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密闭取心技术


第 4卷 第 4期 新疆石油天然气                  2008 年 12 月 Xinjiang O il & Gas

Vol 4 No. 4 . Dec. 2008

文章编号 : 1673 —2677 ( 2008 ) 04 —0046 - 05

密闭取心技术
易贵华 ,易   ,谢   ,费维新 ,居来提 明 勇
(西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院 ,新疆 克拉玛依 834000 )

摘   : 以我院自行研制 、 要 并拥有独立知识产权的 MQJ215、 DQX215 密闭取心工具为基础 ,系统 介绍了密闭取心的目的 ,密闭取心工具的工作原理 。并以克拉玛依等国内外油田的现场应用 数据为例 ,简要介绍了这两种工具的工艺技术措施及取得的实际应用效果 。    关键词 : 密闭取心 ; 工具 ; 工艺 中图分类号 : TE244        文献标识码 : A

1  概述
   油田勘探开发需要准确获得油层原始含油饱和 度和地层孔隙度等重要地质资料 ,以制定合理的勘探 开发方案。对于注水开发的老油田 ,需要检查注水效 果 ,定量分析油层的油水动态 ,水淹油层情况及水驱油 效果 ,以制定出有效的挖潜增效增产措施 ,完善开发方 案。这些都需要以岩心分析资料为依据。 常规取心获得的岩心因受到钻井液的污染 , 钻 井液中的部分固相颗粒进入岩心使地层孔隙率数 据失真 ,钻井液滤液进入岩心使地层液体矿物质成 分发生变化并造成油水饱和度数据不准 ,最终对该 岩心分析得到的资料会有较大误差 ,从而使勘探开 发方案的制定受到较大的制约 。 密闭取心是指在水基钻井液中取得的岩心基 本不受钻井液的污染 ,能真实再现地层原始地质孔 隙度 、 含油饱和度及水侵和含水率等资料 。它是通 过专用密闭取心工具和密闭液的共同作用来实现 的一种特殊钻井取心工艺 。

外筒可相对运动 。金刚石密闭取心钻头采用钻井 液只通过钻头水眼和外泄水槽循环 , 清洗冷却外唇 面的型式 ,杜绝岩心受钻井液直接冲蚀 。
2. 2   密闭取心工艺原理

取心工作开始前 ,在井口将取心工具内筒里注满 密闭液 ,内筒下端由销钉固定密封活塞 ,上端由浮动活 塞密封 ,形成密封腔。取心钻进时 ,由于钻压的作用 , 销钉被剪断 ,密封活塞上行 ,内筒密封被打开 ,之后取 心钻头接触井底 ,并迫使密封活塞完全进入内筒。此 时内筒里的密闭液开始被挤出 ,在井底形成保护区。 随着钻进 ,岩心不断形成和增长 ,推着活塞不断上行。 由于内筒上端是密封的 ,故筒内密闭液只能被进入内 筒的岩心所挤压 ,且只能从内筒环空间隙等体积向外 排出 ,排出的密闭液立即涂抹在岩心柱表面形成保护 膜。同时在井底岩心柱周围形成一定范围的保护区 , 钻井液只通过钻头水眼和外泄水槽循环 ,在携带岩屑 和清洗冷却外唇面 ,使保护岩心免遭钻井液污染的目 的得以实现。
2. 3   密闭取心和松散地层取心存在的技术难题 2. 3. 1   密闭取心的技术难题 ( 1 )保持内筒内部压力与井筒间压力的平衡 ,

2  工作原理
2. 1   密闭取心工具

密闭取心工具主要由安全接头 、 外筒 、 悬挂结 构、 内筒和取心钻头组成 。采用双筒单动结构 ,内 、
收稿日期 : 2008 - 07 - 12      改回日期 : 2008 - 11 - 15

确保下钻时内筒内密闭液不被污染 、 提钻时不因内 筒内岩心间的气体压力无处释放而顶掉岩心 。
( 2 )在确保内外筒间密封不使密闭液在钻进时

作者简介 : 易贵华 ( 1963 - ) ,男 ,西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院工艺四所副主任 ,学士 ,高级工程师 。

