劉 彬， 徐 文， 姚坤鵬

1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司

0 引言

隨著全國(guó)許多油田進(jìn)入后期開(kāi)發(fā)，地層水淹嚴(yán)重，取心時(shí)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(fā)育，巖心成柱性差，針對(duì)這些破碎地層取心，目前國(guó)內(nèi)采用保形取心技術(shù)居多。該技術(shù)根據(jù)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(nèi)筒來(lái)降低巖心進(jìn)心的阻力，優(yōu)化巖心受力，達(dá)到鉆進(jìn)過(guò)程中保護(hù)巖心的目的[1]。但是，在出心時(shí)缺少一套有效巖心保護(hù)方法，一般是先將內(nèi)筒提環(huán)與內(nèi)筒連接，再將內(nèi)筒連同巖心一起轉(zhuǎn)運(yùn)到場(chǎng)地進(jìn)行出心或者切割內(nèi)筒等操作，在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，內(nèi)筒沒(méi)有任何保護(hù)措施，與滑道或地面接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的碰撞，對(duì)原本就破碎的巖心會(huì)產(chǎn)生更加不利的影響。針對(duì)這種情況，研制了一套適用于破碎地層內(nèi)筒保護(hù)的轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，從減小內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中內(nèi)筒的彎曲變形和內(nèi)筒落地時(shí)的振動(dòng)等方面降低對(duì)破碎巖心的人為損壞，配套保形取心技術(shù)使用，在切割完內(nèi)筒后，對(duì)巖心進(jìn)心注脂封蠟保護(hù)，能夠更有效地保持巖心出井狀態(tài)。

1 內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置研制

1.1 結(jié)構(gòu)概況

破碎地層巖心保護(hù)技術(shù)使用的內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，主要由內(nèi)筒收藏架、液壓鉗、支撐架、手動(dòng)泵、定滑輪、滾輪和液壓管線組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該裝置通過(guò)操作手動(dòng)泵控制液壓鉗將內(nèi)筒固定在內(nèi)筒收藏架上，阻止內(nèi)筒與外界的直接接觸，同時(shí)，輔以減震滾輪和滑輪等多個(gè)防震機(jī)構(gòu)，減小內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的震動(dòng)，以此來(lái)減小內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中外界因素對(duì)巖心的損傷。

圖1 內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 技術(shù)參數(shù)

本文是以川7取心工具為例設(shè)計(jì)的一套適用于破碎地層的取心工具內(nèi)筒保護(hù)裝置，內(nèi)筒尺寸為?126 mm×?108 mm×9 200 mm，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)參數(shù)表

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

2.1 內(nèi)筒收藏架

內(nèi)筒收藏架主要是在轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)筒時(shí)收藏內(nèi)筒用，配合定滑輪和滾輪可以更方便的移動(dòng)內(nèi)筒，其研究關(guān)鍵有以下幾點(diǎn)：

(1)內(nèi)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(cè)板、底板和擋板三部分。側(cè)板和底板組成的內(nèi)腔用于存放內(nèi)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(nèi)筒在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中從內(nèi)筒收藏架滑出。側(cè)板和擋板要承受內(nèi)筒和巖心的壓力，總重量不超過(guò)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(shè)置一層10 mm防碰膠墊，避免內(nèi)筒與擋板碰撞造成過(guò)大震動(dòng)。

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

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

(4)內(nèi)筒收藏架一側(cè)距離底部1 m的位置有4個(gè)快速接頭，用于連接液壓管線，分別對(duì)應(yīng)2個(gè)液壓鉗的進(jìn)出口。

(5)內(nèi)筒收藏架兩側(cè)設(shè)計(jì)有2組4個(gè)滾輪(圖1)，一方面用于支撐整個(gè)內(nèi)筒收藏架，另一方面可以便于內(nèi)筒收藏架的小范圍移動(dòng)；滾輪直徑為290 mm,芯部采用鋼結(jié)構(gòu)，外圍包覆一圈25 mm厚的PP管，在確保強(qiáng)度的同時(shí)可以減小移動(dòng)時(shí)造成的噪音，滾輪采用防震結(jié)構(gòu)，在滾輪落地時(shí)起到緩沖減震的作用。

