GWY194-70BB型保溫保壓取心工具的研制和應(yīng)用

楊立文孫文濤羅 軍，2王光玥王俊明

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦 124010；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

GWY194-70BB型保溫保壓取心工具的研制和應(yīng)用

楊立文1孫文濤1羅 軍1，2王光玥1王俊明1

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦 124010；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

GW194-70BB型保溫保壓取心工具是為尋找和提升天然氣水合物實(shí)物樣品鉆取率而研制的特殊取心工具。該工具通過(guò)內(nèi)筒獨(dú)立密封機(jī)構(gòu)、復(fù)合真空隔熱保溫內(nèi)筒、氮?dú)鈮毫ρa(bǔ)償系統(tǒng)、電子多點(diǎn)隨鉆測(cè)量總成實(shí)現(xiàn)了巖心樣品的溫度保持、壓力保持和海量的數(shù)據(jù)測(cè)量，解決了常規(guī)工具無(wú)法保持巖心壓力和溫度造成的天然氣水合物實(shí)物揮發(fā)、測(cè)量數(shù)據(jù)不全等難題。在常規(guī)井實(shí)驗(yàn)中取得了保壓成功率93%、保溫率80%、溫度變化率2~2.5 ℃/h的良好效果，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該工具在溫度保持、壓力保持方面可以完全滿足天然氣水合物樣品的鉆探與取樣要求，對(duì)獲取天然氣水合物樣品、提升天然氣水合物勘探開(kāi)發(fā)效果具有重要意義。

取心工具；保壓；保溫；天然氣水合物

保溫保壓取心技術(shù)是能使取出的巖心始終保持在地層原始?jí)毫蜏囟葼顟B(tài)的取心技術(shù)［1］。天然氣水合物是在低溫條件下由水和天然氣（主要是甲烷氣） 結(jié)合形成的一種外觀似冰的白色結(jié)晶固體，在超過(guò)20℃、小于3 MPa下便會(huì)分解，直接從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，溫度越高，壓力越低，分解速度越快。常規(guī)取心工具無(wú)溫度和壓力保護(hù)裝置，從而難以獲取其真實(shí)樣品。國(guó)外針對(duì)天然氣水合物取心的工具主要型號(hào)有：國(guó)際深海鉆探計(jì)劃（DSDP）采用的保壓取樣筒PCB、國(guó)際大洋鉆探計(jì)劃（ODP）采用的保壓取心器PCS［2-3］、活塞取樣器APC、日本研制的PTCS，這4類取心工具都能實(shí)現(xiàn)保壓功能，但只有PTCS具有保溫功能，其中ODP-PCS的保壓能力最高，為70 MPa，PCS、PCB、PTCS均采用繩索提取放松，只有APC型號(hào)的取心工具曾有獲得天然氣水合物的實(shí)物樣品的報(bào)道。國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣水合物取心工具的研究起步較晚，較為專業(yè)和成熟的取心工具目前還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣水合物新能源開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展，研究專門的天然氣水合物保溫保壓取心工具對(duì)國(guó)內(nèi)尋找和提升對(duì)天然氣水合物的勘探將具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略意義。

1 GWY194-70BB型取心工具

GWY194-70BB型保溫保壓取心工具主要由差動(dòng)總成、氮?dú)庋a(bǔ)償總成、TPMS測(cè)量總成、真空內(nèi)筒、外筒、球閥總成、取心鉆頭等組成，如圖1所示 。

圖1 GWY194-70BB型保溫保壓取心工具

GWY194-70BB型保溫保壓主要技術(shù)特點(diǎn)：采用六方差動(dòng)結(jié)構(gòu)，安全性好，可靠性高；采用內(nèi)筒獨(dú)立密封方式，直接拔出取心內(nèi)筒進(jìn)行地面巖心冷凍與處理；TPMS測(cè)量總成采用電子多點(diǎn)隨鉆測(cè)量技術(shù)，溫度壓力測(cè)量數(shù)據(jù)多，壓力溫度變化趨勢(shì)圖形化；采用真空隔熱多層復(fù)合可切割保溫管，便于巖心切割與冷凍。

取心工具主要參數(shù)：工具長(zhǎng)度8.00 m，巖心直徑70 mm，鉆頭尺寸215.9 mm，額定保壓20 MPa，保溫管溫度變化率δ≤ 2℃/h，井眼尺寸215.9~ 311.15 mm，適應(yīng)軟—中硬地層。

1.1 內(nèi)筒獨(dú)立密封機(jī)構(gòu)

