中原液壓多功能取心工具

中原鉆井管具工程處管具技術(shù)研究所1.在油氣田的勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了解儲(chǔ)層構(gòu)造參數(shù)，全面掌握地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性及多樣性，以便制定出經(jīng)濟(jì)合理的勘探開(kāi)發(fā)力案，需要進(jìn)行取心作業(yè)。中原鉆井管具工程處自行研制開(kāi)發(fā)了適合破碎地層、松散地層、斜井中使用的取心工具——液壓多功能取心工具。2.1、任務(wù)來(lái)源2009年江蘇項(xiàng)目組多次提到鉆井四公司江蘇項(xiàng)目組取心任務(wù)較重，取心收獲率較低。2010年3月針對(duì)鉆井四公司江蘇項(xiàng)目組的這一提議，鉆井管具工程處安排管具研究所設(shè)計(jì)出適合的取心工具。2、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在長(zhǎng)期的鉆井取心實(shí)踐過(guò)程中，取心技術(shù)在我國(guó)取得蓬勃地發(fā)展。簡(jiǎn)單單一適應(yīng)性較小的單筒取心工具已被結(jié)構(gòu)相對(duì)合理適應(yīng)性廣闊的雙筒取心工具所替代。隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的需要，新型取心工具、新的取心方法、特殊取心技術(shù)得到了迅速地發(fā)展和改進(jìn)。另一方面，由于每年的取心任務(wù)有限，以及巖心要求不一致，管具公司只配有常規(guī)地層的常用取心工具，可以滿足常規(guī)取心工具的需求，而對(duì)于非常規(guī)的取心，都是由專(zhuān)業(yè)的取心隊(duì)伍完成，沒(méi)有儲(chǔ)備非常規(guī)取心工具。當(dāng)鉆井公司需要時(shí)，往往難以滿足鉆井取心的需求。一、研究的目的和意義3.二、松散地層取心存在的問(wèn)題

1、松散地層取心面臨的問(wèn)題松散地層取心是指在比較松散、膠結(jié)性差、易破碎、易水化、高含水等地層取心的統(tǒng)稱(chēng)，在這些地層取心往往難度大、復(fù)雜程度高，不易得到理想的取心效果，造成以上結(jié)果原因是由于：地層膠結(jié)物強(qiáng)度低，巖心不易形成，難以進(jìn)入取心工具；當(dāng)巖心膠結(jié)物具有較強(qiáng)水敏性時(shí)，在水基鉆井液沖蝕下，巖心承載能力降低，易坍塌破碎、造成堵心、磨心現(xiàn)象的發(fā)生，影響取心技術(shù)指標(biāo)；在膠結(jié)松散、不均質(zhì)含礫砂礫石取心過(guò)程中，取心工具振動(dòng)易造成巖心斷裂、破碎；巖心的出筒過(guò)程中，由于巖心柱受力狀態(tài)發(fā)生變化，巖心易坍塌破碎，巖心成形率低，無(wú)法選樣。4.2、常規(guī)取心工具的局限性現(xiàn)階段常規(guī)取心的各項(xiàng)技術(shù)已較為成熟，目前在國(guó)內(nèi)普遍使用的常規(guī)取心工具，在地層膠結(jié)性好易于成形的地層取心，能夠滿足取心技術(shù)指標(biāo)和巖心質(zhì)量的要求，但在膠結(jié)強(qiáng)度低、巖心承載能力差的地層取心，很難達(dá)到理想的效果，這是常規(guī)取心工具本身結(jié)構(gòu)造成的工具本身結(jié)構(gòu)造成工具使用的局限性，主要是因?yàn)椋?）常規(guī)取心工具鉆井液通過(guò)取心鉆頭內(nèi)腔冷卻取心鉆頭和攜帶巖屑，同時(shí)也造成對(duì)巖心的沖蝕，松散地層巖心本身比較松散，膠結(jié)性差、易破碎。巖心極易被鉆井液沖刷帶走或是使巖心直徑變小造成抽心和丟心現(xiàn)象的發(fā)生；2）巖心直接與鉆井液接觸，使巖心膠結(jié)物部分水化而降低巖心柱的承載能力；3）巖心爪不能承托巖心，導(dǎo)致內(nèi)筒內(nèi)的巖心落井。5.三、取心工具研發(fā)思路影響松散地層取心收獲率和成形率等技術(shù)指標(biāo)的因素多種多樣，主要有以下幾種：取心鉆井期間，取心鉆頭和取心工具的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，對(duì)所取巖心的破壞作用；鉆井液對(duì)巖心的沖蝕作用；巖心入筒阻力的影響；巖心承載能力的影響；提鉆時(shí)巖心滑脫的問(wèn)題；巖心出筒時(shí)，因巖心受力狀態(tài)變化，造成巖心破碎。