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易贵华等 : 密闭取心技术

被污染的同时 , 保证内筒无周向运动 , 提高取心收 获率和岩心成形率 。
2. 3. 2   松散地层取心的技术难题

真 。而岩心成形性的好坏与岩心承载能力成正比 , 影响岩心柱承载能力的因素多种多样 。其中 ,岩心 柱的截面积是最重要的因素之一 。 根据材料力学的材料屈服强度 : σ = P / F ( kgf /mm2 ) 由 ( 1 )转换得
P =σ?F ( kgf) ( 2)
2

松散地层是指胶结性差 、 易破碎 、 易水化 、 高含 水等地层的统称 , 在这些地层取心往往难度大 、 复 杂程度高 ,不易得到理想的效果 , 造成以上结果的 主要原因是由于 :
( 1 )地层胶结物强度低 ,岩心不易成形 ,难以进

( 1)

其中 :σ— 屈服强度 , ( kgf /mm )
P— 应力 , ( kgf)
2 F— 材料截面积 , (mm )

入取心工具 ;
( 2 )当岩心胶结物具有较强水敏性时 , 在水基

钻井液冲蚀下 ,岩心承载能力降低 , 易坍塌破碎 , 造 成堵心 、 磨心现象的发生 ,影响取心技术指标 ;
( 3 )在胶结松散 、 不均质含砾砂砾岩取心过程

结论 : 当某材料的屈服强度一定时 , 其承载能 力与截面积成正比 。 因此我院取心工具设计时重点放在 : 在取心工 具外径一定的条件下 , 如何获得最大尺寸的岩心 , 通过材料和设计优化 ,最终松散地层取心工具的岩 心截面积比常规取心增加了 46. 6% 。
( 4 )在松散地层尽量采用密闭取心进行作业 ,

中 ,取心钻头和工具振动易造成岩心断裂 、 破碎 ;
( 4 )岩心的出筒过程中 , 由于岩心柱受力状态

发生变化 ,岩心易坍塌破碎 , 减小了岩心地质分析 的选样范围 ,降低了地质资料的准确性 。

3  取心工具及钻头特点
我院在新疆油田进行了二十多年常规和密闭 取心新工艺 、 新技术推广应用 , 掌握了大量取心现 场应用经验和新疆油田地层胶结特性的资料 ,根据 密闭取心存在的技术难题 、 工艺的特点和油田地层 状况 ,研究设计出适用于松散地层的 DQJ215 型大 直径玻璃钢内筒密闭取心工具 、 适用于深井和中深 井中硬 - - 硬地层密闭取心的 MQJ215B 型密闭取 心工具和与之相配套的系列金刚石密闭取心钻头 , 研究制定了与取心工具工作机理 、 钻头特性 、 地层 特点相适应的密闭取心工艺技术 。通过推广应用 , 这两种工具均获得很高的取心收获率 、 岩心密闭率 和岩心完整率 ,满足了地质要求 。 为解决密闭取心和松散地层取心存在的技术 难度 ,我院在工具设计和技术措施上采取了以下方 法解决了问题 :
( 1 )采用浮动活塞保持内筒内部压力与井筒间

以减少钻井液冲蚀对岩心柱强度的影响 。
( 5 )采用低钻压 ( 2 - 6 t) 、 低排量 ( 16 - 18 l) 和

适当转速 ( 40 - 50 rpm ) 等技术措施来减少工具振 动 ,保证岩心收获率和成形率 。
( 6 )应用玻璃钢内筒 , 排除出筒对岩心成形率

的影响 。
3. 1  DQJ215 型大直径玻璃钢内筒密闭取心工具

在疏松破碎地层取心 ,由于地层胶结性差 ,易造成 堵心 ,影响岩心收获率 ,并由于岩心柱不易成形 ,难以 对岩心取样分析。该型取心工具由于提高了岩心柱本 身的强度 ,适用于松散破碎地层取心 ,在保证密闭率的 前提下 ,可提高岩心成形率与收获率。
3. 1. 1   工具的结构