保溫保壓取心工具設(shè)計(jì)的第一個(gè)難點(diǎn)是保壓。受取心井眼尺寸限制，密封系統(tǒng)面臨可靠性、強(qiáng)度與尺寸之間的矛盾，強(qiáng)度高、性能可靠易導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖心直徑??；增大巖心直徑易降低密封系統(tǒng)各個(gè)部分的連接強(qiáng)度和影響密封機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，繩索提取式保壓取樣器PCS采用獨(dú)立密封，但巖心直徑小，直徑只有42 mm，且取心進(jìn)尺短；保壓取樣筒PCB巖心直徑57.8 mm，但是壓力和溫度測(cè)量困難，密封系統(tǒng)維護(hù)需2~5 h，時(shí)效低［2-3］；國(guó)內(nèi)仿制的保壓取心工具其密封空間是整個(gè)取心外筒空間［4-6］，冷凍前需在高壓情況下對(duì)內(nèi)外筒之間鉆井液進(jìn)行置換。因此，新設(shè)計(jì)的密封機(jī)構(gòu)需具有巖心直徑大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、易操作、效率高等特點(diǎn)。

GWY194-70BB型保溫保壓型取心工具采用內(nèi)筒獨(dú)立密封結(jié)構(gòu)，采用鉆具起下方式，該密封系統(tǒng)由氮?dú)庋a(bǔ)償總成、TPMS電子多點(diǎn)測(cè)量總成、真空內(nèi)筒、球閥密封總成等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作原理：工具下井和鉆進(jìn)過(guò)程中，球閥總成處于開(kāi)啟狀態(tài)，測(cè)量系統(tǒng)隨鉆測(cè)量下鉆和鉆進(jìn)過(guò)程中的溫度和壓力數(shù)據(jù)，取心完畢起鉆割心時(shí)，通過(guò)液力加壓使內(nèi)外筒產(chǎn)生差動(dòng)，關(guān)閉球閥，整個(gè)內(nèi)筒、測(cè)量總成、氮?dú)庋a(bǔ)償總成成為獨(dú)立的封閉密封系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封空間僅限于內(nèi)筒；易操作，電子隨鉆測(cè)量與內(nèi)筒獨(dú)立冷凍；巖心直徑為70 mm，單次可取巖心5 m，取心效率高。

圖2 內(nèi)筒獨(dú)立密封機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 真空復(fù)合保溫技術(shù)

保溫技術(shù)有主動(dòng)保溫和被動(dòng)保溫［7］。GWY194-70BB型保溫保壓取心工具采用被動(dòng)保溫技術(shù)，運(yùn)用可拆卸雙層鋁合金管加不銹鋼內(nèi)膽真空隔熱的方式，解決了普通鋼質(zhì)真空隔熱管質(zhì)量大、冷凍困難、切割困難、成本高等諸多不足。保溫管結(jié)構(gòu)如圖3所示，內(nèi)管和外管均為鋁合金材質(zhì)；真空隔熱管為不銹鋼管；真空隔熱管的兩端安裝有密封件，提高內(nèi)外管之間的密封性，減少和降低熱對(duì)流的形成；保溫管的上接頭連接內(nèi)筒上部的下球閥，在地面關(guān)閉下球閥時(shí)，可卸掉保溫管的鎖緊接頭，將真空隔熱管和外管取出，方便盛有巖心的內(nèi)管冷凍與切割。該復(fù)合保溫管的特點(diǎn)有：質(zhì)量輕，易于搬運(yùn)；真空隔熱，效果好，其保溫性能達(dá)到A級(jí)隔熱效率；鋁合金內(nèi)筒，易切割；可拆卸結(jié)構(gòu)，易于巖心的冷凍；真空隔熱管和外管可重復(fù)使用，節(jié)約成本。

圖3 保溫內(nèi)筒結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 壓力補(bǔ)償

壓力補(bǔ)償是當(dāng)內(nèi)筒壓力降低時(shí)，由安裝在內(nèi)筒頂端的高壓氣源向內(nèi)筒中沖入氣源以平衡內(nèi)筒中的壓力。壓力補(bǔ)償總成的工作原理是：壓力補(bǔ)償容器內(nèi)沖入相當(dāng)于井底鉆井液壓力2~2.5倍的高壓氮?dú)?，取心下鉆和鉆進(jìn)時(shí)，壓力補(bǔ)償器處于關(guān)閉狀態(tài)，鉆進(jìn)完成后，內(nèi)筒下端的球閥總成關(guān)閉，壓力補(bǔ)償器開(kāi)關(guān)打開(kāi)，當(dāng)內(nèi)筒壓力緩慢降低時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)開(kāi)啟氣源通道，高壓氣源流入內(nèi)筒中補(bǔ)償漏失壓力，當(dāng)內(nèi)筒壓力高于井底鉆井液壓力時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)關(guān)閉氣源通道，停止補(bǔ)償。GWY194-70BB型保溫保壓取心工具壓力補(bǔ)償總成主要參數(shù)：容積1 500 cm3、額定承壓100 MPa、開(kāi)關(guān)啟動(dòng)壓差0.2 MPa。該壓力補(bǔ)償器具有容積大、壓力開(kāi)關(guān)敏感度高、壓力大等特點(diǎn)。