6.提高取心工具工作的穩(wěn)定性實(shí)際鉆井過(guò)程中，絕對(duì)垂直的井眼幾乎是沒(méi)有的，另外取心時(shí)工具內(nèi)、外筒所承受壓力也是不同的，這都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外筒在取心期間不在同一軸線上。當(dāng)取心工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)外筒的摩擦阻力就會(huì)大大增加，使其常常會(huì)超過(guò)內(nèi)筒與巖心柱間的摩擦阻力，致使內(nèi)筒開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)巖心的作用力，嚴(yán)重時(shí)致使巖心破碎，影響取心成形率等技術(shù)指標(biāo)。因此，保證內(nèi)筒工作穩(wěn)定，改善巖心在內(nèi)筒的受力，可提高巖心的成形性，有利于提高取心技術(shù)指標(biāo)。7.減少鉆井液對(duì)巖心沖蝕常規(guī)取心工藝中，鉆井液通過(guò)取心鉆頭內(nèi)腔和內(nèi)唇面，清洗、攜帶鉆頭內(nèi)唇面切削的巖屑，冷卻鉆頭金剛石切削元件，但鉆井液液流也會(huì)沖蝕巖心，造成取心技術(shù)指標(biāo)低和巖心污染嚴(yán)重的問(wèn)題，因此針對(duì)松散地層取心鉆頭的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要設(shè)計(jì)采用減少鉆井液對(duì)巖心沖蝕的結(jié)構(gòu)，將所取巖心與鉆井液隔離開(kāi)來(lái)，從而達(dá)到完全避免鉆井液對(duì)巖心的侵害，如在新疆油田已推廣應(yīng)用的密閉取心技術(shù)就是采用這一技術(shù)原理。8.減少巖心入筒阻力常規(guī)取心工具內(nèi)筒采用的是高強(qiáng)度的厚壁管材，內(nèi)腔表面比較粗糙，同時(shí)內(nèi)筒組合部件的連接使進(jìn)心管柱成多級(jí)臺(tái)階，這會(huì)造成巖心進(jìn)入內(nèi)筒通道的摩擦阻力一般較高。當(dāng)其磨擦阻力大于巖心承載能力時(shí)，將會(huì)壓碎巖心，造成入筒的巖心難以成形。因此，降低巖心入筒阻力，也是取心工具設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。9.提高巖心承載能力取心時(shí)，巖心成形性的好壞與巖心承載能力成正比，而影響巖心柱承載能力的因素多種多樣。其中，巖心柱的截面積是最重要的因素之一。因此在取心工具外徑一定的條件下，如何獲得最大尺寸的巖心，是取心工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必采購(gòu)考慮的問(wèn)題；另一方面，也可在取心時(shí)，對(duì)巖心旋加一個(gè)額外的附加包裹力，在巖心膠結(jié)強(qiáng)度一定的情況下，增大巖心的承載能力。也是一種可行的解決方案。10.解決松散地層漏心問(wèn)題針對(duì)自鎖式常規(guī)取心工具在松散破碎地層取心時(shí)易出現(xiàn)掉心的問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用卡箍、液壓加壓式巖心爪雙級(jí)巖心爪割心方式，來(lái)解決這一問(wèn)題。在巖心成形性較好的地層割心時(shí)，靠自身結(jié)構(gòu)使卡箍式巖心爪收縮自鎖，卡緊并撥斷巖心，卡箍式巖心爪不起作用，在巖心成形差的地層取心時(shí)，由于液壓加壓式巖心爪在割心時(shí)，加壓收縮為零封堵巖心端口，因而可擋住掉落的巖心，從而保證取主技術(shù)指標(biāo)。11.減少出筒巖心受損常規(guī)取心工藝，在巖心出筒時(shí)，由于巖心柱受力狀態(tài)發(fā)生變化，以及外力的影響，松散地層的巖心因膠結(jié)強(qiáng)度低，極易破碎，這就會(huì)減小巖樣的選擇范圍，降低地質(zhì)資料的完整性。為解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員，在取心工具的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮彩特殊的巖心保護(hù)技術(shù)，來(lái)減少巖心柱受力狀態(tài)的變化，以及出心操作對(duì)巖心的擾動(dòng)，從而達(dá)到解決出筒巖心受損的目的。12.四、液壓多功能取心工具