工具由上接头 、 浮动活塞 、 外筒 、 玻璃钢内筒 、 密闭头和取心钻头等组成 (详见图 1 ) 。
3. 1. 2   工具的特点 ( 1 )获取的岩心直径大 ,强度高 ,易成形 。 ( 2 )内筒内壁光滑 ,摩擦系数小 ,降低岩心入筒

压力的平衡
( 2 )用异型密封圈组成动密封 , 密封内筒与外

阻力 ,降低了卡心和堵心出现的频率 , 可以提高岩 心成形性 、 收获率和单筒进尺 。
( 3 )岩心不出筒 ,切割内筒选样 ,减少对松散岩

筒并保证内筒无周向运动 。
( 3 )松散地层胶结强度差 , 在目前的取心中很

心的扰动 ,避免疏松岩心因出筒而破碎 , 导致无法 选样的问题 。现场容易切割 ,并没有火花危险 。
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难改变也不应改变 , 如改变将造成地质资料的失

新疆石油天然气                    

2008 年

  1. 上接头 ; 2. 轴承套 ; 3. 挡环 ; 4. 轴承盘 ; 5. 分流接头 ; 6. 浮动活塞 ; 7. 外筒 ; 8. 球座 ; 9. 垫片 ; 10. 转换接头 ; 11. 内筒 ; 12.
外筒短节 ; 13. 取芯钻头 ; 14. 爪套接头 ; 15. 密闭体 ; 16. 密封环 ; 17. 销钉 ; 18. 岩芯爪 ; 19. 爪套 ; 20. 密封圈 ; 21. 活塞头

图 1  工具结构    ( 4 )重量轻 ,易于搬运 。
( 5 )耐腐蚀 ,不受钻井液中处理剂的影响 。 3. 1. 2   工具的技术参数 ( 2 )压力补偿结构可平衡内筒内外液柱压差 ,

平衡在钻进过程中因堵心造成的内部压力升高 ,改 善密闭头的受力状况 ,有利于深井密闭取心时保证 岩心密闭率和取心收获率 。
( 3 )提钻自锁割心的岩心爪 , 简化了工具结构

适用井眼 : ≥Ф 215. 9mm 岩心直径 : ≤Ф 115mm 工具总长 : 6100mm φ 外筒 :φ190 × 154 × 5000mm φ 内筒 :φ140 × 125 × 5050mm 工具内筒调节范围 : ± 20mm 钻头内径与岩心爪内径差值范围 : 2 —3mm 爪套与钻头内腔台阶轴向间隙 : 8 —15mm 可取岩心长度 : ≤5000mm 可灌密闭液容量 : 约 80 l 上端扣型 : AP I410
3. 2  MQJ215B 型密闭取心工具 3. 2. 1   工具的结构

和割心操作 , 适合深井硬地层的取心 , 并且工作可 靠 ,使用范围广 。同时高耐磨性的岩心爪 , 避免了 在深井硬地层取心钻进时间长 ,岩心爪与爪套摩擦 时间长 ,从而使其失去弹性无法工作的问题出现 。
3. 2. 3   工具的技术参数

总长 : 9700mm Φ 外筒 :Φ 178 × 144 × 8100mm Φ 内筒 :Φ 127 × 112 × 8050mm Φ 钻头 :Φ 214 × 98 × 380mm 岩心爪内径 :Φ 95mm 可取岩心长度 : ≤8000mm 工具内筒调节范围 : ± 20mm 钻头内径与岩心爪内径差值范围 : 2 —3mm 爪套与钻头内腔台阶轴向间隙 : 8 —15mm 可灌密闭液容量 : 约 100 l 上端扣型 : AP I410
3. 3   密闭取心钻头

工具由安全接头、 外筒接头、 悬挂轴承、 浮动活塞、 外筒、 内筒、 密闭头和取心钻头组成 (详见图 2) 。
3. 2. 2   工具的特点 ( 1 )大螺距安全接头具有承载大 ,耐磨损 ,上卸

