破碎地层取心工具内筒保护技术研究与应用

刘 彬， 徐 文， 姚坤鹏

1中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2中国石油川庆钻探工程有限公司

0 引言

随着全国许多油田进入后期开发，地层水淹严重，取心时极易造成岩心坍塌破碎，此外，在双探栖霞、磨高灯影组等层位的白云岩裂缝孔洞非常发育，岩心成柱性差，针对这些破碎地层取心，目前国内采用保形取心技术居多。该技术根据钻井条件不同，选用铝合金、玻璃钢、PVC管等低摩阻材料加工内筒来降低岩心进心的阻力，优化岩心受力，达到钻进过程中保护岩心的目的[1]。但是，在出心时缺少一套有效岩心保护方法，一般是先将内筒提环与内筒连接，再将内筒连同岩心一起转运到场地进行出心或者切割内筒等操作，在转运过程中，内筒没有任何保护措施，与滑道或地面接触时会产生比较严重的碰撞，对原本就破碎的岩心会产生更加不利的影响。针对这种情况，研制了一套适用于破碎地层内筒保护的转运装置，从减小内筒转运过程中内筒的弯曲变形和内筒落地时的振动等方面降低对破碎岩心的人为损坏，配套保形取心技术使用，在切割完内筒后，对岩心进心注脂封蜡保护，能够更有效地保持岩心出井状态。

1 内筒转运装置研制

1.1 结构概况

破碎地层岩心保护技术使用的内筒转运装置，主要由内筒收藏架、液压钳、支撑架、手动泵、定滑轮、滚轮和液压管线组成，其结构见图1。该装置通过操作手动泵控制液压钳将内筒固定在内筒收藏架上，阻止内筒与外界的直接接触，同时，辅以减震滚轮和滑轮等多个防震机构，减小内筒转运过程中的震动，以此来减小内筒转运过程中外界因素对岩心的损伤。

图1 内筒转运装置结构图

1.2 技术参数

本文是以川7取心工具为例设计的一套适用于破碎地层的取心工具内筒保护装置，内筒尺寸为Ø126 mm×Ø108 mm×9 200 mm，转运装置具体参数见表1。

表1 技术参数表

2 关键部件结构

2.1 内筒收藏架

内筒收藏架主要是在转运内筒时收藏内筒用，配合定滑轮和滚轮可以更方便的移动内筒，其研究关键有以下几点：

(1)内筒收藏架主要由钢板焊接而成，其外形为工字形，刚度大，不易弯曲变形，另外还有侧板、底板和挡板三部分。侧板和底板组成的内腔用于存放内筒和安装液压缸和收藏液压管线；挡板焊接在底部，是为了防止内筒在转运过程中从内筒收藏架滑出。侧板和挡板要承受内筒和岩心的压力，总重量不超过300 kg，采用的是12 mm钢板，底板不承重采用6 mm钢板[2]，挡板表面设置一层10 mm防碰胶垫，避免内筒与挡板碰撞造成过大震动。

(2)内筒收藏架上半部装有一组9个定滑轮(图1)，定滑轮采用尼龙材料，内筒压在定滑轮上，有一定的减震效果，出心时，内筒在定滑轮上滚动，受到阻力更小。

(3)内筒收藏架下半部装有一组9个横梁，用于搁置和固定液压管线，防止液压管线散开。

(4)内筒收藏架一侧距离底部1 m的位置有4个快速接头，用于连接液压管线，分别对应2个液压钳的进出口。

(5)内筒收藏架两侧设计有2组4个滚轮(图1)，一方面用于支撑整个内筒收藏架，另一方面可以便于内筒收藏架的小范围移动；滚轮直径为290 mm,芯部采用钢结构，外围包覆一圈25 mm厚的PP管，在确保强度的同时可以减小移动时造成的噪音，滚轮采用防震结构，在滚轮落地时起到缓冲减震的作用。

(6)内筒收藏架两侧设计有2组4个支撑架(图1)，液压钳安装在支撑架里面，可预防碰撞，支撑架底面距离地面有一定间隙，在内筒收藏架发生弯曲变形时，起到二次支撑的作用，防止其出现过大的弯曲变形。

(7)内筒收藏架侧板上焊接了3组6个吊耳，一组吊耳设置在顶端，用于竖直吊装；另外两组吊耳根据收藏架和内筒的尺寸和重量，设置在侧边合理位置，用于水平吊装的同时确保在吊装过程中内筒收藏架不会发生弯曲变形。

2.2 液压钳

2.2.1 工作原理

液压钳的主要作用是夹紧内筒，防止内筒在转运过程中掉出内筒收藏架，由手动泵、液压管线、液压缸、液压爪、拉杆和连杆组成。

液压钳有4条液压线路，由4条液压管线组成，液压管线两端分别连接两个液压缸的进出口和内筒收藏架上的4个快速接头，通过小卡箍固定在内筒收藏架下部的横梁上，手动泵与快速接头连接即可对液压缸[3- 5]进行供油，实现液压杆的伸缩，进而带动拉杆上下移动，通过特殊的三连杆结构，拉杆上下移动可以使液压爪收缩和张开动作，其工作原理如图2所示。

