破碎地層取心工具內筒保護技術研究與應用

劉 彬， 徐 文， 姚坤鵬

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2中國石油川慶鉆探工程有限公司

0 引言

隨著全國許多油田進入后期開發，地層水淹嚴重，取心時極易造成巖心坍塌破碎，此外，在雙探棲霞、磨高燈影組等層位的白云巖裂縫孔洞非常發育，巖心成柱性差，針對這些破碎地層取心，目前國內采用保形取心技術居多。該技術根據鉆井條件不同，選用鋁合金、玻璃鋼、PVC管等低摩阻材料加工內筒來降低巖心進心的阻力，優化巖心受力，達到鉆進過程中保護巖心的目的[1]。但是，在出心時缺少一套有效巖心保護方法，一般是先將內筒提環與內筒連接，再將內筒連同巖心一起轉運到場地進行出心或者切割內筒等操作，在轉運過程中，內筒沒有任何保護措施，與滑道或地面接觸時會產生比較嚴重的碰撞，對原本就破碎的巖心會產生更加不利的影響。針對這種情況，研制了一套適用于破碎地層內筒保護的轉運裝置，從減小內筒轉運過程中內筒的彎曲變形和內筒落地時的振動等方面降低對破碎巖心的人為損壞，配套保形取心技術使用，在切割完內筒后，對巖心進心注脂封蠟保護，能夠更有效地保持巖心出井狀態。

1 內筒轉運裝置研制

1.1 結構概況

破碎地層巖心保護技術使用的內筒轉運裝置，主要由內筒收藏架、液壓鉗、支撐架、手動泵、定滑輪、滾輪和液壓管線組成，其結構見圖1。該裝置通過操作手動泵控制液壓鉗將內筒固定在內筒收藏架上，阻止內筒與外界的直接接觸，同時，輔以減震滾輪和滑輪等多個防震機構，減小內筒轉運過程中的震動，以此來減小內筒轉運過程中外界因素對巖心的損傷。

圖1 內筒轉運裝置結構圖

1.2 技術參數

本文是以川7取心工具為例設計的一套適用于破碎地層的取心工具內筒保護裝置，內筒尺寸為?126 mm×?108 mm×9 200 mm，轉運裝置具體參數見表1。

表1 技術參數表

2 關鍵部件結構

2.1 內筒收藏架

內筒收藏架主要是在轉運內筒時收藏內筒用，配合定滑輪和滾輪可以更方便的移動內筒，其研究關鍵有以下幾點：

(1)內筒收藏架主要由鋼板焊接而成，其外形為工字形，剛度大，不易彎曲變形，另外還有側板、底板和擋板三部分。側板和底板組成的內腔用于存放內筒和安裝液壓缸和收藏液壓管線；擋板焊接在底部，是為了防止內筒在轉運過程中從內筒收藏架滑出。側板和擋板要承受內筒和巖心的壓力，總重量不超過300 kg，采用的是12 mm鋼板，底板不承重采用6 mm鋼板[2]，擋板表面設置一層10 mm防碰膠墊，避免內筒與擋板碰撞造成過大震動。

(2)內筒收藏架上半部裝有一組9個定滑輪(圖1)，定滑輪采用尼龍材料，內筒壓在定滑輪上，有一定的減震效果，出心時，內筒在定滑輪上滾動，受到阻力更小。

(3)內筒收藏架下半部裝有一組9個橫梁，用于擱置和固定液壓管線，防止液壓管線散開。

(4)內筒收藏架一側距離底部1 m的位置有4個快速接頭，用于連接液壓管線，分別對應2個液壓鉗的進出口。

(5)內筒收藏架兩側設計有2組4個滾輪(圖1)，一方面用于支撐整個內筒收藏架，另一方面可以便于內筒收藏架的小范圍移動；滾輪直徑為290 mm,芯部采用鋼結構，外圍包覆一圈25 mm厚的PP管，在確保強度的同時可以減小移動時造成的噪音，滾輪采用防震結構，在滾輪落地時起到緩沖減震的作用。

(6)內筒收藏架兩側設計有2組4個支撐架(圖1)，液壓鉗安裝在支撐架里面，可預防碰撞，支撐架底面距離地面有一定間隙，在內筒收藏架發生彎曲變形時，起到二次支撐的作用，防止其出現過大的彎曲變形。

(7)內筒收藏架側板上焊接了3組6個吊耳，一組吊耳設置在頂端，用于豎直吊裝；另外兩組吊耳根據收藏架和內筒的尺寸和重量，設置在側邊合理位置，用于水平吊裝的同時確保在吊裝過程中內筒收藏架不會發生彎曲變形。

2.2 液壓鉗

2.2.1 工作原理

液壓鉗的主要作用是夾緊內筒，防止內筒在轉運過程中掉出內筒收藏架，由手動泵、液壓管線、液壓缸、液壓爪、拉桿和連桿組成。

液壓鉗有4條液壓線路，由4條液壓管線組成，液壓管線兩端分別連接兩個液壓缸的進出口和內筒收藏架上的4個快速接頭，通過小卡箍固定在內筒收藏架下部的橫梁上，手動泵與快速接頭連接即可對液壓缸[3- 5]進行供油，實現液壓桿的伸縮，進而帶動拉桿上下移動，通過特殊的三連桿結構，拉桿上下移動可以使液壓爪收縮和張開動作，其工作原理如圖2所示。