1.4 TPMS電子多點(diǎn)隨鉆測(cè)量

電子多點(diǎn)隨鉆測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了溫度壓力的連續(xù)測(cè)量與記錄，海量測(cè)量數(shù)據(jù)能反映巖心溫度壓力變化的細(xì)小趨勢(shì)，通過(guò)細(xì)小的趨勢(shì)變化可更加詳細(xì)地了解天然氣水合物在起鉆過(guò)程中的揮發(fā)分解過(guò)程。該取心工具測(cè)量總成主要由上球閥、儀器倉(cāng)、下球閥、電子多點(diǎn)測(cè)量?jī)x、數(shù)據(jù)處理終端組成，測(cè)量總成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測(cè)量總成結(jié)構(gòu)示意圖

上球閥連接壓力補(bǔ)償器并提供高壓泄壓口，儀器倉(cāng)用于保護(hù)電子多點(diǎn)儀，降低電子多點(diǎn)儀在軸向和徑向的振動(dòng)，下球閥用于連通取心內(nèi)筒和儀器倉(cāng)。工具在井內(nèi)時(shí)，上球閥、下球閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，電子多點(diǎn)測(cè)量?jī)x在預(yù)設(shè)好的時(shí)間段啟動(dòng)并連續(xù)測(cè)量取心內(nèi)筒中的溫度和壓力；取心結(jié)束時(shí)，在地面關(guān)閉下球閥，開(kāi)啟上球閥上的高壓泄壓孔，泄出儀器倉(cāng)內(nèi)的高壓，即可將電子多點(diǎn)測(cè)量?jī)x器取出讀數(shù)，下球閥隨內(nèi)筒進(jìn)行保壓冷凍。

該測(cè)量總成采用電子多點(diǎn)測(cè)量?jī)x，其耐高溫鋰電池可持續(xù)工作15 天；儀器測(cè)量間隔為3~120 s，測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)多；溫度誤差±0.1 ℃，壓力誤差±0.01 MPa；測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)，通過(guò)地面數(shù)據(jù)處理終端讀出后可直接顯示為表格和連續(xù)模擬曲線，數(shù)據(jù)處理界面如圖5所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖5 數(shù)據(jù)處理界面

GWY194-70BB型工具在S油田常規(guī)井中進(jìn)行保壓及保溫取心施工，對(duì)工具可靠性及其取心工藝等進(jìn)行了檢驗(yàn)。該試驗(yàn)井為注水井，主要目的是完善注采井網(wǎng)，補(bǔ)充區(qū)域能量，挖掘剩余油潛力，提高區(qū)域內(nèi)油井的產(chǎn)液量。全井設(shè)計(jì)取心115 m，取心井段495~641 m。目的油層已進(jìn)入開(kāi)采的中后期，采出程度50.24%，采油速度0.67%，綜合含水61.3%，累計(jì)注采比1.94，巖性以砂巖為主。取心難點(diǎn)：取心層位埋藏淺、水洗嚴(yán)重、地層疏松成柱性差、巖心進(jìn)筒困難。該井累計(jì)取心32筒，進(jìn)尺115 m，心長(zhǎng)87.49 m，巖心收獲率76.09%，平均保壓率80.45%，保壓成功筒數(shù)占總筒數(shù)的93%。

鉆頭轉(zhuǎn)速越高，鉆頭切削能力越強(qiáng)，巖心進(jìn)筒速度越快，巖心收獲率越高。該井第1、2取心井段地層主要為砂泥巖互層，地層水洗嚴(yán)重，無(wú)膠結(jié)，采用轉(zhuǎn)速為80~90 r/min，鉆進(jìn)鉆速1 m/h，取心收獲率反而偏低，分析原因是地層水化嚴(yán)重，巖心強(qiáng)度太低，工具轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)快造成內(nèi)筒對(duì)細(xì)小巖心的扭轉(zhuǎn)破壞。后期轉(zhuǎn)速30~40 r/min，工具扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減少，提升了巖心柱的強(qiáng)度，保持了巖心柱的連續(xù)性，巖心進(jìn)筒能力提升，巖心收獲率上升。