图2 液压钳工作原理图

2.2.2 技术参数

液压钳使用的是双作用液压缸，液压杆上行带动液压爪夹紧内筒，液压杆下行带动液压爪松开内筒，缸径50 mm，行程50 mm，液压爪的最大开口为452 mm，完全张开后，通过计算可以得到液压爪的夹紧力，以此来确定手动泵的工作压力。

2.2.3 夹紧力计算

液压钳夹紧内筒时，其各部件位置关系见图3，各部位受力见图4。

图3 液压钳各部件位置关系图

图4 受力分析图

假设取心满进尺，内筒和岩心长度均为9 200 mm，则内筒和岩心总重量G为300 kg，液压爪的夹紧力按其2倍计算，则满足以下关系[6]：

2×G×g=2×N×cos60°

(1)

取g=10 g/m2,计算得：N=6 000 N

根据受力平衡，对于液压爪、连杆和拉杆可以得到以下关系式：

N×292-F1×38.5=0

(2)

F1=F2

(3)

F2-F3=0

(4)

F3=F4

(5)

F4=F5

(6)

T-F4sin16°-F5sin16°=0

(7)

计算得：T=25 086 N

液压缸的工作压力p应满足以下关系：

T=p×A=p×π×502÷4

(8)

计算得：p=12.8 MPa,即液压缸的工作压力要大于12.8 MPa才能确保夹紧内筒，因此需准备额定工作压力14 MPa以上的手动泵。

2.3 减震滚轮

滚轮安装在内筒收藏架两端，是内筒收藏架转运过程中最先与地面接触的部件，与地面的刚性撞击会对内筒造成极大的震动，进而损伤岩心，其减震能力是整个内筒转运装置实现功能的关键之一。

如图5所示，减震滚轮由滚轮、减震机构和调节螺母组成，减震机构的活塞缸通过焊接与本体相连，活塞杆穿过减震弹簧，通过螺母与滚轮轴相连。焊接前，根据内筒转运装置、内筒及岩心的重量，计算弹簧的受力及变形量，初步确定焊接位置，焊接后，再通过旋紧或旋松调节螺母来微调，并确保支撑架底面与地面的距离略小于弹簧理论计算变形量的最大值，在转运装置水平放置的时候，起到支撑防变形的作用。

图5 减震滚轮结构示意图

3 工艺过程

内筒转运装置的工艺过程是指将内筒连带岩心从钻台转移至场地上进行出心的过程，主要包括以下几个步骤：

(1)取心钻进完成后，将取心工具提至井口，坐好卡瓦，卸开外筒螺纹后上提内筒，用内筒卡盘将内筒卡坐在外筒上，然后卸开内筒上端连接螺纹，组装内筒提环。

(2)吊绳连接内筒转运装置顶部的吊耳，将内筒转运装置吊至钻台，树立放置在取心工具附近合适的位置。

(3)吊绳连接内筒提环，卸开内筒卡盘，将内筒上提，缓慢靠近内筒转运装置并放进内筒收藏架中。

(4)手动泵分别连接控制液压缸夹紧动作的两个快速接口，打压12.8 MPa以上，控制液压钳收拢，将内筒固定在内筒收藏架中。

(5)将内筒转运装置吊运到场地，泄掉手动泵压力，并连接到控制液压缸的张开动作的两个快速接口，使液压钳张开。

(6)进行出心或切割内筒等操作。

(7)向内筒中充装定型树脂、蜡封[7]。

内筒切割完成后，向内筒中注入定型树脂(密闭取心密闭液[8- 9])，在不污染岩心的前提下，填充内筒的空隙，防止破碎岩心在转运过程中散开；同时，对内筒两端进行蜡封,以尽量减少地面环境对岩样特性的改变、尽可能保持岩样的原始物性,具体作法是采用保鲜膜与铝箔包裹,在表面标注采样位置信息,并用线绳绑紧,在封蜡箱里进行反复蜡封、晾干,直至完全密封之后,送至实验室继续进行分析。

4 应用情况

近年来，采用破碎地层取心工具内筒保护技术配合破碎地层保形取心技术在青海、海上等油田地区应用了12口井，取心91筒次，总进尺631.12 m，岩心总长598.62 m，平均岩心收获率94.85%(见表2)。

表2 现场应用情况表

通过使用内筒转运装置，有效避免了岩心在转运和出心过程中的二次伤害，现场应用效果显著。液压钳在使用过程中，按照推荐的压力操作，均能牢固的抓紧内筒，未对内筒造成任何影响其再次使用的损伤，借助吊车将内筒平稳的转运至场地后，配合注脂封蜡技术，有效保持了岩心的物性完整，为地质分析提供了更可靠的岩心样品。

5 认识与结论

(1)破碎地层取心工具内筒保护技术能够有效的减小岩心从钻台转运到场地时受到的伤害，在破碎地层中的取心效果尤为明显，但是，也不应仅限于破碎地层取心，其它地层的取心也都可以使用。

(2)内筒转运装置在转运过程中，一定要保持平稳，特别是在将要接触地面的时候，液压钳的压力也必须加足，防止内筒掉落。

(3)转运到钻台下切割后，配套内筒注脂封装技术，形成一套成熟完整的破碎地层取心工具内筒保护技术。

(4)现场应用证明，破碎地层取心工具内筒保护技术配套保形内筒使用，可以从钻进到出心，全过程保护岩心，使用效果更佳。