保压取芯工具的使用.ppt

保压取芯工具的使用,保压密闭取心是能够保持或接近地层压力的一项新的技术，由于采用了低温冷冻密封方法，使岩心中流体和溶解气能保持在原始状态。这种分析技术对于正确认识地质情况、计算油田可采储量、残余油分布、合理地制定开发方案、提高采收率有着十分重要的意义。保压密闭取心与常规取心不同。它能取出保持储层原始压力下的含油、含水饱和度的岩心。常规取心主要受两种不利因素影响：一是钻井液浸人并冲刷岩心，因而驱走了岩心中所含油气水组分。二是当岩心出筒后，因环境压力降低和温度下降影响，使岩心中的气体和原油中的轻质组分剧烈膨胀而散逸。而保压密闭取心能保持岩心中的压力状态，对于定量分析油水饱和度资料更加精确。,早在30年代美国就提出了压力取心技术，经过40余年的研究改进，1979年投入商业服务，当年取心220次，1980年1981年取心565次。随着我国油气田开发的迅速发展，大庆油田在1980年开展了这项技术的研究，至1982年就完成了压力密闭取心工具的设计与试制，并在室内进行了54次的各种工具的静密封、球阀关闭、内外筒脱开、压力测试等单元试验，并在9口井取心22筒次。经过不断改进，最后在3口井连续取心7筒，平均岩心收获率98.7%,平均岩心保压率达到80.2%,平均岩心密闭率达到97%,实际技术指标全部达到设计要求。,国内保压取芯工具,1 工具结构原理,保压密闭取心工具由上接头、球挂式差动装置、悬挂轴承总成、单向阀总成、内筒、外筒、球阀总成、岩心爪总成、取心钻头和密闭总成等组成，如图1所示。,图1 保压密闭取心工具结构图 1-上接头；2-差动装置；3-悬挂轴承总成；4-测压头；5-外筒；6-内筒；7-球阀总成；8-钻头；9-密封头。,保压取心筒是一种双筒单动式取心筒，外筒与取心钻头连接，传递钻压和扭矩。内筒是非旋转的薄壁管，悬挂在用钻井液润滑的轴承上，它不但是容纳岩心的容器，同时也是做为岩心切割后的壳体，其长度适合于运输。工具上部差动装置具有伸缩功能，并带有锁闭和释放机构，内外六方传递扭矩。工具下部是球阀总成，这是工具下部密闭系统。当钻完进尺后，上提钻具割断岩心，然后投入50mm钢球一个，使之坐于滑套球座上，待钻井液返出且泵压正常，说明滑套到位。,此时在外筒重力作用下，内外六方脱开，外筒下移，其重力作用在球阀半滑环上，半滑环使球体产生一定扭矩并旋转90而关闭球阀，使岩心密封在内筒中。压力补偿系统包括高压氮气储气室和一个可调节的压力调节器，以及相关的供给氮气阀门机构，阀门机构可预先调节到规定压力，起钻过程中可恒定地向内筒补充压力，直到与地层压力平衡为止。工具下井前，在内筒中预先填充一种非浸蚀性的胶体密闭液，在钻进过程中不断把岩心包封起来，保护岩心免遭钻井液污染。割心时，上提钻具，岩心爪卡断岩心，并把岩心扶正到球阀内。,图2 国产保压密闭取心工具结构示意图1-上接头；2-差动装置；3-悬挂轴承总成；4-压力补偿装置；5-外筒；6-内筒；7-球阀总成；8-取心钻头；9-密封头。,2 设计特点（与一般密闭取心工具之不同点）具有在割心后能密封内筒保持地层压力的球阀关闭机构。具有能够保持内筒压力恒定的压力自动补偿机构。具有充压、测压与泄压的阀门组机构。具有能释放外筒、关闭球阀、打开气室调节阀并能自锁的差动机构。具有能保证取心钻进时内筒不旋转的轴承悬挂总成。,具有包括对岩心进行清洗、冷冻、切割、分析化验等功能在内的一整套专用地面处理设备。国产工具采有密闭内筒的办法，压力能直接向内筒补偿，工具从井口起出后，可直接抽出内筒进行岩心冷冻与切割，省去了地面冲洗程序和所需要的复杂设备与冲洗液材料。美国工具采用密闭外筒的办法，从井口起出工具后需要在服务车间内用专门仪器设备和冲洗液进行高压冲洗，之后才能进行冷冻与切割。,3 适用范围工具适用于软硬地层的保压密闭取心。