石油钻井中长筒取心技术研究

谢梦宇

（中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁 盘锦 124000）

石油是世界工业的血液，石油能源的稳定供应关系到国家的宏观发展计划。为了获取石油能源，世界各国都十分重视石油勘探技术[1]。在石油勘探的过程中，如何对岩石取心是一项非常关键的工作。在不能直接观测到地表下深层岩石的物态时，通过岩心采集进行分析，进而掌握准确可靠的地质信息，这是高效开采石油能源的前提。随着世界范围内较易开采的油田日益减少，石油资源勘探逐步向更深更复杂的地下岩层推进，这就给钻井取心工作带来了极大的困难，常规的方法显现出越来越多的缺陷或不足。中长筒取心是钻井取心领域的新技术，对石油勘探具有十分重要的意义[2]。中长筒取心的一次取心就可以获得足够的长度，单次作业可以深入岩层20m~30m 的地下空间。中长筒取心获取岩心不仅数量更多，效率也非常高，可以达到常规取心技术的3 倍左右[3]。在这样的情况下，中长筒取心已经成为取代常规取心技术并在未来相当长时间内应用的关键技术。该文将针对中长筒取心的难点、工具的选择、工具强度的校核等方面进行研究工作，为中长筒取心技术在石油勘探领域中更广泛的应用奠定基础。

1 石油钻井中长筒取心难点及工具

为了便于全文研究工作的进行，该文先对石油钻井中长筒取心的难点及工具进行分析。

1.1 技术特点

中长筒取心最突出的特点就是其对岩石取心的效率较高，可以达到常规取心工作效率的2.5 倍以上，最高可以达到常规取心效率的3 倍。从技术上看，之所以会产生这样的效果，是因为中长筒取心的单次进尺深度非常大。所以，和常规取心技术相比，中长筒取心技术可以在更短的时间里获得更多的岩心样本。当然，中长筒取心技术的实现难度也大大高于常规取心技术，其与常规取心技术相比的变化如图1所示。

图1 中长筒取心和常规取心相比的技术变化

从图1 可以看出，和常规取心技术相比，中长筒取心技术在取心筒数量、取心筒长度、取心工具等方面均有所不同，在工具吊装、井口组装、井口出心等方面也要做出技术的改变。从技术改变的具体情况看，中长筒取心要使用更多的取心筒，多个取心筒的使用也导致了取心筒总体长度的增加。为了达到更好的取心效果并保证岩层取心的质量，取心工具也要随之改变。同时，因为取心筒的长度变得更长，为了确保取心位置准确，整体树立取心工具时要采用全新的吊具对取心工具进行扶正，相应的吊装技术和操作流程也要随之改变。同样需要做出技术层面改变的还包括井口组装技术和井口出心技术。井口组装技术负责把各种取心的操作设备进行稳定安全的放置，井口出心技术负责将取出的岩层妥善采集出来。可见，中长筒取心的实现不仅依赖于取心工具的升级换代，还依赖于相关技术做出全方位的改变，以便和取心工具相配合，用最理想的方式完成中长筒的岩层取心工作。

1.2 实施难点

中长筒取心能否达到预期效果会受很多因素的影响，如石油勘探区域内地层地质条件的影响、取心过程中所使用的取心筒的连接数量、取心过程中各种有关操作的参数配置以及取心过程中取心工具的选择、使用和可靠性等。在很多影响因素中，取心工具是最重要的条件，也是影响取心工作顺利实施的难点。

即便在常规取心操作中，取心工具的要求也是比较高的。因为施工区域都是地下较深的位置，其下岩层有许多未知因素，都成为取心工具正常工作的潜在威胁。同时，取心工具为了保证取心容量，壁厚都比较薄，无法形成较高的强度，当有强外力作用时容易被损坏，中长筒取心工具的强度就更低。另外，为了达到中长筒的长度要求，需要多个取心筒相连接，这就进一步降低了取心工具的整体强度。

为了实现中长筒取心，必须有足够的钻进深度。钻进深度的实现依赖于钻头。但即便是强度较好的钻头，面对硬度较高的岩层也有很高的风险。尤其需要指出的是，中长筒取心的钻进时间较长的，最长可以达到常规取心工作时间的几十倍。例如长筒取心单次钻进时间最高纪录达到了5800min并且要连续作业，不能中断。可见，这样的操作过程对钻头的强度和耐磨性都有非常高的要求。

1.3 取心工具

该文中使用的取心工具如图2 所示。

图2 该文中使用的取心工具

从图2 可以看出，该文用于石油钻井的中长筒取心工具包括3 个取心筒，单筒长度达到了8535mm。这3 个取心筒的外径为172mm、内径为135mm。取心筒前方配置钻头，钻头长度为300mm，钻头外径为215mm、内径为101.6mm，钻头底部外径为180mm、内径为132mm。

