国外海洋钻井绳索取心新技术.pdf

第 3 2卷第 6期 V0 1 ． 3 2 N0 ． 6 钻 采 工 艺 D RmUNG＆P R OD U C 1 ] 【ON T E C H N O L O G Y 27 国外海 洋钻 井绳索取心新技术 胡 畔 ， 李伟成， 陈 立 ， 刘 彬 川庆钻探工程有限公 司钻采工艺技术研究院取心中心 胡畔等．国外海洋钻井绳索取心新技术． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 6 2 7 3 0 摘要介绍了国外“ 海洋钻井项 目” O c e a n D r i l l i n g P r o g r a mO D P 的4种钻井取心工具 ， 包括活塞取心工 具、 旋转取心 工具 、 延伸取心工具 ； 井下马达驱动取 心工具 。这 几种取 心 工具根据 取心地 层岩 性、 深度等 实 际情 况 与3种类型的取心钻头配合使用。文章概述了这些工具和钻头的结构和性能特点以及适用地层范围， 给出部分工 具和钻头的具体工作参数， 在此基础上还指出这些工具各 自的局限性， 分析了 O D P取心工具对于国内陆地取心的 指 导 意 义 。 关键词海洋钻井； 取心工具；取心钻头；结构；绳索取心 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6～7 6 8 X ． 2 0 0 9 ． 0 6 ． 0 0 8 一 、O D P取心工具 O D P的取心工具和钻头主要用于海洋取心 ， 是 现今世界上海洋取心成熟技术 和新技术 的集 中体 现， 同时可以作为陆地取心的参考和借鉴对象。 1 ． 活塞取心工具 A P C 活塞取心工具 A P C 是液压 动力 活塞取 心工 具 ， 用于获取相对未污染、 长 9 ． 5 m连续的定向岩心 样本。图 1为活塞取心钻头 图片。 图1 A P C 活塞取心钻头 活塞取心工具内筒通过取心钢缆下放到底部 ， 然后泵压加在钻柱上 ， 剪断止动销钉 ， 把 9 ． 5 m取心 内筒压放在沉积岩上开始取心。内装岩心的取心内 筒可以被钢缆往上拉 回， 当岩心被收回的时候 ， 钻柱 顶部 由钢缆操纵的封隔器允许钻柱继续旋转和进行 循环。岩心被收回后， 钻头和底部钻具组合可以再 次钻进 9 ． 5 m， 重复以上过程 。 结构特点 1 兼容性。活塞取心工具 A P C 内筒和延伸 取心工具 X C B 内筒配置同样 的底部钻具组合 ； 所 以， 这两种工具能够根据不 同地 层岩石 的取心需求 进行替换使用 ， 不用因为换钻头而起下钻 。 2 取心找正。井底的取心筒上装一个定 向工 具使 A P C能够顺利获取岩心。 3 实时温度测量仪 。取完岩心后 ， A P C取心 筒 内有一个槽安装 了热敏 电阻组 ， 能够记 录实时地 层温度 ， 为研究地层和井下安全 遇到烃类物质时 提供实时热量测量。 4 连续取心。不 用起下钻柱 ， 可 以实 现连续 取心 ， 提高取心效率。 2 ． 旋转取心工具 R C B 旋转取心工具 R C B 是设计用来 在坚硬 的沉 积岩或火成岩地层 取心 的一种取心工 具。R C B对 于在海 洋 地壳 硬 地层 取 心 起 重要 作用 。图 2为 R C B取心钻头图片 。 R C B取心 内筒 通过钻柱 自由掉落 泵压压力 锁接在底部钻具组合上 B H A 。R C B主钻头可以 获取 5 8 ． 7 mm直径的岩心。包括钻头 和外岩心筒 在内的底部钻具组合随着钻柱旋转 ， 而轴承使 内筒 固定不动。取心 内筒能够获取 9 ． 5 i n长岩心 ， 然后 通过钢缆收回。当使用钢缆 收 回岩心 的时候 ， 钻柱 收稿 日期 2 0 0 9 0 91 0 作者简介胡畔 1 9 8 2 ～ ， 学士学位， 2 0 0 5年毕业于北京清华大学机械工程及 自动化专业， 从事石油钻井取心方面的科研工作与现场应 用。