GWY194-70BB型取心工具采用卡箍巖心爪割心為主、球閥割心為輔的方式。不同的施工工藝可能直接影響巖心收獲率：硬地層巖心成柱摩擦力大，上提過(guò)程中巖心不易脫落，應(yīng)優(yōu)選卡箍巖心爪割心，即先上提取心工具割斷巖心，再?gòu)木谕肚蚣訅焊顢喙ぞ呱隙说亩ㄎ讳N，使外筒相對(duì)內(nèi)筒下移并密封內(nèi)筒；軟地層巖心松軟摩擦力小，如采用卡箍巖心爪割心，巖心易滑落，因此需先投球割斷工具上端的定位銷，然后上提取心工具，內(nèi)筒相對(duì)外筒上移，因球閥到鉆頭的距離較短，球閥關(guān)閉時(shí)也會(huì)將滑落的巖心切斷并密封。取心施工前7筒采用先上提后加壓的方式，取心收獲率和保壓率偏低，后續(xù)施工均采用先投球后起鉆的方式，保壓率和取心收獲率得到提升。

從表1中可以看出，降低轉(zhuǎn)速，優(yōu)化割心方式后，巖心收獲率和保壓率出現(xiàn)顯著的提高，全井平均收獲率76.09%，平均保壓率80.45%，保壓成功筒數(shù)占總筒數(shù)的93%。從圖6可以看出，除第2筒和第5筒，保壓率均在80%以上，保壓效果良好，保壓失敗主要是球閥關(guān)閉銷釘斷裂，采用先上提后投球的方式，在剪斷工具定位銷后，外筒相對(duì)內(nèi)筒下移的慣性大，導(dǎo)致球閥關(guān)閉銷釘斷裂，保壓失敗，而先投球后上提的方式，內(nèi)筒運(yùn)移緩慢，球閥可靠；溫度變化在4~5 ℃，考慮施工井深500~600 m，平均起鉆時(shí)間約3 h，溫度下降速度2 ℃/h，后期由于施工地面環(huán)境溫度降為零下，導(dǎo)致鉆井液罐的鉆井液溫度下降明顯，井底測(cè)試溫度也出現(xiàn)相應(yīng)下降，地面內(nèi)筒的測(cè)試溫度比較穩(wěn)定，說(shuō)明保溫效果良好，對(duì)于低溫地層，熱對(duì)流和熱輻射將進(jìn)一步降低，該型號(hào)工具的保溫內(nèi)筒完全能滿足天然氣水合物低溫地層取心的保溫要求。

表1 GWY194-70BB型取心工具取心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖6 取心過(guò)程中溫度壓力測(cè)試曲線（井底壓力、溫度為井底鉆井液溫度和壓力)

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）GW194-70BB型保溫保壓取心工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能可靠，常規(guī)井保溫保壓取心試驗(yàn)為該工具在天然氣水合物取心領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（2）保溫保壓取心屬于高壓作業(yè)，必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，地面出心、現(xiàn)場(chǎng)冷凍等環(huán)節(jié)需多人重復(fù)檢查，鉆進(jìn)過(guò)程中注意參數(shù)變化，及時(shí)分析、判斷、處理井下情況，確保巖心收獲率。

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（修改稿收到日期 2014-08-11）

〔編輯 景 暖〕

Study and application of GWY194-70BB heat and pressure preservation coring tool

YANG Liwen1,SUN Wentao1,LUO Jun1,2,WANG Guangyue1,WANG Junming1
（1.Engineering Technology Research Institute,Great Wall Drilling Company of CNPC,Panjin124010,China;2.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China）

The GW194-70BB heat and pressure preservation coring tool is developed specifically for exploring gas hydrate and improving the recovery rate of gas hydrate samples.This tool has realized insulation and pressure keeping of core samples,surveying of massive amount of data,and solved problems such as volatilization of gas hydrate sample due to being unable to preserve core pressure and temperature by conventional tools and incomplete survey data.The tool achieved satisfactory performance in the test of conventional wells:93% pressure keeping rate,80% insulation rate,and 2-2.5 ℃ temperature variation rate per hour.Field tests show that this tool can meet the requirement of drilling and sampling of gas hydrate in terms of insulation and pressure keeping and is of great significance to recovering the gas hydrate samples and improving the effect of gas hydrate exploration and development.

coring tool;pressure keeping;insulation;gas hydrate

楊立文，孫文濤，羅軍，等.GWY194-70BB型保溫保壓取心工具的研制和應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：58-61.

TE921.3

：B

1000–7393（2014） 05–0058–04

10.13639/j.odpt.2014.05.014

國(guó)家專利： 專利名稱“一種保溫保壓復(fù)合式可切割取心內(nèi)筒（專利號(hào)：ZL201320732914.8）”；專利名稱“ 一種保溫保壓取心工具（專利號(hào)：ZL201120358385.0）”。

楊立文，1965年生。1985年畢業(yè)于重慶石油學(xué)校鉆井專業(yè)。現(xiàn)主要從事鉆井技術(shù)管理與研究工作，長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院副院長(zhǎng)。電話：0427-7828979。E-mail：yllwww@163.com。