第七章 取心钻井

第七章 取心钻井岩心是我们认识油、气田和地层的宝贵资料。

获取岩心的方法有井壁取心和钻井取心两种，本章只介绍后者。

所谓取心钻井就是利用专门的钻井工具并施以一定的技术措施，将地下的岩石取地面上来的一种钻井工艺。

取心是石油勘探与开发中十分重要的一项工作。

这是因为在油、气田的勘探和开发过程中，虽然可以采用岩屑录井，地球物理测井，地层测试等方法来收集各种资料，通过对这些资料的分析研究来了解地下的地质情况。

但这些方法各有优缺点，且都有很大局限性，只有岩心才是最完整的第一性性资料。

通过对大量岩心的分析研究，可以取得更为完整、准确的地质资料（如油、气层的分布规律、厚度、岩性、孔隙度、渗透率、含油饱和度、裂缝发育情况等），为制定合理的勘探、开发方案、准确地计算储量，采取有效的增产措施提供可靠的依据。

衡量取心钻井技术水平高低的一一个最基本、最重要的指标就是岩心收率。

所谓岩心收获率是指实取岩心长度与取心进尺比值的百分数。

即：岩心收获率=%100*）（）（米取心进尺米实取岩心长度例7-1 在某次取心时，取心进尺为10米，实际取出岩心长度为9。

8米，则岩心收获率为 %98%100*1089。

最理想的岩心收获率为百分之百。

岩心收获率又分单筒岩心收获率和全井平均岩心收获率。

由此可见，提高岩心收获率是取心钻井最根本的要求。

欲提高岩心收获率，一方面要选用适合于取心井段岩性的取心工，另一方面还要采取合理的技术措施。

二者就是本章所要介绍的主要内容。

第一节 取工具的组成取心工具是获取岩心的重要工具。

本节主要介绍钻井取心法所使用的工具。

它一般都是由取钻头、岩心筒、岩心爪、扶正器和县挂装置等部件组成（如图7-1）。

下面分别介绍部件的用途、结构特点及要求。

一．取心钻头取心钻头是钻出岩心的主要工具。

其切削刃分布在一个同心圆的环形面积上。

它的功用是对井底岩石进行环形破碎，形成岩石。

取心钻头的类型，目前使用的有刮刀取心钻头、硬质合金取心钻头和金刚石取心钻头等几种（如图7-2所示）。

在中硬和硬地层多使用硬质合金取心钻头，在软地层普遍使用刮刀取心钻头。

为了提高岩心收获率，要求取心钻头工作要平稳。

钻头的切削刃应对称分布，底刃面应与钻头中心线相垂直，切削刃的耐磨性应一致，以免钻头歪斜和偏磨而破坏或折断岩心。

为了提高岩心的强度和提供可靠的地质资料，要求岩心的直径要大些，实践证明岩心直径大，其收获率就易于提高。

但是钻头直径一定时，岩心直径也不能太大。

因为过多的增大岩心直径，必然影响钻头的强度和使用寿命，同时，内外岩心筒的环形间隙也得减小，泥浆流动阻力增大，泵压升高，这样，不仅影响收获率，严重时还可能造成井下事故。

所以在设计取心钻头时，当外径确定后，内径的选择要遵循在保证钻头有足够的强度、井下安全和不影响收获率的前提下尽量加大内径的原则。

二．岩心筒岩心筒是取心工具的主要部件之一。

它一般是由内岩心筒（简称内筒）和外岩心筒（简称外筒）组成。

内岩心筒的主要功用是容纳和保护岩心，使岩心在钻进过程中不受泥浆的直接冲刷和旋转钻具的磨损与碰撞。

而钻筒的主要作用是传递和承受钻压，取接钻头并带动钻头旋转，保护内岩心筒。

由于内外岩心筒的功用不同，所以对其要求也不一样。

为了使岩心能顺利进入内筒，故要求内筒壁光滑，无弯曲、无变形，以防岩心磨损和受力；为了有效地保护岩心，为求在钻进时内筒不随外筒旋转，同时应有防止泥浆从内筒顶部冲刷岩心的装置；为了增大内筒的有效容积，减轻取心工具的重量，则要求内筒的管壁薄、重量小。