地址 6 1 8 3 0 0 l J I I 省广汉市川庆钻探公司钻采工艺技术研究院 ， 电话 0 8 3 85 1 5 1 3 3 4， 1 3 7 7 8 2 1 8 3 0 3， Em a i l y o u m i n g y u h u o 1 6 3 ． c o m I 2 8 钻 采 工 艺 DRI LL I NG ＆ P RODUCT I ON T ECHN0L 0GY 2 0 0 9年 l 1 月 NO V ．2 0 o 9 顶部的一个电缆操作的封隔器允许钻柱继续旋转和 循环。 图2 R G B 旋转取 心钻头 结 构特 点 1 设计强度 高。R C B的底部钻 具组合、 钻头 和取心内筒组都进行 了强度设计来满 足在研磨性 高、 坚硬的沉积岩和火成岩地层使用的需要 。 2 副钻头 鞋 钻进。副钻头可 以用来钻进而 不需要获取岩心。副钻头用来在硬地层首先钻进 ， 通过一个特殊内筒接头来 和外筒连接来旋转钻进。 副钻头组设置成能够通过副钻头进行循环。副钻头 能够和标准 R C B进行替换来定点取心。 3 钻头卸掉后进行绳索测井。机械钻头拆卸 器 M B R 通过电缆操作来卸下井底的钻头， 提供一 个底部钻具组合来测井。测井能够在用 R C B工具 取心后进行 ， 而不用重新组装一个钻柱来安装测井 钻头。 4 连续取心。不用起下钻柱 ， 可 以实现连续 取心 ， 提高取心效率。 3 ． 延伸取心工具 X C B 延伸取心工具 X C B 用来在 软和 中硬地层获 取 9 ． 5 m长岩心样本。X C B一般用于以下情况 地 层太硬无法用活塞取心 ； 硬度不足以用旋转取心工 具 R C B 进行取心。在软地层 ， X C B取心器伸出主 钻头 ， 但是 当遇到坚硬 的岩石就缩 回主钻头。X C B 使用和活塞取心工具 A P C 一样 的底部钻具组合。 X C B依靠钻柱的旋转来钻进， 而中间的取心器同时 获取岩心 。图 3为延伸取心工具示意图。 结构 特点 1 副钻头取 心。X C B使 用 中间 的副钻 头取 心。副钻头方向正对主取心钻头前面， 减少流体对 岩心的冲刷 例如从主钻头喷射出来 的水流会损害 岩心 ， 能够提高在软和中硬地层收获率， 减少对岩 心的损害。图 4为 X C B钻头图片。 2 缩回副钻头。一个特殊的 回收设备允许正 常延伸在取心钻头外 的 X C B副钻头缩 回到底部钻 具组合里面直到副钻头和取心钻头齐平， 当遇到硬 地层的时候 ， 收回副钻头能减小失败几率。 软地层取心 硬地层取心 1 6 软地层取心器延伸 硬地层取心器收缩 图3 X 0 B 延伸取心工具示意图 1 外 筒 2 文 氏管排 放 系统 3 不旋 转取 心衬管 4 n- J“ 调尺寸 入 口 接头 5 取心器 6 锁销 7 螺旋弹簧 8 弹簧轴 9 快速释放装置 1 O 循 环流体 l 1 衬管轴承 1 2 流向控制副钻头 1 3 钻头密封装置 1 4 旋转 牙轮钻头 1 5 循环喷头 1 6 副钻头 图4 X 0 B 钻头 3 不旋转取心轴承。取心内筒转环允许当钻 头旋转时岩心相对地层保持稳定 ， 这样就减少了传 递给脆弱页状地层的旋转扭矩。 4 可替换性。和 A P C取心工具使用同样的底 部钻具组合 ， 避免 了起下钻带来 的取心空 白时间。 副钻头部齿选择 1 软地层 。锯齿状的碳化钨颗粒； 2 硬地层 。聚 晶金 刚石复合 片 P D C ， 孕镶 金刚石 ， 表面镶嵌金刚石或热稳定人造金刚石。 4 ． 井下马达驱动取心工具 MD C B 井下马达驱动取心筒 MD C B 是 同 A P C ／ X C B 底部钻具组合一致的可收回绳索取心工具 。