圖2 液壓鉗工作原理圖

2.2.2 技術參數

液壓鉗使用的是雙作用液壓缸，液壓桿上行帶動液壓爪夾緊內筒，液壓桿下行帶動液壓爪松開內筒，缸徑50 mm，行程50 mm，液壓爪的最大開口為452 mm，完全張開后，通過計算可以得到液壓爪的夾緊力，以此來確定手動泵的工作壓力。

2.2.3 夾緊力計算

液壓鉗夾緊內筒時，其各部件位置關系見圖3，各部位受力見圖4。

圖3 液壓鉗各部件位置關系圖

圖4 受力分析圖

假設取心滿進尺，內筒和巖心長度均為9 200 mm，則內筒和巖心總重量G為300 kg，液壓爪的夾緊力按其2倍計算，則滿足以下關系[6]：

2×G×g=2×N×cos60°

(1)

取g=10 g/m2,計算得：N=6 000 N

根據受力平衡，對于液壓爪、連桿和拉桿可以得到以下關系式：

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)

計算得：T=25 086 N

液壓缸的工作壓力p應滿足以下關系：

T=p×A=p×π×502÷4

(8)

計算得：p=12.8 MPa,即液壓缸的工作壓力要大于12.8 MPa才能確保夾緊內筒，因此需準備額定工作壓力14 MPa以上的手動泵。

2.3 減震滾輪

滾輪安裝在內筒收藏架兩端，是內筒收藏架轉運過程中最先與地面接觸的部件，與地面的剛性撞擊會對內筒造成極大的震動，進而損傷巖心，其減震能力是整個內筒轉運裝置實現功能的關鍵之一。

如圖5所示，減震滾輪由滾輪、減震機構和調節螺母組成，減震機構的活塞缸通過焊接與本體相連，活塞桿穿過減震彈簧，通過螺母與滾輪軸相連。焊接前，根據內筒轉運裝置、內筒及巖心的重量，計算彈簧的受力及變形量，初步確定焊接位置，焊接后，再通過旋緊或旋松調節螺母來微調，并確保支撐架底面與地面的距離略小于彈簧理論計算變形量的最大值，在轉運裝置水平放置的時候，起到支撐防變形的作用。

圖5 減震滾輪結構示意圖

3 工藝過程

內筒轉運裝置的工藝過程是指將內筒連帶巖心從鉆臺轉移至場地上進行出心的過程，主要包括以下幾個步驟：

(1)取心鉆進完成后，將取心工具提至井口，坐好卡瓦，卸開外筒螺紋后上提內筒，用內筒卡盤將內筒卡坐在外筒上，然后卸開內筒上端連接螺紋，組裝內筒提環。

(2)吊繩連接內筒轉運裝置頂部的吊耳，將內筒轉運裝置吊至鉆臺，樹立放置在取心工具附近合適的位置。

(3)吊繩連接內筒提環，卸開內筒卡盤，將內筒上提，緩慢靠近內筒轉運裝置并放進內筒收藏架中。

(4)手動泵分別連接控制液壓缸夾緊動作的兩個快速接口，打壓12.8 MPa以上，控制液壓鉗收攏，將內筒固定在內筒收藏架中。

(5)將內筒轉運裝置吊運到場地，泄掉手動泵壓力，并連接到控制液壓缸的張開動作的兩個快速接口，使液壓鉗張開。

(6)進行出心或切割內筒等操作。

(7)向內筒中充裝定型樹脂、蠟封[7]。

內筒切割完成后，向內筒中注入定型樹脂(密閉取心密閉液[8- 9])，在不污染巖心的前提下，填充內筒的空隙，防止破碎巖心在轉運過程中散開；同時，對內筒兩端進行蠟封,以盡量減少地面環境對巖樣特性的改變、盡可能保持巖樣的原始物性,具體作法是采用保鮮膜與鋁箔包裹,在表面標注采樣位置信息,并用線繩綁緊,在封蠟箱里進行反復蠟封、晾干,直至完全密封之后,送至實驗室繼續進行分析。

4 應用情況

近年來，采用破碎地層取心工具內筒保護技術配合破碎地層保形取心技術在青海、海上等油田地區應用了12口井，取心91筒次，總進尺631.12 m，巖心總長598.62 m，平均巖心收獲率94.85%(見表2)。

表2 現場應用情況表

通過使用內筒轉運裝置，有效避免了巖心在轉運和出心過程中的二次傷害，現場應用效果顯著。液壓鉗在使用過程中，按照推薦的壓力操作，均能牢固的抓緊內筒，未對內筒造成任何影響其再次使用的損傷，借助吊車將內筒平穩的轉運至場地后，配合注脂封蠟技術，有效保持了巖心的物性完整，為地質分析提供了更可靠的巖心樣品。

5 認識與結論

(1)破碎地層取心工具內筒保護技術能夠有效的減小巖心從鉆臺轉運到場地時受到的傷害，在破碎地層中的取心效果尤為明顯，但是，也不應僅限于破碎地層取心，其它地層的取心也都可以使用。

(2)內筒轉運裝置在轉運過程中，一定要保持平穩，特別是在將要接觸地面的時候，液壓鉗的壓力也必須加足，防止內筒掉落。

(3)轉運到鉆臺下切割后，配套內筒注脂封裝技術，形成一套成熟完整的破碎地層取心工具內筒保護技術。

(4)現場應用證明，破碎地層取心工具內筒保護技術配套保形內筒使用，可以從鉆進到出心，全過程保護巖心，使用效果更佳。