紧凑，易装配，安全性好，可靠性高。

（2）采用双岩心爪割心系统，实现了自锁式与加压式岩心爪的有效结合，克服了复杂地层取心的技术难点。

（3）采用玻璃钢内筒衬管，使内壁更加光滑，不易堵心，且有利于岩心保形与切割。

1.4技术参数

Technical parameters

工具长度10.3 m；岩心直径100 mm；钻头尺寸215.9 mm；适应软-中-硬等复杂地层。

2　工艺流程Process flow

由于双岩心爪取心工具结构的特殊性，主要工艺流程与现役工具有很多不同点。

2.1下钻前准备工作

Pre-drill preparations

（1）通径：开钻前对钻铤、螺旋扶正器、变径接头等进行通径。

（2）安装专用投球接头：按照要求将投球接头安装到方钻杆上方，便于投球操作。

2.2下钻

Drill-down

（1）下放钻具要平稳，控制下放速度，严禁猛刹、猛放、猛顿，下钻遇阻划眼钻压应小于10 kN，尽量避免大段划眼。

（2）准确计算方入，下钻至距井底0.5 m时开泵循环，钻头不得接触井底，预防井底沉砂进入内筒。

2.3取心钻进

Coring and drilling

（1）钻进前需投球，封堵循环通道。依靠排量控制球的下行速度，接近球座时，降低泵速，待钢球落在球座上后，开始正常钻进，钻进排量不得大于32 L/s。

（2）钻进初期应注意树心，轻压10～20 kN钻进30 cm，再逐渐加压40～50 kN正常钻进，送钻要均匀，注意泵压、机械钻速变化及转盘负荷情况［6-7］。

2.4割心

Core cutting

加压割心时需停转盘、停泵，打开回水闸门，关闭上旋塞，地面投液压球，开泵送球落座，排量10～15 L/s，同时记录泵速和立管压力，钢球落座后，缓慢升压（约6 MPa），释放机构脱开，内筒组件整体下行，当达到预设泄压力时（约16～22 MPa），泄压通道打开。加压割心失效，则需启动自锁式岩心爪，上提钻具，岩心爪沿着卡箍座锥面下行，卡紧并割断岩心，特殊情况也可采用上提钻具并转动转盘等方法进行割心。

3　应用实例Applications

应用双岩心爪取心工具在油田进行了两口井的取心现场试验，对工具的可靠性及其相关工艺参数进行了检验。第一口井：葡90-462井，取心井段912～949.98 m，葡萄花油层，取心难点：取心层位埋藏浅，主要是粉砂质泥岩与砂岩互层，泥质胶结疏松，成岩性较差，岩心进筒困难；第二口井：喇8-检PS1707井，取心井段1 218.42～1 255.00 m，属高台子油层高二组，取心段以灰色砂岩为主，成岩性较好。

从表2可以看出：在葡90-462井中，地层成岩性差，软硬交错互层，第1-2筒采用常规自锁式取心工具，取心效果较差，第1筒掉心，第2筒捞心，捞心时，发生磨心导致岩心损失，两次割心现象均不明显，出心后，仅成功打捞上部岩心1.05 m，该工具在此地层取心累计平均收获率仅43.04%。第3-6筒采用双岩心爪取心工具，共取心4筒，累计进尺29.50 m，累计收获率97.62%。对比发现，在岩性相对疏松、复杂的油层取心时，双岩心爪取心工具有较明显的优越性，主要是因为该工具具有双割心结构，可采用加压式岩心爪强力切入疏松岩心柱，将岩心抱死并收拢，封堵内筒，防止掉心，同时当岩性变硬时，又可直接启动自锁式岩心爪将岩心割断；在喇8-检PS1707井，高台子油层，成岩性好，使用自锁式取心工具和双岩心爪取心工具均获得了良好的取心收获率指标。

4　结论与认识Conclusions and discussions

（1）设计的双岩心爪取心工具结构合理，拓宽了工具的地层适应性，尤其适合于软硬交错等复杂地层取心，能有效提高取心收获率指标；取心工艺参数切实可行，能满足现场技术要求。

（2）悬挂液压集成系统实现了工具挂得住，脱得开，将钻井液的流体能量转化为工具的加压动力，装配简单，不受井深、井斜影响，应用范围广。

表2　取心现场记录Table 2 On-site records for coring operations

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［7］ 杨立文，孙文涛，罗军，王光玥，王俊明. 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. 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）

〔编辑 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年毕业于昆明理工大学材料学专业，现从事油田取心科研与技术服务工作，工程师。通讯地址：（163413）黑龙江省大庆市八百晌钻井工程技术研究院取心分公司。电话：0459-4893167。E-mail: xiangfengkg@163.com