这种取 第3 2卷第 6期 V0 1 ． 3 2 No ． 6 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆P R OD U C T I O N T E C H N OL O G Y 2 9 心筒的设计 目的是提高用 A P C ／ X C B工具难 以取心 的地层的取心收获率 例如硬裂 隙性 结晶岩 ， 夹层 硬／ 软地层 ， 和易碎岩石 ， 礁 岩 。要 配合为连续取 心行程准备工具 的组装 时间 约 1 h ， 这种取心方 式一般用于间歇性短进尺取心 4 ． 5 m的心长 。 M D C B通过在底部钻具组合上增加一个弹簧锁 类的部件就可 以和 A P C ／ X C B替换使 用。MD C B组 成部件为 马达、 推进器 、 内筒组和一个薄切面钻头 。 马达由通过钻柱往下的流体液力驱动， 并产生旋转 。 推进器通过液力给钻头提供钻压和推进内筒组。内 筒组有一个 4 ． 5 m的取心筒 ， 这个取心筒底部有 一 个薄切面的取心钻头 ， 所取岩心直径为 5 7 mm。 结构特点 1 金刚石 取心技术。与 A P C ／ X C B取 心工具 相 比， MD C B在更高 的转速 、 更低 的钻压下工作 ， 使 用薄切面孕镶金刚石的碳化钨钻头在易碎、 页状硬／ 软和结 晶地层取 心。MD C B对地层的钻压更低 ， 可 以提 高在易破碎地层和结 晶地层的取心质量和收获 率。 2 正排量式井 下马达。井下 的旋转和扭矩传 递是由贝克休斯 I n te q M a c h 1 P正排量式井下马达 来提供动力 的。因为是马达驱动钻头旋转 ， 能够消 除钻柱振动。 3 推进器总成。液力变成钻压 ， 可互换喷嘴 ， 可 以改善在不同流速下的钻压。 ’ 钻压能够通过施加稳定的压力于钻头上来被控 制 ， 这样就提高了金刚石钻头的寿命 和收获率。 4 互换 性好。加 上一 个 弹簧锁接 头 ， MD C B 能使用同 A P C和 X C B一样 的底部钻具组合。 4种取心工具适用于不 同地 层和情况 ， 其取 心 参数对比见表 1 。 表 1 4种取心工具取心参数对比表 种类 A P C 活塞取心工具 R C B 旋转取 L , 3 2 具 X C B 延伸取心工具 MD C B 井下马达取心工具 最大取心长度 9 ． 5 m 9 ． 5 m 9 ． 5 m 4 ． 5 m 岩心直径 6 2 m m 5 8 ． 7 m m 6 0 m m 5 7 m m 很 软 到 致 密 沉 积 岩 硬到特硬 沉积岩和火 含夹层的硬／ 软地层， 适用地层 软到中等致密地层 地层 成岩地层 易碎岩石、 礁岩 一 般 为 海 底 沉 积 岩 深度范围 海底到海底下 3 0 0 m 海底的火成岩地层 4 0 0～7 0 0 m， 也能够在 海底的火成岩地层 火成岩地层顶部取心 软 沉 积 岩 地 层 约 为 软 沉 积 岩 地 层 约 为 平均收获率 2 0 ％ ～ 5 5％ 8 3％ 1 0 0％ 1 0 0％ 根据水深和地层硬度 ， 根据水深和地层硬度， 根据水深和地层硬度， 取心效率 每小 时取 0 ． 32筒 每小时为 1到 2次取 根据水深和地层硬度 ， 每小时 1到4次取心 每小时为 1 到 2次取心 岩心 心 根据岩性， 平均 4 ． 0 钻进速度 约为9 ．53 8 ． 0 m ／ h 1 2～ 3 0 m ／ h 根据岩性 ， 平均 31 1 m ／ h 9 ．8 m／h 不能应用 于粒状地层 不能应用 于软的沉积 不能应用于泥岩或者 金刚石取心在软地层和松散 例如沙层 或者硬地 岩和粒状岩地层 例如 非常软的沉积岩、 粒状 颗粒状地层工作情况不理想。 应用 限制 沙 ， 碎 石 或 者 砾 石 地 岩石 地 层 例 如 沙 ， 取心长度是 4 ． 