結(jié)構(gòu)原理1、取心工具結(jié)構(gòu)取心工具為雙筒雙動(dòng)工具，適用于單筒取心。其結(jié)構(gòu)為：外筒組：取心鉆頭＋外巖心筒＋液壓接頭＋鉆鋌內(nèi)筒組：加壓巖心爪+卡箍式巖心爪＋短節(jié)＋內(nèi)巖心筒＋懸掛接頭+調(diào)節(jié)器+取心檢測(cè)接頭+分水接頭＋液壓承壓座+銷(xiāo)釘懸掛13.液壓式取心工具示意圖

14.2、取心工具工作原理取心鉆頭環(huán)形破碎巖石形成巖心柱，巖心進(jìn)入內(nèi)筒得到保護(hù)，內(nèi)筒在懸掛軸承的作用下，以及泥漿的阻力作用下不會(huì)與外筒一起旋轉(zhuǎn)，會(huì)保持禁止不動(dòng)的狀態(tài)，有效的保護(hù)了巖心，當(dāng)完成取心進(jìn)尺后，停止取心鉆進(jìn)，從立管絲堵處投球，用泵送的方式把鋼球送到取心工具球座上，當(dāng)鋼球到達(dá)球座后，泵壓升高。繼續(xù)緩慢開(kāi)泵，直到懸掛銷(xiāo)釘被剪斷，內(nèi)筒下行，內(nèi)筒上的液壓加壓式巖心爪在上推力的作用下沿鉆頭內(nèi)斜面向中心收縮，在割斷巖心后，巖心爪繼續(xù)收縮，直到巖心爪封閉。當(dāng)內(nèi)筒下降過(guò)程中，泵壓下降，說(shuō)明下行行程完成，即可起個(gè)鉆。工具的外筒采用上下穩(wěn)定器，可保證井眼穩(wěn)定：內(nèi)筒采用上下兩點(diǎn)扶正，從而使巖心筒在傾斜大的條件下，無(wú)論外筒怎樣傾斜，內(nèi)筒都能處于外筒中心，不隨外筒旋轉(zhuǎn)，這樣有效地保護(hù)了巖心，保證了取心筒的正常工作。15.3、割心原理當(dāng)取心過(guò)程完成后，從立管處投入一個(gè)?36鋼球，當(dāng)鋼球到達(dá)位置后，泵壓上升，直到剪斷內(nèi)筒懸掛銷(xiāo)釘，內(nèi)筒繼續(xù)下行，一把抓巖心爪在內(nèi)筒下行力的作用下，巖心爪向巖心柱中心收縮，直至割斷巖心，并承托巖心柱，完成割心任務(wù)。16.五、液壓取心工具特點(diǎn)與機(jī)械式加壓取心工具一致，適用于松散泥沙、油砂地層取心。不同的是第一投球前為清洗內(nèi)筒，投球后，內(nèi)筒內(nèi)不再成為鉆井液通道。當(dāng)取心工作完成后，投第二球，關(guān)閉鉆井液通道，形成高壓，液壓活塞受壓剪斷銷(xiāo)釘下行，迫使內(nèi)筒下行，巖心爪受力并向中心收縮，直至包住巖心。另一個(gè)特點(diǎn)是，取心過(guò)程中，地面可以隨時(shí)檢測(cè)到來(lái)至井下的取心進(jìn)展信息，當(dāng)取心受阻，地面泵壓升高等現(xiàn)象，有助于提高取心收獲率。17.1、示壓報(bào)警取心技術(shù)在疏松及破碎地層取心經(jīng)常遇到的問(wèn)題是堵心或卡心。這是因?yàn)樵谑杷傻貙永锶⌒?，巖心松散、成柱性差，碎巖心在巖心筒內(nèi)堆積，尤其是巖心筒的不平表面或不完整表面最易堆積和堵心。地層松軟，堵心后的機(jī)械鉆速變化很小，不易被取心技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，容易造成資料丟失。在破碎地層取心時(shí)經(jīng)常遇到的問(wèn)題是卡心，這是因?yàn)槠扑榈貙拥膸r心以碎或裂著稱(chēng)，碎巖心容易塞入巖心柱和巖心筒內(nèi)壁之間，在取心鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆具的晃動(dòng)加速了碎巖心的塞入，當(dāng)堵塞阻力大于巖心柱的抗壓力，巖心破碎，不能繼續(xù)進(jìn)入巖心筒，使取心作業(yè)失敗。若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)容易磨心，使資料丟失。18.2、鋼球無(wú)彈夾懸掛取心技術(shù)長(zhǎng)期使用以來(lái)，常規(guī)取心工具采用有彈夾懸掛總承，但軸承夾產(chǎn)生的鐵屑易掉在軌道上造成軸承卡死。為了克服這一弱點(diǎn)，研制了新的大彈子，無(wú)彈夾轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，使用壽命長(zhǎng)的鋼球懸掛結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要有懸掛接頭、鋼球、鋼球跑道、懸掛座、并帽和銷(xiāo)釘組成，內(nèi)筒重量作用在懸掛鋼球上，始終保持靈活但不會(huì)造成卡死等現(xiàn)象。19.3、全封閉取心技術(shù)所謂全封閉巖心爪就是巖心爪收縮后各爪緊靠在一起，中間不