安全抗扭强度是150kNm和最大抗拉强度是2530kN4钻井液性能要尽可能控制钻井液密度和钻井泵排量，以便减少井眼液柱压力与地层压力的压差，并力求达到平衡地层压力条件下钻井取心。要求粘度35 s 45s，固相含量尽可能低，含砂量小于0.5%，失水量小于2ml，钻井液性能达到均匀稳定。,5 部件简介1）钻头、密闭头及卡心部分（1）钻头采用六翼三阶梯式取心钻头，切削面为锥形，水眼方向朝向井壁一侧，以免直接冲刷岩心柱。另外，为减少钻井液在水眼上的压力降，适当增加了水眼的总面积，采用1810mm水眼。（2）卡心结构采用卡环与卡箍组合形式，能适应软硬地层割心。（3）密闭头从密闭头孔道注入密闭液，钻进前可密封密闭液，钻进时引导岩心进筒，并迫使密闭液从内筒不断排出，使岩心柱表面形成保护液涂层，防止外界钻井液污染。,2）内外岩心筒组合外岩心筒采用API193.675mm，N-80，壁厚12.7mm套管。内岩心筒采用API88.9mm，壁厚6.45mm油管。3）球阀关闭机构由球体、上下阀座、预紧弹簧、阀外壳、半滑环、密闭盘根、轴承等部件组成。利用外筒重力迫使球阀旋转90而关闭，使岩心密闭在内筒中，以保持岩心所在地层的压力。球阀总成如图3所示。,图3 球阀总成,4）悬挂与测压机构由悬挂轴承总成、内筒上接头、锥形阀、压力表接头、密封件等部件组成。悬挂轴承可使内外岩心筒产生相对运动。锥形阀可关阀内筒上口，并能接受压力表测压，或放空内筒压力。,5）差动机构由上接头、六方杆、六方套、滑套、剪销、剪销环、丝堵、悬挂球、承球、压帽和“O”型密封圈等部件组成。其作用是：传递钻具扭矩，内筒在悬挂轴承的作用下可与外筒相对转动，钻进取心时内筒不转；释放外筒时，关闭球阀。,表1 国产保压（密闭）取心工具规格,7 结构特点1）内筒充满非浸入凝胶密闭液，当岩心进入内筒后，密闭液中的固相颗粒能堵塞岩心空隙，并在岩心表面形成保护膜，以密闭岩心。2）工具采用内筒密封，结构简单，密封可靠，内筒抽出后可直接进行冷冻和切割，减少了地面冲洗程序所需要的复杂设备及冲洗液。冷冻时，可使用干冰或其它冷冻材料。3）球阀关闭安全可靠，钻进中内筒穿过球阀，钻进后内筒向上移动一定距离，在差动装置作用下，球阀自动关闭，并封闭内筒下端，使岩心密闭在内筒中。,4）工具的差动装置采用球悬挂外筒，靠钻井液的循环压力自动释放，结构简单，灵活可靠。且释放后能自锁，保证起钻中工具的稳定性，有利于内筒滑动部位的密封。5）内筒上测压接头能密封内筒上口，也能测试内筒压力，也可泄压。悬挂总成保证了内外相对转动，有利于岩心收获率的提高。6）压力补偿系统可直接给内筒补充压力，减少了渗漏环节，能提高工具的保压率。7）密封部分分别采用了“O”型密封圈，自封式盘根和尼龙与橡胶硫化组合式密封，螺纹的联结密封均采用锥度扣加一道密封圈。,8 使用要求1)取心前的准备 配齐地面处理设备，如取心专用工具、冷冻箱、切割机、运输车，美国工具必须备有美国进口的服务车间。配齐密闭液材料，包括碳酸钙、溴化钙、羟乙基纤维素（HEC）。使用美国工具需要配备冲洗液材料，包括有机膨润土（VG-69）和石脑油。冷冻材料一般选用固体二氧化碳（干冰），每筒岩心用量不少于250kg。充气材料选用惰性气体，一般选用氮气或氩气，每筒岩心需用压力达12MPa的气瓶。,2）工具组装好，从密闭头处注入清水试压25MPa，30min下降0.3MPa，球阀与密封处不渗不漏为合格。3）储气室、调压室总成、气室联通接头总成组装好后，用氮气试压40MPa，30min下降0.3MPa为合格。4）用齿轮泵将CH型密闭液从密闭头处注入内筒，注入量为40l，经检查不渗不漏方可入井。5）工具上下钻台，应用大钩和气动绞车配合操作。6）必须坚持使用钻杆滤清器。7）示踪剂（酚酞）含量达到要求后，慢慢下放钻具至井底，并轻压慢转。当密闭头销钉剪断并引导岩心进入内筒后，再逐渐加压进行正常钻进。,8）钻完预定进尺之后，上提钻具，割心。