5 m， 需要 比典 层 ，因为取心筒可能卡 在硬地层 层 破碎岩石或者砾石， 或 型的 A P C ／ X C B取 9 ． 5 m岩心 者硬的火成岩地层 更多的下绳索和装卸时间 二、 O D P取心钻头类型 取心钻头根据切削结构 和轴承类 型进行 了分 类。O D P使用的钻头有 3种基本类 型， 根 据它们 的 功能和结构分为 研磨、 牙轮、 P D C型。图5 、 图 6 为 各种钻头示意图。 1 研磨型。金刚石钻头使用表面镶嵌或者孕 镶金刚石去研磨如页岩后者玄武岩这样 的硬地层 。 2 牙轮型。牙轮钻头转动镶嵌有齿 的锥形牙 轮通过刮削和压碎的复合动作移除软或硬地层。 3 P D C型。聚晶金刚石复合片钻头使用复合 钨硬质合金， 切削表面镶嵌有人造金刚石， 用刮刨复 合动作移除软或硬地层 。 副钻头叫做鞋 ， 被安装在内简底部 。内筒上的 3 0 钻 采 工 艺 DRI L L I NG ＆ P R0DUC TI ON TE CHN0L 0GY 2 0 0 9年 1 1 月 NO V ．2 0 o 9 鞋突出于主牙轮钻头 ， 钻进地层获取岩心。相反的， R C B工具的主取心钻头排掉地层 的大部分岩石形 成岩心。海洋钻井大部分使用旋转 四牙轮钻头。 P DC取心钻头 金刚石取心钻头 图5 P D C 钻头和 金刚石钻头示意图 图6 牙轮取心钻头示意图 三 、 结论与认识 1 通过对 O D P取心工具的介绍和分析可以看 出， O D P的几种取心工具对于不 同地层有较强的针 对性， 从软地层到很硬的地层， 都有对应的取心工具 来进行取心 ， 例如软地层采用活塞取心工具 ， 中硬地 层采用延伸取心工具， 硬地层采用旋转取心工具， 做 到了以最高的效率， 最小的成本来获得最大的收益， 这一点值得国内陆地取心借鉴。 2 j O D P 对于不同地层， 不同岩石硬度， 研发了 各种非常有针对性取心钻头 ， 最常使用 的是牙轮取 心钻头 ， 通过主副钻 头的共 同作用实现取心的多样 化 ， 高效高质完成取心作业 。和绳索取心一样 ， 国内 陆地也极少使用牙轮取心钻头， 包括 O D P这种主副 钻头取心模式。国内软地层和破碎地层取心一直是 个难题 ， 可 以借 鉴 O D P的海洋取 心方 式来进 行改 进 ， 提高在软地层 、 破碎地层的取心收获率 ； 通过更 换主钻头 金刚石钻头 ， 实现在硬地层同样具有很 高的收获率 。 3 O D P的 A P C 、 R C B、 X C B和 MD C B这几种取 心工具都是使用绳索取心方式， 可以看出绳索取心 技术在 国外海洋取心领域 占有很重要的位置。绳索 取心特点是“ 三高、 一低” ， 即钻速高 、 金刚石钻头寿 命长 、 时间利率高 ， 工人劳动强度低。绳索取心的大 量应用能够实现不用起下钻的连续取心， 提高效率 ； 同时为 O D P几种取心工具底部钻具组合之问互换 提供便利条件 ， 在需要不 同取心方式互换的时候只 需要通过拉拔绳索进行起下操作 ， 节约起下钻时间。 4 国内陆地取心可以借鉴 O D P几种海洋取心 工具 的结构和原理 ， 发展各种类型的绳索取心 ， 例如 使用井下 马达驱动取心工具 MD C B在易破碎地层 取心， 通过马达旋转消除钻柱震动 ， 最大程度获取完 整岩心。 参考文献 [ 1 ] D e u t s c h U， S u m m a r y o f t e s t i n g o f O D P c o ri n g s y s t e m s o n L e g 1 2 4E． I n Ha r d i n g，B．W ．，S t o r ms，M．A．，e t a 1 ．， Pr o c ． ODP， I ni t ． Re pt s ．