机械加压复合式密闭取芯工具的研制

刘春来

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

取芯是油田勘探开发中应用最普遍的储藏评估手段之一[1]。但是常规的取芯技术只适用于发育良好的地层，而对于松散以及破碎性地层来说，取芯收获率低，达不到储量评估的要求。国内外针对复杂地层的特点开展了一系列取芯技术研究，研制出各种型号的破碎地层专用工具，其原理都是通过加压的方式使岩芯爪收拢变形并切断岩芯。此种方式一定程度上改善了破碎地层取芯的效果[2]，但仍存在以下问题没有解决：（1）堵芯以及由此带来磨芯的风险；（2）软硬交替多变地层不适用；（3）钻井液污染岩芯的问题。通过对大庆油田中浅地层进行研究发现，其特点是岩性多变，软硬交错，因此有必要研制一种复合式密闭取芯工具，以解决上述问题。

复合式取芯工具涉及加压结构，而目前常见加压式取芯工具大多采用的是液压方式，即向井下投球，然后利用泥浆泵压力使岩芯爪压拢闭合以剪切岩芯。往往这个压力远高于常规钻井循环压力，持续憋压的过程风险较大，而且局限于地层硬度。地层偏硬，设计允许最高泵压不足以将岩芯剪断，导致割芯失败。而机械加压的方式具有以下优点：①施压平稳、可控，安全性高；②对钻井设备要求低；③结构简单，现场组装方便。所以机械式加压的方式是更合适的选择。

综上所述，有必要研制一种机械加压复合式密闭取芯工具，解决松散、软硬交替变化、泥砂胶结不良等复杂地层取芯难题。

1 复合式密闭取芯工具设计

1.1 工具结构

复合式密闭取芯工具采用机械加压的方式以及复合式岩芯爪结构设计，由加压总成、内外筒、悬挂机构、旋转总成、衬管、复合式岩芯爪和密封活塞组成，如图1所示。

工具主要参数见表1。

图1 取芯工具结构图

表1 工具参数

1.2 工作原理

工具下至井底做好取芯准备后，加压剪断密封活塞的销钉，然后开始取芯钻进，岩芯进入内筒。取芯结束后停泵，首先试用自锁的方式进行割芯，缓慢上提钻具时观察指重表悬重变化情况。如果悬重明显增涨，则说明自锁式岩芯爪已经抱紧岩芯，可以继续上提钻具直至拔断岩芯；如果上提钻具过程中悬重没有变化，则必须采用加压的方式再次割心。下放钻具至钻头接触井底后，开泵并逐渐提升钻井液排量至35L/s时，缓慢上提钻具0.3～0.5m，此时工具的六方杆脱开，然后停泵，再次下放钻具至钻头接触井底，钻具重量通过六方杆作用到加压接头，剪断悬挂机构的销钉后继续作用到内筒以及加压式岩芯爪上，逐渐加大钻压直至岩芯爪变形剪断岩芯。具体施压大小根据地层软硬情况确定。

1.3 关键技术

1.3.1 加压总成

本工具所设计加压总成最大特点是采用液控式脱开的方式,免去常用的投球方式，操作更为安全，且方便现场作业。加压总成如图2所示。

图2 加压总成

加压总成的六方杆通过滑块与工具本体锁定，为取芯钻进传递扭矩和钻压。取芯结束后，提升钻井液排量达到设计脱开压力时，滑套克服弹簧力下行，滑块解锁后六方杆脱开。停泵后，滑套在弹簧力的作用下复原，引导滑块复位并再次锁定。此时下放钻具，压力通过六方杆作用在滑块上，继而向下传递至悬挂机构。

1.3.2 悬挂机构

悬挂机构有2方面作用，一是悬挂内筒，二是承担割芯拉力。相比更常见的销钉悬挂的方式，块悬挂能够承受更大的拉力，这样设计的目的在于优先选择自锁式割芯，因为自锁式割芯的效果更容易判断和确认。悬挂机构如图3所示。

通过悬重增加的情况可以判断并确认自锁式割芯的效果，如果效果不好，则启用加压机构施压，剪断销钉后，支撑套下行，悬挂块受力并滑入支撑套的凹槽中，内筒脱开后将压力传递给加压式岩芯爪，岩芯爪沿钻头内锥面收拢变形并将岩芯剪断。

