機械加壓復(fù)合式密閉取芯工具的研制

劉春來

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

取芯是油田勘探開發(fā)中應(yīng)用最普遍的儲藏評估手段之一[1]。但是常規(guī)的取芯技術(shù)只適用于發(fā)育良好的地層，而對于松散以及破碎性地層來說，取芯收獲率低，達不到儲量評估的要求。國內(nèi)外針對復(fù)雜地層的特點開展了一系列取芯技術(shù)研究，研制出各種型號的破碎地層專用工具，其原理都是通過加壓的方式使巖芯爪收攏變形并切斷巖芯。此種方式一定程度上改善了破碎地層取芯的效果[2]，但仍存在以下問題沒有解決：（1）堵芯以及由此帶來磨芯的風險；（2）軟硬交替多變地層不適用；（3）鉆井液污染巖芯的問題。通過對大慶油田中淺地層進行研究發(fā)現(xiàn)，其特點是巖性多變，軟硬交錯，因此有必要研制一種復(fù)合式密閉取芯工具，以解決上述問題。

復(fù)合式取芯工具涉及加壓結(jié)構(gòu)，而目前常見加壓式取芯工具大多采用的是液壓方式，即向井下投球，然后利用泥漿泵壓力使巖芯爪壓攏閉合以剪切巖芯。往往這個壓力遠高于常規(guī)鉆井循環(huán)壓力，持續(xù)憋壓的過程風險較大，而且局限于地層硬度。地層偏硬，設(shè)計允許最高泵壓不足以將巖芯剪斷，導(dǎo)致割芯失敗。而機械加壓的方式具有以下優(yōu)點：①施壓平穩(wěn)、可控，安全性高；②對鉆井設(shè)備要求低；③結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)場組裝方便。所以機械式加壓的方式是更合適的選擇。

綜上所述，有必要研制一種機械加壓復(fù)合式密閉取芯工具，解決松散、軟硬交替變化、泥砂膠結(jié)不良等復(fù)雜地層取芯難題。

1 復(fù)合式密閉取芯工具設(shè)計

1.1 工具結(jié)構(gòu)

復(fù)合式密閉取芯工具采用機械加壓的方式以及復(fù)合式巖芯爪結(jié)構(gòu)設(shè)計，由加壓總成、內(nèi)外筒、懸掛機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)總成、襯管、復(fù)合式巖芯爪和密封活塞組成，如圖1所示。

工具主要參數(shù)見表1。

圖1 取芯工具結(jié)構(gòu)圖

表1 工具參數(shù)

1.2 工作原理

工具下至井底做好取芯準備后，加壓剪斷密封活塞的銷釘，然后開始取芯鉆進，巖芯進入內(nèi)筒。取芯結(jié)束后停泵，首先試用自鎖的方式進行割芯，緩慢上提鉆具時觀察指重表懸重變化情況。如果懸重明顯增漲，則說明自鎖式巖芯爪已經(jīng)抱緊巖芯，可以繼續(xù)上提鉆具直至拔斷巖芯；如果上提鉆具過程中懸重沒有變化，則必須采用加壓的方式再次割心。下放鉆具至鉆頭接觸井底后，開泵并逐漸提升鉆井液排量至35L/s時，緩慢上提鉆具0.3～0.5m，此時工具的六方桿脫開，然后停泵，再次下放鉆具至鉆頭接觸井底，鉆具重量通過六方桿作用到加壓接頭，剪斷懸掛機構(gòu)的銷釘后繼續(xù)作用到內(nèi)筒以及加壓式巖芯爪上，逐漸加大鉆壓直至巖芯爪變形剪斷巖芯。具體施壓大小根據(jù)地層軟硬情況確定。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 加壓總成

本工具所設(shè)計加壓總成最大特點是采用液控式脫開的方式,免去常用的投球方式，操作更為安全，且方便現(xiàn)場作業(yè)。加壓總成如圖2所示。

圖2 加壓總成

加壓總成的六方桿通過滑塊與工具本體鎖定，為取芯鉆進傳遞扭矩和鉆壓。取芯結(jié)束后，提升鉆井液排量達到設(shè)計脫開壓力時，滑套克服彈簧力下行，滑塊解鎖后六方桿脫開。停泵后，滑套在彈簧力的作用下復(fù)原，引導(dǎo)滑塊復(fù)位并再次鎖定。此時下放鉆具，壓力通過六方桿作用在滑塊上，繼而向下傳遞至懸掛機構(gòu)。

1.3.2 懸掛機構(gòu)

懸掛機構(gòu)有2方面作用，一是懸掛內(nèi)筒，二是承擔割芯拉力。相比更常見的銷釘懸掛的方式，塊懸掛能夠承受更大的拉力，這樣設(shè)計的目的在于優(yōu)先選擇自鎖式割芯，因為自鎖式割芯的效果更容易判斷和確認。懸掛機構(gòu)如圖3所示。

通過懸重增加的情況可以判斷并確認自鎖式割芯的效果，如果效果不好，則啟用加壓機構(gòu)施壓，剪斷銷釘后，支撐套下行，懸掛塊受力并滑入支撐套的凹槽中，內(nèi)筒脫開后將壓力傳遞給加壓式巖芯爪，巖芯爪沿鉆頭內(nèi)錐面收攏變形并將巖芯剪斷。

1.3.3 襯管

圖3 懸掛機構(gòu)