(6)內(nèi)筒收藏架兩側(cè)設(shè)計(jì)有2組4個(gè)支撐架(圖1)，液壓鉗安裝在支撐架里面，可預(yù)防碰撞，支撐架底面距離地面有一定間隙，在內(nèi)筒收藏架發(fā)生彎曲變形時(shí)，起到二次支撐的作用，防止其出現(xiàn)過(guò)大的彎曲變形。

(7)內(nèi)筒收藏架側(cè)板上焊接了3組6個(gè)吊耳，一組吊耳設(shè)置在頂端，用于豎直吊裝；另外兩組吊耳根據(jù)收藏架和內(nèi)筒的尺寸和重量，設(shè)置在側(cè)邊合理位置，用于水平吊裝的同時(shí)確保在吊裝過(guò)程中內(nèi)筒收藏架不會(huì)發(fā)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(nèi)筒，防止內(nèi)筒在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中掉出內(nèi)筒收藏架，由手動(dòng)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(gè)液壓缸的進(jìn)出口和內(nèi)筒收藏架上的4個(gè)快速接頭，通過(guò)小卡箍固定在內(nèi)筒收藏架下部的橫梁上，手動(dòng)泵與快速接頭連接即可對(duì)液壓缸[3- 5]進(jìn)行供油，實(shí)現(xiàn)液壓桿的伸縮，進(jìn)而帶動(dòng)拉桿上下移動(dòng)，通過(guò)特殊的三連桿結(jié)構(gòu)，拉桿上下移動(dòng)可以使液壓爪收縮和張開(kāi)動(dòng)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(shù)參數(shù)

液壓鉗使用的是雙作用液壓缸，液壓桿上行帶動(dòng)液壓爪夾緊內(nèi)筒，液壓桿下行帶動(dòng)液壓爪松開(kāi)內(nèi)筒，缸徑50 mm，行程50 mm，液壓爪的最大開(kāi)口為452 mm，完全張開(kāi)后，通過(guò)計(jì)算可以得到液壓爪的夾緊力，以此來(lái)確定手動(dòng)泵的工作壓力。

2.2.3 夾緊力計(jì)算

液壓鉗夾緊內(nèi)筒時(shí)，其各部件位置關(guān)系見(jiàn)圖3，各部位受力見(jiàn)圖4。

圖3 液壓鉗各部件位置關(guān)系圖

圖4 受力分析圖

假設(shè)取心滿進(jìn)尺，內(nèi)筒和巖心長(zhǎng)度均為9 200 mm，則內(nèi)筒和巖心總重量G為300 kg，液壓爪的夾緊力按其2倍計(jì)算，則滿足以下關(guān)系[6]：

2×G×g=2×N×cos60°

(1)

取g=10 g/m2,計(jì)算得：N=6 000 N

根據(jù)受力平衡，對(duì)于液壓爪、連桿和拉桿可以得到以下關(guān)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(jì)算得：T=25 086 N

液壓缸的工作壓力p應(yīng)滿足以下關(guān)系：

T=p×A=p×π×502÷4

(8)

計(jì)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(nèi)筒，因此需準(zhǔn)備額定工作壓力14 MPa以上的手動(dòng)泵。

2.3 減震滾輪

滾輪安裝在內(nèi)筒收藏架兩端，是內(nèi)筒收藏架轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中最先與地面接觸的部件，與地面的剛性撞擊會(huì)對(duì)內(nèi)筒造成極大的震動(dòng)，進(jìn)而損傷巖心，其減震能力是整個(gè)內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵之一。

如圖5所示，減震滾輪由滾輪、減震機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)螺母組成，減震機(jī)構(gòu)的活塞缸通過(guò)焊接與本體相連，活塞桿穿過(guò)減震彈簧，通過(guò)螺母與滾輪軸相連。焊接前，根據(jù)內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、內(nèi)筒及巖心的重量，計(jì)算彈簧的受力及變形量，初步確定焊接位置，焊接后，再通過(guò)旋緊或旋松調(diào)節(jié)螺母來(lái)微調(diào)，并確保支撐架底面與地面的距離略小于彈簧理論計(jì)算變形量的最大值，在轉(zhuǎn)運(yùn)裝置水平放置的時(shí)候，起到支撐防變形的作用。

