保压取芯工具内筒举升机构设计_李春林.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2022-01-05修回日期：2022-08-30基金项目：大庆油田有限责任公司科技攻关项目（dqc-2021-zj-ky-005）。第一作者简介：李春林（1983-），男（汉族），黑龙江大庆人，高级工程师，现从事钻井取芯技术研究及技术服务工作。保压取芯工具内筒举升机构设计李春林*1，程百慧2，张玉龙1，张绍先1，钱可贵1（1.大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413；2.大庆钻探工程公司钻井三公司，黑龙江 大庆 163413）摘要：为提高保压取芯工具内外筒差动关闭球阀的成功率，综合分析国内外典型保压取芯工具差动机构结构原理，提出了新的适用于陆地保压取芯差动机构设计方案，利用静液柱压力举升内筒管串，实现关闭球阀。关键词：保压取芯；举升机构；设计方案；静液柱压力中图分类号：TE921 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0080-03保压取芯是能够取出保持原始地层压力岩芯的取芯技术，可准确求取井底条件下储层流体饱和度等重要地层参数，对常规油气增储上产和非常规资源勘探开发尤为重要。保压取芯的成败主要取决于内外筒差动关闭球阀技术，国内外保压球阀总成的结构和原理总体上差别不大，差动结构和原理却不尽相同，但差动的可靠性和成功率都有很大提升空间1-6。因此，针对提高差动机构进行创新设计，对提高保压取芯成功率具有重要意义。1国内外设计方案早在20世纪30年代，国外就提出了保压取芯技术，经过40余年的研究改进，美国在1979年研制成功并投入商业服务，差动原理是向钻具内投入钢球，憋压使内外筒脱开，依靠外筒重力下行，实现球阀总成关闭，在实际施工过程中，当球阀总成处有岩芯碎块或发生撸芯时，球阀关闭受阻，外筒下行力量不足以克服阻力，球阀无法完全关闭导致保压失败，另外一个影响球阀关闭的原因是内外筒关联差动，结构复杂导致关闭成功率低。随着我国油气田开发的迅速发展，1985年原石油部从美国克里斯坦森为大庆、辽河、中原引进三套保压取芯成套设备，最初这套设备仅在大庆油田得到成功的开发和应用，并研制了具有自主知识产权的保压取芯工具7-9，近年来，国内各科研院所的保压取芯技术也取得了较大的进展，主要的设计原理有两种，一种是沿袭国外的差动原理，另外一种是利用泥浆泵提供动力举升内筒管串关闭球阀，二者皆为内外筒关联差动。2总体结构设计目前国内保压取芯工具差动原理大都采用液力举升原理，但成功率有待进一步提高。本方案颠覆了国内现有的差动原理，利用静液柱压力实现内筒举升，目的是提高举升动作的可靠性，提高球阀关闭的成功率，为油气田勘探开发获取最接近原始地层压力状态的岩芯。为了保证保压取芯工具顺利下入和足够的强度，本方案的保压取芯工具外筒采用178mm154mm套管，钢级P110，同时为了保证足够的环空间隙，举升机构设计最大外径130mm，该机构包括上悬挂套、起动套等14部分组成，起动套、剪销限位环使用H62销钉固定，具备良好的力学性能的同时，还能确保销钉剪断后断面平整，保证起动套和剪销限位环顺利下行，举升缸套与活塞头采用钢球限位，结构组成如图1所示。3原理及工艺上悬挂套与工具接头（连接钻铤）连接，举升活塞杆与悬挂总成连接，居中置于外筒总成内部，密封圈采用PAEKER密封件，保证密封的可靠性，结构如图2所示。取芯钻进结束后，首先提钻割芯，卸开方钻杆后，井口投入2钢球，泥浆泵排量510L/s送球至起动套球座，落位后憋压剪断起动套销钉，起动套下行至剪销限位环上端面，此时泵压下降，立即停泵，钻井液自起动套内部流道进入固定活塞杆和举升活塞杆内腔后，802023年第2期西部探矿工程钻井液推动内塞上行，悬挂钢球滑落后，依靠静液柱压力举升内筒管串，完成差动。4升力计算本差动机构依靠井筒中钻井液的静液柱压力提供举升力，工具接头上端为钻具水眼内静液柱压力，举升缸套内腔在地面时的压力为一个大气压，原则上静液柱压力应该大于取芯工具内筒管串重量、岩芯重量和举升缸套内腔中空气随温度变化后的轴向向下的力的总和，因此需要对井下所需的举升力进行对比计算。4.1静液柱压力该方案以大庆油田青山口组保压取芯为背景，根据松辽盆地北部地层压力及地层特性要求，工程设计中钻井液密度多为 1.501.55g/cm3，取芯井段多为20003000m之间，静液柱压力计算如下：p=gh=29.445.57MPa式中：p压强；钻井液密度；h取芯井段（井深）；g重力加速度。