扣速度快 ,出心方便省时等特点 , 其关键是卸扣扭 拒只有上扣扭拒的 60% ,特别适用于深井取心作业 时一旦发生卡钻 , 可方便的从安全接头倒扣 , 提出 工具的内筒组合及已钻取的岩心 ,为下步处理卡钻 事故简化了井下落鱼结构 。
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目前我院系列密闭取心钻头 ,采用人造金刚石 聚晶作切削齿 , 根据密闭取心工具的结构特点 、 取 心工艺原理和各类不同地层的特性而设计的特殊

第 4 卷第 4 期      

易贵华等 : 密闭取心技术

  1. 安全接头 ; 2. 外筒接头 ; 3. 轴承心轴 ; 4. 轴承 ; 5. 轴承座 ; 6. 分流接头 ; 7. 压帽 ; 8. 卡片 ; 9. 钢球 ; 10. 球座 ; 11. 活塞杆 ;
12. 活塞 ; 13. 外筒 ; 14. 内筒 ; 15. 外筒短节 ; 16. 爪套短节 ; 17. 密闭体 ; 18. 密闭环 ; 19. 销钉 ; 20. 爪套 ; 21. 岩心爪 ; 22. 钻头 ; 23.

密闭头

图 2  MQJ215B 型密闭取心工具结构 密闭取心钻头 。 密闭取心钻头的特点 : 钻头内径和内唇面无钻 井液清洗 ; 钻井液只清洗冷却外唇面 ; 增强型等磨 损布齿 。 因密闭取心工艺要求杜绝钻井液失水污染岩 心 ,钻头内径和内唇面无钻井液清洗 , 只靠取心工 具内筒挤出的密闭液冷却金刚石切削齿和携带岩 屑 ,钻井液只通过水眼和外泄水槽循环 , 清洗冷却 外唇面 。外泄水槽内缘只能开到园弧顶点附近 , 杜 绝钻井液紊流污染岩心 。 切削齿布齿方式采用增强内唇面的等磨损布 齿 ,减少内唇面切削齿因无钻井液清洗冷却造成的 提前烧损 。即 : 同时使所有切削齿保持基本相同的 磨损速度 ,从而使整个钻头达到等磨损 , 增加钻头 效率 。 大于 3000m ,密闭取心进尺 : 269. 96m , 平均收获率 达 96. 7% ,密闭率 96. 5% , 解决了中深井密闭取心 难这一大难题 。 4. 2   水淹层密闭取心 二区的 ES2004 井和 ES2007 井是国家级课题 “ 三元复合驱采油 ” 先期试验区的两口资料井 ,为保 证项目的后续研究能顺利进行 ,我院针对取心目的 层的胶结情况 ,选用 MQJ215 密闭取心工具与钻头 , 制订出了针对性的取心工艺技术措施 ,终于使这两 口井取得的技术指标 ,岩心收获率、 密闭率和成形率 均达到 95%以上 ,同区块常规取心收获率仅 30% ,比 国内其它油田同类区块技术指标高出 10 个百分点 以上 ,为证明本技术领先于国内其它油田 。 哈萨克斯坦肯吉亚克油田已有三十多年的注 水开发历史 , 因种种原因 , 已多年未在该区进行油 层地质资料的采集工作 ,我国于九十年代获得该油 田的开发权益后 , 在该油田的 CKB6101、 CKB6102 和 CKB6109 井进行了水淹层大直径玻璃钢内筒密 闭取心 ,我院技术人员根据所取地层的情况制定了 符合实际的现场施工方案与工艺技术措施 ,在 251.
44m 的取心中 , 取出了 221. 61m 密闭成型岩心 , 取