1.3.3 衬管

图3 悬挂机构

衬管的作用是降低岩芯进入内筒的阻力，降低堵芯风险，并保持岩芯良好柱状形态和原位次序[3]，防止出芯时岩芯因破碎而散落或丢失，实现岩芯完全、有序收集。常见衬管主要有PVC管、玻璃钢管和不锈钢管，综合对比3种材质摩擦系数和强度，由表2可以看出，玻璃钢作为衬管材质更为适宜。

表2 衬管材质摩擦系数

1.3.4 复合式岩芯爪

硬脆地层岩芯抗剪切强度高，加压式岩芯爪强度不足以将岩芯剪断；自锁式岩芯爪自然状态下的尺寸大于松散地层、软泥岩地层岩芯损害后的直径，无法实现自锁，更不可能用于破碎地层。复合式岩芯爪具有加压式岩芯爪和自锁式岩芯爪双重作用[4]，因此该工具兼有加压式工具和自锁式工具的特点，结构如图4所示。实际应用中宜首先尝试自锁式割心的效果，若效果明显则可以直接起钻；若效果不好，则可以通过加压总成施压致使加压式岩芯爪收口变形而将岩芯剪断。加压式岩芯爪完全变形后口径40mm，几乎完全封闭内筒下端，防止起钻过程中破碎的岩芯掉落。

1.3.5 密封活塞

密闭液不但能保护岩芯免受钻井液污染，提高含油饱和度评估精确度，而且针对水淹层可以有效抑制泥岩水化，加之润滑作用，堵芯风险也随之降低。活塞首先通过销钉固定在钻头上，与内筒形成密闭空间。工具下井前首先向内筒灌注密闭液，然后将其封堵。取芯前加压剪断销钉即可实施钻进，岩芯顶推活塞进入内筒中，密闭液全程包裹着岩芯，避免钻井液接触。岩芯在密闭液的保护和润滑下，保持完整柱状形态。

2 现场应用效果

复合式取芯工具先后于某89、某93两口井进行现场试验，2口井取芯井段分别为656.09～676.45m、803.50～812.37m，其中某89井取芯段含软泥岩、松散泥沙层和硬质夹层,某93井取芯段则全部为软泥岩。某89井取芯情况如表3所示。

某89井取芯井段较长，含3.4m软泥岩，后以砂岩为主，伴硬脆泥岩夹层。第一筒取芯结束后，停泵并上提钻具准备割芯，上提0.5m后悬重没有变化，于是判断自锁式割芯失败。于是将工具下放接触井底，开泵逐渐提升钻井液排量至35L/s时，上提钻具0.4m，停泵后下放钻具0.2m时钻压开始增涨，说明六方杆成功脱开，并且加压动作准备就绪。继续增压至42kN时，钻压突然下降归零，说明悬挂机构的销钉被剪断，继续加压至250kN后起钻。出芯时发现加压式岩芯爪是完全闭合的状态，软泥岩水化后，形成1cm厚的泥态胶结物表皮，所以自锁式岩芯爪无法抓牢。第二筒取芯结束后，停泵并上提钻具0.3m时悬重明显增涨，说明自锁式岩芯爪已经抱紧岩芯，当继续上提至悬重82kN时，悬重突然回落，说明自锁式割芯成功。起钻后出芯时发现出露钻头的岩芯坚硬、完整。第三筒情况与第二筒相似，也是采取自锁的方式完成割芯。

图4 复合式岩芯爪

某93井取芯段全部为软泥岩，进尺8.87m，采取加压的方式完成割芯，芯长8.76m，收获率达到98.8%，加压式岩芯爪完全闭合。

3 结论及建议

（1）复合式密闭取芯工具弥补了单一型常规自锁式取芯工具和加压式取芯工具的不足，其针对大段软硬交替变化、泥砂胶结不良等复杂地层取芯，复合式取芯工具更具优势。

（2）复合式密闭取芯工具的设计创新性的将密闭取芯技术拓展应用到复杂地层取芯，同时又利用密闭取芯技术特点保证复杂地层取芯收获率，实际应用效果良好。

（3）根据现场试验情况来看，机械加压总成采用液控脱开式设计，方案可行，安全可靠，操作性强；复合式岩芯爪也起到了预期的作用。

参考文献：

[1] 许俊良，宋淑玲，成伟.国外钻井取心新技术[J].石油机械，2000，28(9)：53-57.

[2] 何超，胡畔，唐聪，等.新型加压式取心工具研究及现场应用[J].钻采工艺，2015，38(5)：62-65.

[3]SY/T5336-2006岩心分析推荐作法[S].北京：石油工业出版社出版，2007.

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