在3 号取心筒和钻头之间有用于固定和增加强度的4 号扶正器。在2 号取心筒和3 号取心筒之间有用于固定和增加强度的3 号扶正器。在1 号取心筒和2 号取心筒之间有用于固定和增加强度的2 号扶正器。在安全接头和2 号取心筒之间有用于固定和增加强度的1 号扶正器。4 个扶正器的长度为620mm，其外径为212mm、内径为136mm。安全接头的长度为270mm，其外径为172mm、内径为100mm。

由于取心工具整体非常长，为了确保其向下作业的垂直度，一般需要特殊的吊运措施，该文中的方法如图3 所示。

图3 取心工具的吊运措施

从图3 可以看出，对取心所用的中长筒，可采取多个定滑轮构成的滑轮组及均衡绕线配置的方法以保证取心工具的平稳性，然后再借助其他工具和配重缓缓将其立起。待其在作业区域保持更好的垂直度的情况下，再缓缓下放至接触岩层，并开始钻进处理。

2 取心工具的强度校核与分析

取心工具对整个钻进取心工作的作用最大，取心工具安全可靠的运行也是取心任务顺利完成的保障。为此，接下来的工作是对该文的取心工具进行强度校核。

首先，给出钻进取心过程中的许用应力，这也是判断取心工具是否安全的标准和依据。该文取心工具最关键的部件是外筒，其制造材料是35 号CrMo，这种材料的弹性模量为210GPa，其许用应力的计算方法如公式（1）所示。

式中：[σ]为取心工具外筒制造材料的许用应力；σs为取心工具外筒制造材料的屈服应力极限，此处取835MPa；n为取心工具外筒制造材料的安全系数，此处取1.5。

根据上述给定数值，可以计算出取心工具外筒的许用应力为557MPa。

其次，对钻进过程中可能受到的压力作用进行校核。这里采用的计算方法如公式（2）所示。

式中：σ为取心工具钻进过程中受到的最大压应力；F为取心工具钻进过程中的最大压力，试验中测得其值为250kN；A为取心工具钻进过程中的受力面积；D为取心工具外径，其值为172mm；d为取心工具内径，其值为136mm。

据此计算得出取心工具钻进过程中最大压应力为29MPa，远远低于许用应力的557MPa。

再次，对钻进过程中取心工具所受到的扭转强度进行校核。许用扭转强度的计算如公式（3）所示。

式中：[M]为取心工具钻进过程中的许用扭矩；[σ]为取心工具钻进过程中的许用应力，为557MPa；D为取心工具外径，其值为172mm；d为取心工具内径，其值为136mm。

据此计算得出取心工具钻进过程中的许用扭矩为186kN·m。根据试验中的测试数据，钻进过程中取心工具的最大扭矩小于50kN·m，远远低于许用扭矩的186kN·m。

从上述2 组校核结果可以看出，该文的取心工具在钻进取心作业中能够满足强度校核条件，是安全可靠的。

3 中长筒取心的试验结果与分析

前文对中长筒取心的技术特点、技术难点、取心工具进行了分析和阐述并且对取心工具进行了强度校核。接下来采用上述取心工具进行石油钻井的取心操作试验并观察试验结果，以分析中长筒取心的效果。

该文在试验地的取心操作区域内先后进行了10 组取心试验，对进尺尺寸、取心长度、取心比率3 项指标进行统计，结果见表1。

表1 试验地的10 组取心试验结果

为了更加直观地显示表1 中给出的10 组试验的取心效果，将表1 中的取心比率绘制成柱状图，如图4 所示。

图4 表1 中给出的10 组试验的取心收获率的柱状图

结合表1 中的数据结果和图4 中的柱状图分析结果可以看出，在该文方法和取心工具的配置之下，石油钻井的取心操作取得了非常好的效果。10 组试验中，取心收获率超过90%的达到了7 组，取心比率超过94%的达到了5 组，取心收获率超过96%的达到了4 组，取心收获率超过98 的有1 组。其中，第九组试验的取心效果最理想，在累计钻进尺寸187.30m 的情况下，有效取心长度达到了184.28m，取心收获率达到了98.39%。除了第九组试验以外，第二组和第三组试验的取心收获率都超过了97%，也是比较理想的。尤其是第三组试验，累计进尺超过了400m，有效取心长度也达到了397m。第一组试验、第四组试验、第五组试验的效果相对较差，但取心收获率也都超过了88%。上述结果充分表明采用中长筒取心是有效的，只要提升取心工具的强度等关键参数指标，可以在高硬度岩层条件下达到理想的取心效果。

4 结论

石油钻井取心对石油资源的准确勘探和后期采掘方案的制定都具有十分重要的意义。该文以中长筒取心技术为核心研究内容，进行了如下工作：首先，对中长筒取心技术的特点、难点进行了分析，并给出了取心工具的结构。其次，对中长筒取心工具进行了强度校核，包括许用应力校核和许用扭矩校核，给取心工作的正常进行提供了保证。最后，在试验地进行了10 组取心试验，并对累计进尺、取心比率等指标进行了对比。试验结果充分显示，在有效的取心工具和正确取心方法的配置下，中长筒取心可以达到理想的效果。10 组试验中，取心收获率超过90%的达到了7 组。