对于外筒则要求其强度大，无弯曲和变形。

为了实现对内筒的上述要求，所以在内筒上端装有分水接头和回压凡尔总成，将内筒悬挂在外筒的顶部，并在悬挂装置与内筒之间装有悬挂轴承，如图7-1所示。

外筒一般是由壁厚较大的套管制成，而内筒一般是用无缝钢管制成。

对于岩心筒的长度则无严格规定，一般它相当于一根钻杆的长度。

对于长筒取心工具来说，其岩心筒是由数根普通的岩心筒连接而成。

三．岩心爪岩心爪部件虽小，但它却是取心工具的重要组成部分。

它质量好坏，直接影响到岩心收获率的高低。

岩心爪的作用是割取岩心和承托已割取的岩心柱，将其能顺利地取到地面上来。

因此，要求岩心爪要有良好的弹性，允许岩心能顺利进入内筒而不受破坏；能有效地从根部害割断岩心；有足够的强度，在钻井和割心时不会断裂和破碎；起钻时能可靠地托住岩心。

常用的岩心的选择主要是根据地层岩石的机械性质。

在松软和软地层中取心，一般选用卡箍式岩心爪；在胶结较好的硬或中硬地层中取心时，由于岩心强度较高，一般选用卡板式岩心爪，有的硬地层取心工具还配有卡箍式和卡板式两种岩心爪，这样对卡心和割心更为可靠；卡簧式岩心爪多用于地质钻探取心，而在石油钻井取心时很少使用。

四．扶正器、回压凡尔一般取心工具的内、外岩心筒上部装有扶正器。

外筒扶正器可提高外筒和钻头工作的稳定性，并有利于防斜；内筒扶正器可保持内筒稳定，使内筒与钻头的对中性好，岩心易于进入，不易偏磨岩心。

但井下情况复杂时，用外筒扶正器容易卡钻；用内筒扶正器有可能内筒带转。

故有的取心工具的内外筒均不装扶正器。

回压凡尔是装在内筒上端的一个单流凡尔，用以防止泥浆由内筒顶端进入而冲刷岩心，它起保护岩心的作用。

同时，岩心顶部的泥浆又可以通过该凡尔排出，保证岩心能顺利进入内筒。

五．取心工具各部分的配合1)钻头与外岩心筒在松软和易垮塌的地层，钻头外筒的直径差值不能太小，以免由于外筒与井壁间隙太小，引起泵压升高，井底清洗不净，从而造成卡钻等井下事故。