投入一颗直径为50mm的钢球，开泵送球入座，水力剪销。泵压恢复正常后，即表明销钉剪断。在外筒重力作用下，球阀关闭内筒密封。9）工具放到地面以后，卸掉外筒悬挂轴承以上部分，将压力表接到内筒测压孔中，打开针阀即可读出筒内的压力。测压后关闭针阀，将工具放入特制的冷冻箱内冷冻810h。待岩心中的液体处于凝固状态以后，取出内筒按需要用高速切割机切成数段，贴好标签，装入保温箱，运往化验室。,9、操作技术要点,1）操作要求（1)下钻以前的准备工作要求配齐必要的装备及所需材料。例如，运输车辆、压力取心专用工具、钻头装卸器、冷冻箱、切割机、密闭液、冷冻材料等。（2)组装工具及试压按要求组装内岩心筒和球阀，用清水进行试压，试压压力达到25MPa，30min压力下降不得超过0.3MPa。然后，整体组装内岩心筒总成与外岩心筒。（3)注入密闭液从密闭头处用齿轮油泵将密闭液注入内岩心筒，注满为止，其容量大约40l，经仔细检查，确无漏失，方可下井。,（4)吊升岩心筒将岩心筒用双猫头或者单猫头配合以钻台小绞车平稳地吊升到井架大门坡道，再将吊卡扣在提升短节上，吊升时，严防工具与钻台碰击。然后，小心地将岩心筒放于井口，用大钳确实将处筒各连接螺纹上紧以后，再继续下井。（5)下钻除了严格执行常规取心工具的下钻作业要求以外，建议最好将下钻速度控制在34m/min以内。（6）钻进严格执行钻井取心的钻进要求，并应特别指出，钻头下到离井底3m左右时，开泵循环，冲冼井底，待井底冲洗干净，钻井液性能达到要求以后，使钻头缓慢接触井底，轻压慢转，剪断密闭头的销钉，待岩心在密闭头的引导下，进入内岩心筒以后，方可逐渐加压正常钻进。取心钻进参数见表2。,（7）起钻按照常规取心要求割心上提钻具、座稳吊卡以后，卸开方钻杆，投入50.8mm(2in)钢球，重新循环钻井液送球入座。当压力达到一定的数值时，滑套销钉就被剪断，悬挂球脱开，内、外筒开始滑动，在外筒重力作用下关闭球阀。然后，以3m/min的速度起钻，操作平稳。,（8)井口测压将岩心筒起到井口，卸掉六方套接头和悬挂接头，将压力表接到测压阀上，卸松锥形阀即可读出压力数值。然后，将内岩心筒全部抽出来送到冷冻箱进行冷冻。（9)冷冻与切割将内筒放入冷冻箱以后，把足够数量的干冰放在内筒周围，等候1012h，使岩心中的油、气、水冷冻。冷冻过程中要向内筒补充原有的压力，冷冻结束以后，再将残余压力放掉。,切割是在高速切割机上边完成的。先把岩心筒放入支架，再按照要求将岩心和内筒一起切成一定长度，以有利于运输和化验。在切割中，如果发现溶化，应当立即另行冷冻再进行切割。切割的速度要快，切割以后用橡皮帽将切开的两端封好，贴好标签送至冷冻箱继续冷冻，并运到化验室进行处理。（10)岩心化验岩心运到化验室以后，先用铣床铣开内岩心筒，清除密闭液，再用切片机切片，对切片进行油、气、水饱和度的化验和收集。2）技术要求（1）钻井液要求在钻井液中，尽可能不使用表面活性剂和乳化剂，失水和含砂量要低，粘度相对高些，在流速较低的情况下，保证钻井液仍然具有足够的携带岩屑能力。,（2）密闭液要求密闭液应该具有对岩心的低浸入和低失水性能；应该对储层岩石和液体呈现惰性，并且具有良好的热稳定性能。（3）压差要求在取心钻进过程中，钻井液与岩心之间的压力不平衡是造成岩心污染的主要因素。应该将井内钻井液循环系统的动态与静态压力不平衡控制在最低限度，一般将其限制在1.5MPa以下。同时，应该严格执行近平衡压力钻井的有关技术要求。（4）井身质量要求井底干净，没有落物，井斜达到质量标准。（5）钻进参数根据不同岩性选择钻进参数，一般情况下，排量为1525L/s，油砂层可以适当低一些；钻压：油砂层为6080kN，泥砂层为8090kN，钙质砂岩为90100kN，转速一般为7080rpm，油砂层可以低些，取6080rpm。