謝夢宇

（中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)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(yīng)關(guān)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(shù)[1]。在石油勘探的過程中，如何對巖石取心是一項非常關(guān)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(jìn)行分析，進(jìn)而掌握準(zhǔn)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(fù)雜的地下巖層推進(jìn)，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(lǐng)域的新技術(shù)，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(dá)到常規(guī)取心技術(shù)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(shù)并在未來相當(dāng)長時間內(nèi)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。該文將針對中長筒取心的難點(diǎn)、工具的選擇、工具強(qiáng)度的校核等方面進(jìn)行研究工作，為中長筒取心技術(shù)在石油勘探領(lǐng)域中更廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 石油鉆井中長筒取心難點(diǎn)及工具

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

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

中長筒取心最突出的特點(diǎn)就是其對巖石取心的效率較高，可以達(dá)到常規(guī)取心工作效率的2.5 倍以上，最高可以達(dá)到常規(guī)取心效率的3 倍。從技術(shù)上看，之所以會產(chǎn)生這樣的效果，是因?yàn)橹虚L筒取心的單次進(jìn)尺深度非常大。所以，和常規(guī)取心技術(shù)相比，中長筒取心技術(shù)可以在更短的時間里獲得更多的巖心樣本。當(dāng)然，中長筒取心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度也大大高于常規(guī)取心技術(shù)，其與常規(guī)取心技術(shù)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(shù)變化

從圖1 可以看出，和常規(guī)取心技術(shù)相比，中長筒取心技術(shù)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(shù)的改變。從技術(shù)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(dǎo)致了取心筒總體長度的增加。為了達(dá)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?yàn)槿⌒耐驳拈L度變得更長，為了確保取心位置準(zhǔn)確，整體樹立取心工具時要采用全新的吊具對取心工具進(jìn)行扶正，相應(yīng)的吊裝技術(shù)和操作流程也要隨之改變。同樣需要做出技術(shù)層面改變的還包括井口組裝技術(shù)和井口出心技術(shù)。井口組裝技術(shù)負(fù)責(zé)把各種取心的操作設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定安全的放置，井口出心技術(shù)負(fù)責(zé)將取出的巖層妥善采集出來?？梢?，中長筒取心的實(shí)現(xiàn)不僅依賴于取心工具的升級換代，還依賴于相關(guān)技術(shù)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(shí)施難點(diǎn)

中長筒取心能否達(dá)到預(yù)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(guān)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(shí)施的難點(diǎn)。

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?yàn)槭┕^(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(qiáng)度，當(dāng)有強(qiáng)外力作用時容易被損壞，中長筒取心工具的強(qiáng)度就更低。另外，為了達(dá)到中長筒的長度要求，需要多個取心筒相連接，這就進(jìn)一步降低了取心工具的整體強(qiáng)度。

為了實(shí)現(xiàn)中長筒取心，必須有足夠的鉆進(jìn)深度。鉆進(jìn)深度的實(shí)現(xiàn)依賴于鉆頭。但即便是強(qiáng)度較好的鉆頭，面對硬度較高的巖層也有很高的風(fēng)險。尤其需要指出的是，中長筒取心的鉆進(jìn)時間較長的，最長可以達(dá)到常規(guī)取心工作時間的幾十倍。例如長筒取心單次鉆進(jìn)時間最高紀(jì)錄達(dá)到了5800min并且要連續(xù)作業(yè)，不能中斷?？梢姡@樣的操作過程對鉆頭的強(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yùn)措施，該文中的方法如圖3 所示。

圖3 取心工具的吊運(yùn)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(gòu)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(jìn)處理。

2 取心工具的強(qiáng)度校核與分析

取心工具對整個鉆進(jìn)取心工作的作用最大，取心工具安全可靠的運(yùn)行也是取心任務(wù)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(jìn)行強(qiáng)度校核。

首先，給出鉆進(jìn)取心過程中的許用應(yīng)力，這也是判斷取心工具是否安全的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。該文取心工具最關(guān)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(yīng)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(yīng)力；σs為取心工具外筒制造材料的屈服應(yīng)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(yīng)力為557MPa。

其次，對鉆進(jìn)過程中可能受到的壓力作用進(jìn)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(jìn)過程中受到的最大壓應(yīng)力；F為取心工具鉆進(jìn)過程中的最大壓力，試驗(yàn)中測得其值為250kN；A為取心工具鉆進(jìn)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(jìn)過程中最大壓應(yīng)力為29MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力的557MPa。

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

式中：[M]為取心工具鉆進(jìn)過程中的許用扭矩；[σ]為取心工具鉆進(jìn)過程中的許用應(yīng)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(jìn)過程中的許用扭矩為186kN·m。根據(jù)試驗(yàn)中的測試數(shù)據(jù)，鉆進(jìn)過程中取心工具的最大扭矩小于50kN·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許用扭矩的186kN·m。

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

3 中長筒取心的試驗(yàn)結(jié)果與分析

前文對中長筒取心的技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)難點(diǎn)、取心工具進(jìn)行了分析和闡述并且對取心工具進(jìn)行了強(qiáng)度校核。接下來采用上述取心工具進(jìn)行石油鉆井的取心操作試驗(yàn)并觀察試驗(yàn)結(jié)果，以分析中長筒取心的效果。

該文在試驗(yàn)地的取心操作區(qū)域內(nèi)先后進(jìn)行了10 組取心試驗(yàn)，對進(jìn)尺尺寸、取心長度、取心比率3 項指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)地的10 組取心試驗(yàn)結(jié)果

為了更加直觀地顯示表1 中給出的10 組試驗(yàn)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(yàn)的取心收獲率的柱狀圖

結(jié)合表1 中的數(shù)據(jù)結(jié)果和圖4 中的柱狀圖分析結(jié)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(yàn)中，取心收獲率超過90%的達(dá)到了7 組，取心比率超過94%的達(dá)到了5 組，取心收獲率超過96%的達(dá)到了4 組，取心收獲率超過98 的有1 組。其中，第九組試驗(yàn)的取心效果最理想，在累計鉆進(jìn)尺寸187.30m 的情況下，有效取心長度達(dá)到了184.28m，取心收獲率達(dá)到了98.39%。除了第九組試驗(yàn)以外，第二組和第三組試驗(yàn)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(yàn)，累計進(jìn)尺超過了400m，有效取心長度也達(dá)到了397m。第一組試驗(yàn)、第四組試驗(yàn)、第五組試驗(yàn)的效果相對較差，但取心收獲率也都超過了88%。上述結(jié)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(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，可以在高硬度巖層條件下達(dá)到理想的取心效果。

4 結(jié)論

石油鉆井取心對石油資源的準(zhǔn)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(shù)為核心研究內(nèi)容，進(jìn)行了如下工作：首先，對中長筒取心技術(shù)的特點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并給出了取心工具的結(jié)構(gòu)。其次，對中長筒取心工具進(jìn)行了強(qiáng)度校核，包括許用應(yīng)力校核和許用扭矩校核，給取心工作的正常進(jìn)行提供了保證。最后，在試驗(yàn)地進(jìn)行了10 組取心試驗(yàn)，并對累計進(jìn)尺、取心比率等指標(biāo)進(jìn)行了對比。試驗(yàn)結(jié)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(dá)到理想的效果。10 組試驗(yàn)中，取心收獲率超過90%的達(dá)到了7 組。