4  密闭取心技术在油田上的应用
为检查区块油层水淹特征 、 水洗状况 、 剩余油 分布问题和核算区块的含油面积 、 地质储量等所需 要的原始依据 ,密闭取心技术在新疆油田等 200 余 口井进行现场应用 ,并取得了较好的技术指标 。 4. 1   深井密闭取心 用 MQJ215 密闭取心工具在石西油田的石 007 井 ,玛湖 的 M006 井 , 八 区 85095 井 , 小 拐 油 田 的 GD1155 井 ,塔里木油田的 FZ4 - 6 - 14 井 , 井深均

心收获率达到 88. 2% ,为该油田的后期开发方案制 定 ,提供了准确的地层数据 ; 而同地区常规取心的 收获率不到 40% (水淹层取心岩心照片见附图 1、 附图 2、 附图 3 ) 。
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2008 年

4. 3   松散地层密闭取心

九二年在新疆油田九区稠油热采注蒸汽驱动 和蒸汽吞吐的检 279 井和检 280 井进行了密闭取 心 ,总进尺为 75. 34m ,实取 70. 24m , 平均收获率为
93% ,平均密闭率为 95% 。这两口井是国内首次在 蒸汽驱油 、 蒸汽吞吐层密闭取心并获得成功 。 新疆油田九区 、 百重七 、 四区 、 克浅十等油区为 稠油油藏 ,由于长期注汽驱油和吞吐开采 , 剩余含 油已不多 , 地层的胶结强度下降 , 岩心不易成柱 。

同类区块常规取心收获率低于 50% , 因岩心不成 形 ,无法选样 。 在吐哈油田的雁木西地区 ,用常规取心工艺进 行取心作业 , 取心收获率仅能达到 20%左右 , 油田 管理部门无法依据这些残缺不全的数据来制定开 发方案 ,我院接到施工委托后 , 针对该地区地层胶 结特点 , 完成了该地区大直径玻璃钢内筒取心设 计 ,在雁 301、 630 等三口井取心 256. 29m , 取心 雁 收获率达到 89. 8% ,岩心完整率达到 95%以上 , 为 该区块的开发提供了较完整的地质数据 (松散地层 取心岩心照片见附图四 、 附图五 、 附图六 ) 。

针对这些特征 , 制定了密闭取心工艺方案措施 , 共 取心 100 余井次 , 平均收获 率为 95. 9% , 密闭 率 98. 7%的好成绩 , 在现场出筒的岩心柱基本成形 ;

4. 4   定向井密闭取心 GD1155 井是小拐油田的欠平衡定向井 , 是该

论是浅井还是深井 , 是注水开发老区还是开发新 区 ,是松散地层还是硬地层 , 都有与其相对的密闭 取心工具 、 密闭取心钻头和密闭取心配套工艺技术 措施 ,并有一支由专业技术人员组成 , 经过多年锻 炼、 富有经验的取芯服务队伍 , 能够保证达到设计 方案要求的技术指标 , 取全取准地质资料 , 为勘探 开发方案的制定提供可靠的科学依据 。 参考文献 :
[ 1 ]蒙光荣 ,杨树林 , 著 . MQJ215 型密闭取心工具与工艺研

区的重点资料井 。本工具在井斜 45 ° 的井段取得了 收获率 99. 55% ,密闭率 100%的优秀指标 ,证明本 工具结构也适用于定向井的取心作业 。

5  结论与认识
5. 1   经过十多年的研究与应用 , 我院密闭取心技

术已在哈国肯吉亚克油田 、 吐哈盆地 、 塔里木油田 和新疆油田的 200 余口井进行了 5000 余米取心现 场应用 , 岩心收获率和密闭率均达到 90%以上 , 取 得了良好的技术指标 ,为油田开发方案的制定提供 可靠的地质资料 。
5. 2   目前我院的密闭取心工具已形成系列化 , 无 50

究 [ R ]. 成果报告 , 1994.
[ 2 ]易贵华 、 解宝江 , 著 . 三元复后驱水淹层钻井工艺技术 [ R ]. 成果报告 , 1995. [ 3 ]王平现 、 苏涛 ,著 . 破碎地层取心工具与工艺研究 [ R ].

成果报告 , 2002.


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