在易斜地层，其间隙值可适当减小，这样有利于防斜。

一般说来，钻头外径应小于等于全面钻进钻头的尺寸，并大于外筒接头外径10~20毫米。

它的内径根据岩性的不同合理选择，一般比内筒内径小5~10毫米。

2）内、外岩心筒之间的间隙一般为10~20毫米，保证泥浆能顺利流过，避免泵压过高（特别是深井取心）。

3）岩心爪张开时的内径，一般大于钻头内径5~10毫米，并稍大于或等于内筒的内径。

在易膨胀地层，该差值可大些；而在硬地层该差值应适当减小。

4）钻头内台肩与岩心爪应有5~10毫米的间隙。

此间隙太大，岩心爪距井底太远，则不利于保护岩心。

第二节取心工具的类型随着取心工艺技术的不断发展，国内外也都加强了对取心工具的研制和改进，使其结构更加合理，使用更加可靠，从而岩心收获率也不断提高。

本节只介绍几种有代表性的常规取心工具和特殊取心工具。

一．常规取心工具目前，由于我国的常规取心还没有达到标准化、系列化，因此，各油田自行设计和制造的取心工具式样很多。

有些工具的具体结构虽然不尽相同，但其性能却是一样的。

归纳起来，不外乎是适用于松软和软地层的与适用于中硬和硬地层的短筒取心工具，以及适用于从松软到硬地层的长筒取心工具两大类。

下面就分别介绍几种有代表性的常规取心工具。

1．SR型取心工具SR型取心工具是某油田设计和制造的。

它适用于215~244毫米井眼、松软和软地层取心。

其结构如图7-4所示。

该工具主要由取心钻头、岩心爪、岩心筒组合与加压悬挂装置组成。

岩心筒组合由内筒和外筒组成；加压悬挂装置由六方杆、六方套、压套、弹簧和限位接头等部件组成。

内外筒是通过弹簧、限位接头和托环经预压而连接在一起，从而实现预压弹簧悬挂之目的的。

六方杆与六方套即可上下滑动、实现加压割心，又可一起转动来传递扭矩。

下钻前不装凡尔钢球。

下钻到井底后开泵循环泥浆，此时泥浆通过承压座、限位接头、中心管和悬挂总成的内孔进入内筒，再由内筒返至环形空间。

这样既可清洗井底，又可冲洗内筒。

待泥浆处理好，井底清洁后，再卸开方钻杆，投入钢球堵死内筒泥浆通路，开始取心钻进。

钻进完毕后，上提钻具拉开六方滑套，间隔一定时间分别投入四只钢球。

待球就位后，下放钻具使压套压球，这样钢球将钻柱的部分重量传递给承压座，从而使弹簧压缩，推动内筒下滑，迫使岩心爪沿钻头内腔斜坡下行收缩变形将岩心割断。

这样就实现了投球加压割心。

SR型取心工具有以下特点：1）采用预压弹簧悬挂内筒。

它与销钉悬挂法相比，大大提高了悬挂的可靠性，从而克服了由于销钉提前剪断而造成岩心爪提前收缩的缺点。

2）采用内洗式结构。

取心前可通过内筒循环泥浆，冲洗内筒，清洗井底。

这样，不仅保证了内筒清洁，有利用于岩心入筒，而且也保证了下钻到井底后开泵一次成功。

3）采用壁厚为16毫米的厚壁钢管做外筒。

从而提高了工具在井下工作的稳定性，有利于提高岩心收获率。

同时也延长了外筒的使用寿命。

4）将加压装置与悬挂装置合二为一。

使该工具具有结构简单、便于加、组装和运输等优点。

2．川8-3型和川6-3型取心工具川8-3型和川6-3型取心工具是四川石油管理局设计和制造的一种新型取心工具。

它适用于在中硬和硬地层取心。

通过推广使用证明，该工具具有结构合理、取心收获率高、单筒进尺多、金刚石钻头寿命长等优点。

川8-3型和川6-3型取心工具的结构完全相，只是适用于不同尺寸的井眼，因此，下面只介绍川8-3型取心工具的结构及其特点。

川8-3型取心工具的结构结图7-5所示。

它主要有金刚石取心钻头、钻头扶正器、外岩心筒组合、组合岩心爪、内岩心筒和悬挂装置等部件组成；外岩心筒组合主要由外岩心筒和外筒扶正器组成；组合岩心爪包括卡箍式岩心爪、卡箍座、调节环和连接套；悬挂装置主要包括悬挂心轴、轴承座、轴承、悬挂螺母、锁紧螺母和单流凡尔。

川8-3型取心工具主要有以下特点：1）外筒强度高、刚性好。

外筒采用厚壁无缝钢管制成，每节外筒上端带有一个三棱扶正器，以提高取心工具的稳定性。

这样有利于提高取心收获率，平均单筒进尺和延长金刚石取心钻头的使用寿命。

外筒为带台肩的锥度扣（锥度为1：16，6牙/英寸），公母扣按等强度设计。

因此，上卸扣方便，强度高，密封好。

2）内、外筒组合方便，使用范围广。

内、外筒等长，各套内外筒可以互换。

每节内、钻筒保持下列关系：L1+L2=L3=91000毫米 2毫米式中 L1----外筒长度；L2----外筒扶正器长度；L3----内筒长度。

由于内筒悬挂部分和外筒扶正器的长度相等，因此可用一个外筒扶正器来补偿悬挂部分造成的内外筒长度差值。

若井下情况复杂，可用一长度为L2的接头（或称为差值短节）来更换外筒扶正器。

该取心工具不分长筒或短筒，根据需要每次可下1~3节或更多节内、外筒。

既可作短筒取心用，又可作长筒取心用。

长筒取心时，采用“拔断岩心接单根“的操作方法即可实现连续取心，。

3）采用泥浆润滑悬挂承。

该工具采用的轴承有两个特点：一是轴承无弹架；二是轴承两端无密封，允许少量泥浆通过，起冷却和润滑作用。

同带有弹架的密封悬挂轴承比较，具有结构简单，转动灵活，寿命长，拆装方便等优点。

更适合在井下高温、高压和泥浆介质条件下工作。

4）采用新型卡箍式岩心爪。

卡箍是一个弹性体，分内齿式和外齿式两种，外齿式带扶正面。

不论内齿式或外齿式，其内部与岩心接触的表面，均采用特殊加工工艺敷焊粒度为20~30目的铸造碳化钨，以提高其耐磨性和增大其磨擦系数。