举升力F1=pS=205656318768N。4.2取芯工具及岩芯重力内筒举升需克服活塞头、举升活塞杆、悬挂总成、内筒总成、岩芯等重量，其中岩芯直径80mm，最大可取长度 6m，工具各总成及岩芯重量总计 316.9kg，因此F2=3105.62N。内筒管串及岩芯重量统计见表1。4.3举升机构差动后压缩气体轴向力松辽盆地地层温度梯度4.5，举升机构差动后的压缩气体会产生向下的轴向力，阻止内筒管串上升，为了计算出举升力，需要求得压缩气体轴向力。根据理想气体状态方程：P1V1T1=P2V2T2P22.2MPa式中：P1标准大气压；V1举升机构差动前密封腔体积；T1平均温度；P2举升机构差动后压缩气体压强；V2举升机构差动后密封腔体积；T2井底温度。举升机构差动完成后气体压缩产生的轴向向下力F3=P2S=15389.3N。因此举升力=静液柱压力-取芯工具及岩芯重力-举升机构差动后压缩气体轴向力：名称活塞头举升活塞杆悬挂总成压力补偿系统测压总成内筒总成密闭头总成岩芯合计重量（kg）1.13.321.156.333.586.99.1105.6316.9表1内筒管串及岩芯重量统计表图1举升机构结构示意图1.上悬挂套；2.起动套；3.剪销限位环；4.密封套；5.固定活塞杆；6.举升缸套；7.内塞限位套；8.活塞头；9.悬挂钢球；10.端套；11.举升活塞杆；12.起动套销钉；13.限位环销钉；14.内塞图2保压取芯工具结构简图（部分）1.工具接头；2.举升机构；3.外筒总成；4.悬挂总成812023年第2期西部探矿工程6结语通过对国内外先进的保压取芯工具差动机构结构和原理分析，结合大庆油田地质概况，提出了新的保压取芯工具差动机构设计原理，形成了一套设计方案，该方案仅依靠静液柱压力完成差动，最终关闭球阀总成，可通过控制井筒内钻井液流速，大幅降低球阀总成关闭时因惯性力导致的失效，间接降低保压取芯运营成本。该机构结构简单、可靠，原理新颖，其方案可为国内保压取芯技术发展提供参考和设计依据。参考文献：1王西贵,邹德永,杨立文,等.深层超深层煤层气保压取心工具设计J.石油机械，2020,48(1):40-45.2罗军.保温保压取心工具球阀工作力学的有限元分析J.石油机械,2014,42(7):16-19.3DICKENS Gerald R,PAULL Charles K,WALLACE Paul.DirectMeasurement of in Situ Methane Quantities in a Large Gas-hydrate ReservoirJ.Nature,1997(385):426-428.4刘协鲁,赵义,刘海龙.海洋天然气水合物保温保压取样工具对比研究J.地质装备,2018,19(1):11-15.5刘宝和.中国石油勘探开发百科全书 工程卷M.北京:石油工业出版社,2008:21-22.6许红,吴河勇,徐禄俊,等.区别于DSDP-ODP的深海保压保温天然气水合物钻探取心技术J.海洋地质动态,2003,19(6):24-27.7张洪君,刘春来,王晓舟,等.深层保压密闭取心技术在徐深12井的应用J.石油钻采工艺,2007,29(4):110-114.8钱可贵,张金涛,安丰媛.保压取心工具差动总成的改进J.石油机械,2013,41(10):37-39.9唐燕青.保温管道预制成形工艺技术的发展与应用J.石油工程建设,2004(6):10-12.井号SX51T41C109-Y59J123N8-1-P2025筒次121212121下入深度(m)153622381814217215941681146715801250井斜角()43430000000钻井液密度(g/cm3)1.501.511.551.561.521.531.321.321.50举升是否成功成功成功成功成功成功成功成功成功成功施工日期2021-08-152021-09-012021-12-162021-12-232022-07-112022-07-132022-02-252022-02-282021-06-02表2现场试验情况统计表F=F1-F2-F3=187161.08300273.08N5现场试验按该方案加工样机2套，在大庆油田现场试验5口井，入井试验9次，举升成功率100%，各项性能指标均达到了设计要求，可完全满足保压取芯现场施工工艺要求，具体试验情况如表2所示。SX51井为定向井，最大井斜角43，入井试验2次，举升动作均成功，该井试验结果表明，该方案适用于定向井保压取芯；试验的5口井，下入深度12502238m之间，钻井液密闭1.321.56g/cm3之间，井斜角 043之间，举升成功率100%，表明该方案适用范围广，动作可靠性高。82