謝夢宇

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧 盤錦 124000）

石油是世界工業(yè)的血液，石油能源的穩(wěn)定供應關系到國家的宏觀發(fā)展計劃。為了獲取石油能源，世界各國都十分重視石油勘探技術[1]。在石油勘探的過程中，如何對巖石取心是一項非常關鍵的工作。在不能直接觀測到地表下深層巖石的物態(tài)時，通過巖心采集進行分析，進而掌握準確可靠的地質(zhì)信息，這是高效開采石油能源的前提。隨著世界范圍內(nèi)較易開采的油田日益減少，石油資源勘探逐步向更深更復雜的地下巖層推進，這就給鉆井取心工作帶來了極大的困難，常規(guī)的方法顯現(xiàn)出越來越多的缺陷或不足。中長筒取心是鉆井取心領域的新技術，對石油勘探具有十分重要的意義[2]。中長筒取心的一次取心就可以獲得足夠的長度，單次作業(yè)可以深入巖層20m~30m 的地下空間。中長筒取心獲取巖心不僅數(shù)量更多，效率也非常高，可以達到常規(guī)取心技術的3 倍左右[3]。在這樣的情況下，中長筒取心已經(jīng)成為取代常規(guī)取心技術并在未來相當長時間內(nèi)應用的關鍵技術。該文將針對中長筒取心的難點、工具的選擇、工具強度的校核等方面進行研究工作，為中長筒取心技術在石油勘探領域中更廣泛的應用奠定基礎。

1 石油鉆井中長筒取心難點及工具

為了便于全文研究工作的進行，該文先對石油鉆井中長筒取心的難點及工具進行分析。

1.1 技術特點

中長筒取心最突出的特點就是其對巖石取心的效率較高，可以達到常規(guī)取心工作效率的2.5 倍以上，最高可以達到常規(guī)取心效率的3 倍。從技術上看，之所以會產(chǎn)生這樣的效果，是因為中長筒取心的單次進尺深度非常大。所以，和常規(guī)取心技術相比，中長筒取心技術可以在更短的時間里獲得更多的巖心樣本。當然，中長筒取心技術的實現(xiàn)難度也大大高于常規(guī)取心技術，其與常規(guī)取心技術相比的變化如圖1所示。

圖1 中長筒取心和常規(guī)取心相比的技術變化

從圖1 可以看出，和常規(guī)取心技術相比，中長筒取心技術在取心筒數(shù)量、取心筒長度、取心工具等方面均有所不同，在工具吊裝、井口組裝、井口出心等方面也要做出技術的改變。從技術改變的具體情況看，中長筒取心要使用更多的取心筒，多個取心筒的使用也導致了取心筒總體長度的增加。為了達到更好的取心效果并保證巖層取心的質(zhì)量，取心工具也要隨之改變。同時，因為取心筒的長度變得更長，為了確保取心位置準確，整體樹立取心工具時要采用全新的吊具對取心工具進行扶正，相應的吊裝技術和操作流程也要隨之改變。同樣需要做出技術層面改變的還包括井口組裝技術和井口出心技術。井口組裝技術負責把各種取心的操作設備進行穩(wěn)定安全的放置，井口出心技術負責將取出的巖層妥善采集出來?？梢?，中長筒取心的實現(xiàn)不僅依賴于取心工具的升級換代，還依賴于相關技術做出全方位的改變，以便和取心工具相配合，用最理想的方式完成中長筒的巖層取心工作。

1.2 實施難點

中長筒取心能否達到預期效果會受很多因素的影響，如石油勘探區(qū)域內(nèi)地層地質(zhì)條件的影響、取心過程中所使用的取心筒的連接數(shù)量、取心過程中各種有關操作的參數(shù)配置以及取心過程中取心工具的選擇、使用和可靠性等。在很多影響因素中，取心工具是最重要的條件，也是影響取心工作順利實施的難點。

即便在常規(guī)取心操作中，取心工具的要求也是比較高的。因為施工區(qū)域都是地下較深的位置，其下巖層有許多未知因素，都成為取心工具正常工作的潛在威脅。同時，取心工具為了保證取心容量，壁厚都比較薄，無法形成較高的強度，當有強外力作用時容易被損壞，中長筒取心工具的強度就更低。另外，為了達到中長筒的長度要求，需要多個取心筒相連接，這就進一步降低了取心工具的整體強度。

為了實現(xiàn)中長筒取心，必須有足夠的鉆進深度。鉆進深度的實現(xiàn)依賴于鉆頭。但即便是強度較好的鉆頭，面對硬度較高的巖層也有很高的風險。尤其需要指出的是，中長筒取心的鉆進時間較長的，最長可以達到常規(guī)取心工作時間的幾十倍。例如長筒取心單次鉆進時間最高紀錄達到了5800min并且要連續(xù)作業(yè)，不能中斷?？梢?，這樣的操作過程對鉆頭的強度和耐磨性都有非常高的要求。

1.3 取心工具

該文中使用的取心工具如圖2 所示。

圖2 該文中使用的取心工具

從圖2 可以看出，該文用于石油鉆井的中長筒取心工具包括3 個取心筒，單筒長度達到了8535mm。這3 個取心筒的外徑為172mm、內(nèi)徑為135mm。取心筒前方配置鉆頭，鉆頭長度為300mm，鉆頭外徑為215mm、內(nèi)徑為101.6mm，鉆頭底部外徑為180mm、內(nèi)徑為132mm。

