钻井取心用液动投球装置研制及应用

刘 彬， 陈文才， 付小平， 殷 鸽

(1四川川庆石油钻采科技有限公司 2中国石油集团渤海钻探工程有限公司第三钻井工程分公司)

常规钻井取心工艺流程是：下钻→循环→投球→钻进→割心→起钻→出心→下钻，循环是为了清洗内筒，防止内筒沉沙、阻碍进心，投球是为了封堵内筒，避免钻井液冲蚀岩心[1]，具体操作是：内筒清洗完成后，停泵，卸开方钻杆，从井口钻具投入钢球，然后开泵。采用这种投球方法需要多次开关泵、上卸扣作业，浪费时间,且在某些高含硫地层取心、欠平衡钻井取心或井下动力取心中，因为装有内防喷工具或井下动力钻具而无法投球。

本文介绍的钻井取心用液动投球装置提前将钢球储藏于投球装置内，并随取心工具一起下到井底，需要投球时通过增大排量来实现钢球的投放，既节约了时间，提高了作业效率，又满足了特殊地层取心和井下动力取心等特殊要求。

一、钻井取心用液动投球装置研制

1. 结构及工作原理介绍

本文介绍的钻井取心用液动投球装置，主要包括外壳、弹性挡圈、限位环、滑套、弹簧、封堵、钢球、密封圈、定位销和导向环等，其结构如图1所示。

钻井取心用液动投球装置连接在取心工具和钻铤之间，装置内预先储藏了一颗钢球。当取心工具到达井底后，开泵正常循环钻井液(此时钻井液的液力小于弹簧弹力，滑套无法下移，钢球仍被藏于外壳内)，进行内筒清洗作业。清洗完毕后，加大钻井液循环排量，此时液体对本装置内滑套的作用力增大，压缩弹簧，滑套下移，钢球通过滑套投球孔坐落在内筒上端的球座上，实现内筒的封堵，防止了钻井液对岩心的冲刷。

图1 钻井取心用液动投球装置结构示意图

1外壳 2弹性挡圈 3限位环 4滑套 5弹簧 6封堵 7钢球 8定位销 9密封圈 10导向环

2. 滑套及弹簧分析计算

本装置的核心是液体推到滑套的液力与弹簧弹力的匹配性，即在正常循环排量的时候液体对滑套的液力要小于弹簧的弹力，而在需要投球时，加大排量，钻井液产生的液力要大于弹簧的弹力，因此首先计算滑套受钻井液的液力。

滑套受钻井液的冲击力[2]:

Fj=ρ×Q×VJ

(1)

式中：Fj—滑套受钻井液的冲击力，N；

Q—钻井液排量，L/s；

ρ—钻井液密度，g/cm3；

VJ—钻井液喷射速度，m/s。

其中，钻井液喷射速度VJ：

(2)

式中：VJ—钻井液喷射速度，m/s;

Q—钻井液排量，L/s；

AJ—滑套截面积，mm2。

根据式(1)、式(2)可推导出钻井液排量Q：

(3)

根据弹簧设计计算可得，再弹簧被压缩到投球位置的时候，弹力335 N。

研究中，以川7-4取心工具配套的钻井取心用液动投球装置为例，钻井液密度1.5 g/cm3，因此可得排量Q在28 L/s时，滑套受钻井液的冲击力FJ为360 N，此时滑套受钻井液的冲击力大于弹簧弹力，弹簧被压缩到位，钢球被顺利投放。

3. 钢球投放到位压力变化计算

根据取心工具结构特点,在钢球投放到位后,心轴的中心孔水眼被封堵,泵压增加,根据压降公式：

p=0.0827×[(ρ×Q2)/(C2×d4)]

(4)

式中：p—压力,MPa；

Q—钻井液排量，L/s；

ρ—钻井液密度，g/cm3；

C—流量系数，取0.98；

d—当量直径，cm。

其中当量直径d：

d=4×A/L

(5)

式中：A—总流的有效截面积,mm2；L—湿周(流体与固体壁面的接触长度)，mm。

研究中，以川7-4取心工具为例，钻井液密度1.5 g/cm3。根据式(4)计算出川7-4取心工具在钢球投放到位后泵压增加1.15 MPa。

二、钻井取心用液动投球装置室内测试及现场应用

1. 室内测试

2018年3月，利用井下动力钻具测试平台对钻井取心用液动投球装置进行了多次室内测试，试验采用清水(密度1 g/cm3)作为循环介质，由于清水密度低于理论计算时用的1.5 g/cm3钻井液密度，故当排量到达28 L/s时，清水产生的推力不足335 N。因此，钻井取心用液动投球装置没有投球，理论

计算与实际测试情况基本相符。此后，缓慢增加循环排量，当排量增至34.3 L/s时钻井取心用液动投球装置顺利投球。

按上述操作过程，技术人员先后进行了5次室内测试，投球装置顺利投球时的清水排量分别是34.3 L/s、34.5 L/s、34.1 L/s、34.2 L/s、34.0 L/s，多次室内测试的结果显示：钻井取心用液动投球装置投球时的清水排量基本稳定在34.2 L/s附近，测试数据与理论设计值基本相符，具备现场应用条件。

2. 现场应用

经过多次室内测试后，对钻井取心用液动投球装置配合川7-4取心工具在X井进行现场应用，取心井段：5 299.30～5 372.53 m，钻井液密度：1.62 g/cm3，循环排量20.0 L/s，循环结束后缓慢增加钻井液排量至26.4 L/s时，泵压突然增加1.2 MPa，据此判断液动投球装置已完成投球操作。因此，降低钻井液排量至15 L/s完成取心作业，工具出井后与现场技术人员判断一致，钻井取心用液动投球装置顺利完成投球，对取心工具内筒形成有效封堵。

本次现场应用，钻井取心用液动投球装置先后入井4次，完成8筒/次取心作业，取心进尺73.23 m，岩心长70.58 m，岩心收获率96.38%，投球成功率100%，投球时的钻井液排量分别是：26.4 L/s、26.7 L/s、25.9 L/s、26.1 L/s。对现场应用获得的数据进行分析，与理论设计计算数据基本一致，对后续新产品的开发具有指导意义。

三、结论与认识

通过室内测试和现场应用表明，研制的钻井取心用液动投球装置将钢球提前储藏在装置内，并随取心工具一起下到井底，通过改变钻井液排量顺利投放钢球，实现了钻井组合中有内防喷工具或井下动力钻具等情况下钢球的投放作业，满足了地层取心和井下动力取心等特殊要求。