圖5 減震滾輪結(jié)構(gòu)示意圖

3 工藝過(guò)程

內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的工藝過(guò)程是指將內(nèi)筒連帶巖心從鉆臺(tái)轉(zhuǎn)移至場(chǎng)地上進(jìn)行出心的過(guò)程，主要包括以下幾個(gè)步驟：

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

(2)吊繩連接內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置頂部的吊耳，將內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置吊至鉆臺(tái)，樹(shù)立放置在取心工具附近合適的位置。

(3)吊繩連接內(nèi)筒提環(huán)，卸開(kāi)內(nèi)筒卡盤，將內(nèi)筒上提，緩慢靠近內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置并放進(jìn)內(nèi)筒收藏架中。

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

(5)將內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置吊運(yùn)到場(chǎng)地，泄掉手動(dòng)泵壓力，并連接到控制液壓缸的張開(kāi)動(dòng)作的兩個(gè)快速接口，使液壓鉗張開(kāi)。

(6)進(jìn)行出心或切割內(nèi)筒等操作。

(7)向內(nèi)筒中充裝定型樹(shù)脂、蠟封[7]。

內(nèi)筒切割完成后，向內(nèi)筒中注入定型樹(shù)脂(密閉取心密閉液[8- 9])，在不污染巖心的前提下，填充內(nèi)筒的空隙，防止破碎巖心在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中散開(kāi)；同時(shí)，對(duì)內(nèi)筒兩端進(jìn)行蠟封,以盡量減少地面環(huán)境對(duì)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(biāo)注采樣位置信息,并用線繩綁緊,在封蠟箱里進(jìn)行反復(fù)蠟封、晾干,直至完全密封之后,送至實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)進(jìn)行分析。

4 應(yīng)用情況

近年來(lái)，采用破碎地層取心工具內(nèi)筒保護(hù)技術(shù)配合破碎地層保形取心技術(shù)在青海、海上等油田地區(qū)應(yīng)用了12口井，取心91筒次，總進(jìn)尺631.12 m，巖心總長(zhǎng)598.62 m，平均巖心收獲率94.85%(見(jiàn)表2)。

表2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表

通過(guò)使用內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，有效避免了巖心在轉(zhuǎn)運(yùn)和出心過(guò)程中的二次傷害，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著。液壓鉗在使用過(guò)程中，按照推薦的壓力操作，均能牢固的抓緊內(nèi)筒，未對(duì)內(nèi)筒造成任何影響其再次使用的損傷，借助吊車將內(nèi)筒平穩(wěn)的轉(zhuǎn)運(yùn)至場(chǎng)地后，配合注脂封蠟技術(shù)，有效保持了巖心的物性完整，為地質(zhì)分析提供了更可靠的巖心樣品。

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

(1)破碎地層取心工具內(nèi)筒保護(hù)技術(shù)能夠有效的減小巖心從鉆臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)到場(chǎng)地時(shí)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(yīng)僅限于破碎地層取心，其它地層的取心也都可以使用。

(2)內(nèi)筒轉(zhuǎn)運(yùn)裝置在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，一定要保持平穩(wěn)，特別是在將要接觸地面的時(shí)候，液壓鉗的壓力也必須加足，防止內(nèi)筒掉落。

(3)轉(zhuǎn)運(yùn)到鉆臺(tái)下切割后，配套內(nèi)筒注脂封裝技術(shù)，形成一套成熟完整的破碎地層取心工具內(nèi)筒保護(hù)技術(shù)。

(4)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，破碎地層取心工具內(nèi)筒保護(hù)技術(shù)配套保形內(nèi)筒使用，可以從鉆進(jìn)到出心，全過(guò)程保護(hù)巖心，使用效果更佳。