在3 號取心筒和鉆頭之間有用于固定和增加強度的4 號扶正器。在2 號取心筒和3 號取心筒之間有用于固定和增加強度的3 號扶正器。在1 號取心筒和2 號取心筒之間有用于固定和增加強度的2 號扶正器。在安全接頭和2 號取心筒之間有用于固定和增加強度的1 號扶正器。4 個扶正器的長度為620mm，其外徑為212mm、內(nèi)徑為136mm。安全接頭的長度為270mm，其外徑為172mm、內(nèi)徑為100mm。

由于取心工具整體非常長，為了確保其向下作業(yè)的垂直度，一般需要特殊的吊運措施，該文中的方法如圖3 所示。

圖3 取心工具的吊運措施

從圖3 可以看出，對取心所用的中長筒，可采取多個定滑輪構成的滑輪組及均衡繞線配置的方法以保證取心工具的平穩(wěn)性，然后再借助其他工具和配重緩緩將其立起。待其在作業(yè)區(qū)域保持更好的垂直度的情況下，再緩緩下放至接觸巖層，并開始鉆進處理。

2 取心工具的強度校核與分析

取心工具對整個鉆進取心工作的作用最大，取心工具安全可靠的運行也是取心任務順利完成的保障。為此，接下來的工作是對該文的取心工具進行強度校核。

首先，給出鉆進取心過程中的許用應力，這也是判斷取心工具是否安全的標準和依據(jù)。該文取心工具最關鍵的部件是外筒，其制造材料是35 號CrMo，這種材料的彈性模量為210GPa，其許用應力的計算方法如公式（1）所示。

式中：[σ]為取心工具外筒制造材料的許用應力；σs為取心工具外筒制造材料的屈服應力極限，此處取835MPa；n為取心工具外筒制造材料的安全系數(shù)，此處取1.5。

根據(jù)上述給定數(shù)值，可以計算出取心工具外筒的許用應力為557MPa。

其次，對鉆進過程中可能受到的壓力作用進行校核。這里采用的計算方法如公式（2）所示。

式中：σ為取心工具鉆進過程中受到的最大壓應力；F為取心工具鉆進過程中的最大壓力，試驗中測得其值為250kN；A為取心工具鉆進過程中的受力面積；D為取心工具外徑，其值為172mm；d為取心工具內(nèi)徑，其值為136mm。

據(jù)此計算得出取心工具鉆進過程中最大壓應力為29MPa，遠遠低于許用應力的557MPa。

再次，對鉆進過程中取心工具所受到的扭轉強度進行校核。許用扭轉強度的計算如公式（3）所示。

式中：[M]為取心工具鉆進過程中的許用扭矩；[σ]為取心工具鉆進過程中的許用應力，為557MPa；D為取心工具外徑，其值為172mm；d為取心工具內(nèi)徑，其值為136mm。

據(jù)此計算得出取心工具鉆進過程中的許用扭矩為186kN·m。根據(jù)試驗中的測試數(shù)據(jù)，鉆進過程中取心工具的最大扭矩小于50kN·m，遠遠低于許用扭矩的186kN·m。

從上述2 組校核結果可以看出，該文的取心工具在鉆進取心作業(yè)中能夠滿足強度校核條件，是安全可靠的。

3 中長筒取心的試驗結果與分析

前文對中長筒取心的技術特點、技術難點、取心工具進行了分析和闡述并且對取心工具進行了強度校核。接下來采用上述取心工具進行石油鉆井的取心操作試驗并觀察試驗結果，以分析中長筒取心的效果。

該文在試驗地的取心操作區(qū)域內(nèi)先后進行了10 組取心試驗，對進尺尺寸、取心長度、取心比率3 項指標進行統(tǒng)計，結果見表1。

表1 試驗地的10 組取心試驗結果

為了更加直觀地顯示表1 中給出的10 組試驗的取心效果，將表1 中的取心比率繪制成柱狀圖，如圖4 所示。

圖4 表1 中給出的10 組試驗的取心收獲率的柱狀圖

結合表1 中的數(shù)據(jù)結果和圖4 中的柱狀圖分析結果可以看出，在該文方法和取心工具的配置之下，石油鉆井的取心操作取得了非常好的效果。10 組試驗中，取心收獲率超過90%的達到了7 組，取心比率超過94%的達到了5 組，取心收獲率超過96%的達到了4 組，取心收獲率超過98 的有1 組。其中，第九組試驗的取心效果最理想，在累計鉆進尺寸187.30m 的情況下，有效取心長度達到了184.28m，取心收獲率達到了98.39%。除了第九組試驗以外，第二組和第三組試驗的取心收獲率都超過了97%，也是比較理想的。尤其是第三組試驗，累計進尺超過了400m，有效取心長度也達到了397m。第一組試驗、第四組試驗、第五組試驗的效果相對較差，但取心收獲率也都超過了88%。上述結果充分表明采用中長筒取心是有效的，只要提升取心工具的強度等關鍵參數(shù)指標，可以在高硬度巖層條件下達到理想的取心效果。

4 結論

石油鉆井取心對石油資源的準確勘探和后期采掘方案的制定都具有十分重要的意義。該文以中長筒取心技術為核心研究內(nèi)容，進行了如下工作：首先，對中長筒取心技術的特點、難點進行了分析，并給出了取心工具的結構。其次，對中長筒取心工具進行了強度校核，包括許用應力校核和許用扭矩校核，給取心工作的正常進行提供了保證。最后，在試驗地進行了10 組取心試驗，并對累計進尺、取心比率等指標進行了對比。試驗結果充分顯示，在有效的取心工具和正確取心方法的配置下，中長筒取心可以達到理想的效果。10 組試驗中，取心收獲率超過90%的達到了7 組。