襯管的作用是降低巖芯進入內(nèi)筒的阻力，降低堵芯風險，并保持巖芯良好柱狀形態(tài)和原位次序[3]，防止出芯時巖芯因破碎而散落或丟失，實現(xiàn)巖芯完全、有序收集。常見襯管主要有PVC管、玻璃鋼管和不銹鋼管，綜合對比3種材質(zhì)摩擦系數(shù)和強度，由表2可以看出，玻璃鋼作為襯管材質(zhì)更為適宜。

表2 襯管材質(zhì)摩擦系數(shù)

1.3.4 復(fù)合式巖芯爪

硬脆地層巖芯抗剪切強度高，加壓式巖芯爪強度不足以將巖芯剪斷；自鎖式巖芯爪自然狀態(tài)下的尺寸大于松散地層、軟泥巖地層巖芯損害后的直徑，無法實現(xiàn)自鎖，更不可能用于破碎地層。復(fù)合式巖芯爪具有加壓式巖芯爪和自鎖式巖芯爪雙重作用[4]，因此該工具兼有加壓式工具和自鎖式工具的特點，結(jié)構(gòu)如圖4所示。實際應(yīng)用中宜首先嘗試自鎖式割心的效果，若效果明顯則可以直接起鉆；若效果不好，則可以通過加壓總成施壓致使加壓式巖芯爪收口變形而將巖芯剪斷。加壓式巖芯爪完全變形后口徑40mm，幾乎完全封閉內(nèi)筒下端，防止起鉆過程中破碎的巖芯掉落。

1.3.5 密封活塞

密閉液不但能保護巖芯免受鉆井液污染，提高含油飽和度評估精確度，而且針對水淹層可以有效抑制泥巖水化，加之潤滑作用，堵芯風險也隨之降低?；钊紫韧ㄟ^銷釘固定在鉆頭上，與內(nèi)筒形成密閉空間。工具下井前首先向內(nèi)筒灌注密閉液，然后將其封堵。取芯前加壓剪斷銷釘即可實施鉆進，巖芯頂推活塞進入內(nèi)筒中，密閉液全程包裹著巖芯，避免鉆井液接觸。巖芯在密閉液的保護和潤滑下，保持完整柱狀形態(tài)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

復(fù)合式取芯工具先后于某89、某93兩口井進行現(xiàn)場試驗，2口井取芯井段分別為656.09～676.45m、803.50～812.37m，其中某89井取芯段含軟泥巖、松散泥沙層和硬質(zhì)夾層,某93井取芯段則全部為軟泥巖。某89井取芯情況如表3所示。

某89井取芯井段較長，含3.4m軟泥巖，后以砂巖為主，伴硬脆泥巖夾層。第一筒取芯結(jié)束后，停泵并上提鉆具準備割芯，上提0.5m后懸重沒有變化，于是判斷自鎖式割芯失敗。于是將工具下放接觸井底，開泵逐漸提升鉆井液排量至35L/s時，上提鉆具0.4m，停泵后下放鉆具0.2m時鉆壓開始增漲，說明六方桿成功脫開，并且加壓動作準備就緒。繼續(xù)增壓至42kN時，鉆壓突然下降歸零，說明懸掛機構(gòu)的銷釘被剪斷，繼續(xù)加壓至250kN后起鉆。出芯時發(fā)現(xiàn)加壓式巖芯爪是完全閉合的狀態(tài)，軟泥巖水化后，形成1cm厚的泥態(tài)膠結(jié)物表皮，所以自鎖式巖芯爪無法抓牢。第二筒取芯結(jié)束后，停泵并上提鉆具0.3m時懸重明顯增漲，說明自鎖式巖芯爪已經(jīng)抱緊巖芯，當繼續(xù)上提至懸重82kN時，懸重突然回落，說明自鎖式割芯成功。起鉆后出芯時發(fā)現(xiàn)出露鉆頭的巖芯堅硬、完整。第三筒情況與第二筒相似，也是采取自鎖的方式完成割芯。

圖4 復(fù)合式巖芯爪

某93井取芯段全部為軟泥巖，進尺8.87m，采取加壓的方式完成割芯，芯長8.76m，收獲率達到98.8%，加壓式巖芯爪完全閉合。

3 結(jié)論及建議

（1）復(fù)合式密閉取芯工具彌補了單一型常規(guī)自鎖式取芯工具和加壓式取芯工具的不足，其針對大段軟硬交替變化、泥砂膠結(jié)不良等復(fù)雜地層取芯，復(fù)合式取芯工具更具優(yōu)勢。

（2）復(fù)合式密閉取芯工具的設(shè)計創(chuàng)新性的將密閉取芯技術(shù)拓展應(yīng)用到復(fù)雜地層取芯，同時又利用密閉取芯技術(shù)特點保證復(fù)雜地層取芯收獲率，實際應(yīng)用效果良好。

（3）根據(jù)現(xiàn)場試驗情況來看，機械加壓總成采用液控脫開式設(shè)計，方案可行，安全可靠，操作性強；復(fù)合式巖芯爪也起到了預(yù)期的作用。

參考文獻：

[1] 許俊良，宋淑玲，成偉.國外鉆井取心新技術(shù)[J].石油機械，2000，28(9)：53-57.

[2] 何超，胡畔，唐聰，等.新型加壓式取心工具研究及現(xiàn)場應(yīng)用[J].鉆采工藝，2015，38(5)：62-65.

[3]SY/T5336-2006巖心分析推薦作法[S].北京：石油工業(yè)出版社出版，2007.

[4] 向峰.雙巖芯爪取心工具的研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2016，38(4)：442-445.