， 1 2 4E Co l l e g e S t a t i o n，TX O c e a n D ri l l i n g P r o g r a m ， 1 9 9 0 5 9 6 1 ． [ 2 ] F l o y d K ．R e v i e w o f t h e d i a mo n d c o ri n g s y s t e m ．I n H a r - d i n g B W ，S t o rm s M A ， e t a 1 ．， P roc ．OD P， I n i t ． Re p t s ．， 1 2 4 E C o l l e g e S t a t i o n ，T X O c e a n D r i l l i n g P r o g r a m ， 1 99 0 3 740． [ 3 ] H o l l o w a y G L ．D i a m o n d c o r i‘ n g s y s t e m m o d i f i e d c o r e b a r - r e l a s s e mb l y ．I n S t o rm s M A，Na t l a n d J H，e t a 1 ． ，P roc ． O D P，I n i t ．R e p t s ． ，1 3 2 C o l l e g e S t a t i o n ，T X O c e a n D ri l l i n g P r o gra m ， 1 9 9 1 2 2 5 2 4 0 ． [ 4 ] H o l l o w a y G L ．D i a m o n d c o ri n g s y s t e m r o l l e r c o n e b i t s a n d a s s o c i a t e d h a r d wa r e ．I n S t o rm s M A，N a d a n d J H． e t a 1 ． ，P r o c ．ODP，I n i t ．Re p t s ．，1 3 2C o l l e g e S t a t i o n ，T X O c e a n D r i l l i n g P r o gra m ，1 9 9 1 2 1 1 2 2 4 ． [ 5 ] S k i n n e r L C ， a n d M c C a v e I N ． A n a l y s i s a n d m o d e l l i n g o f gra v i t y a n d p i s t o n c o ri n g b a s e d o n s o i l me c h a n i c s ． Ma r ． G e o 1 ． ， 1 9 9 1 2 2 0 0 3 1 8 1 2 0 4 ． [ 6 ] A c t o n G D， O k a d a M． C l e m e n t B M， L u n d s P ， a n d Wi l ． 1 i a n a s T．P a l e o ma g n e t i c o v e r p r i n t s i n o c e a n s e d i me n t c o r e , a n d t h e i r r e l a t i o n s h i p t o s h e a r d e f o rm a t i o n c a u s e d b y p i s - t o n c o r i n g ．J ．G e o p h y s ．R e s ． ， 2 0 0 2 ， 1 0 7 B 4 2 0 6 7 ． 编辑 黄晓川 标准分享网 w w w .b z f x w 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