,（二）美国PCBBL型保压取心工具,1 工具结构,PCBBL型保压取心工具由花键上接头、花键差动装置、锁块、悬挂轴承、密封接头、分流接头、密封圈、滑阀、压力调节总成、气体储存室、单流阀、内筒、外筒、球阀操作装置、球阀总成、岩心爪和取心钻头等组成（见图4）。,图4 美国克里斯坦森保压密闭取心工具结构示意图1-泥浆液流孔；2-释放塞；3-锁块；4-花键接头；5-弹簧；6-密封圈；7-密封接头；8-密封圈；9-外筒总成；10-球阀操作器；11-球阀；12-钻头。,3 工作原理PCBBL型保压取心工具在现场工作间调试合格（花键差动装置呈闭合状态）即可下井。当钻完进尺以后，停泵，上提钻具割心。然后，将直径为31.75mm钢球投入钻杆，开泵送球入座。当泵压略高于钻进泵压瞬间又下降到略低于钻进泵压时，表明锁块滑出，差动装置呈拉伸状态并锁死。与此同时，外筒相对于内筒下移，在外筒重力和弹簧预压力的双重作用下，关闭球阀。此时，内筒上部的高精度密封圈已进入密封接头，使岩心筒上下完全封闭。滑阀打开，压力调节总成的通道与外筒内腔连通。起钻过程中，温度和压力逐渐降低，岩心筒内的压力也随着下降。为了始终保持岩心筒内的井底压力，当岩心筒内的压力低于稳压室的标定压力时，压力调节总成中的稳压活塞就顶开气体储存室的针阀机构，高压氮气经通道进入岩心筒。当压力与稳压室的压力平衡时，针阀关闭，从而使岩心筒内的压力起出井口时仍保持井底压力。,4 使用要求1）取心前的准备（1）井场有充足的淡水和短途运输工具。（2）井场布置和工作间的位置，如图5所示。（3）备有足够的干冰、氮气、冲洗溶剂、示踪剂（氟水）及易损零部件。（4）钻井设备和净化设备工作可靠，运转正常。,2)工具的调试与组装(1)所有部件清洗干净，密封面涂密封脂，螺纹涂丝扣油，并不得碰伤。(2)所有密封部位不渗不漏，花键差动装置滑动无阻卡，球阀总成转动自如和球座不渗不漏为合格。(3)工具清水试压。试压时，逐渐增压至35.2MPa，经1530min球阀面和球座不渗不漏为合格。,（4）计算取心时的井底压力：Pm=mH/101.972式中：Pm井底压力，MPa；m钻井液密度，g/cm3；H井深，m。（5）向气体储存室和压力调节总成注入高压氮气。当压力调节室达到要求的井底压力时，再将气体储存室的压力增加到井底压力的2.63倍。模拟压力损失，开关几次阀门，压力表的读数能回到预定的井底压力，表明压力调节系统工作正常。关闭所有阀门，放余压，拆除管汇、仪表，装上丝堵，放入水槽的水中检查有无渗漏。,（6）组装工具时，不得有任何操作不当，防止将滑阀打开，而被迫重新充压。（7）工具组装好后，钻头内台肩与内筒鞋下端的间隙应为69mm3）取心作业（1）下钻应控制速度，操作平稳，遇阻不超过20KN。（2）必须使用钻杆滤清器。（3）配好方入，尽量不接单根（允许接单根）。（4）钻井参数：钻压10 KN60KN；转速60 r/min90r/min；排量3.9 l/s12.6l/s。（5）取心钻进前，应在钻井液中加入示踪剂（氟水）待循环均匀后再取心钻进。钻完进尺以后，停泵，上提钻具割心。然后，投入一颗直径为31.3mm的钢球，循环送球入座，当泵压比钻进泵压高1 MPa1.5MPa,延续1s5s以后，压力下降至钻进泵压以下时，说明球阀关闭，即可起钻。（6）工具起出井口时，切勿用手检查球阀是否关闭，以免伤手。（7）工具用大钩和气动绞车抬下钻台，清洗干净，送入工作间。,4）冲洗（1）设备及工具的准备 电子监测仪器a、DP-22传感器按校正、调试程序进行校正。b、TI-100型记录系统应调好年、月、日、时、分，走纸速度，灯光警报等。冲洗系统、回压系统、高压水泵工作正常，测试管汇和高压软管及上下冲洗接头齐全。压入足够量的冲洗液到冲洗缸，并向回压缸内注入7.51ml清水。分别对所连接的管线预充压，使各自的管压为P=Pm+3.5MPa。,（2）冲洗程序将工具放在工作间的支承架上，卸掉钻头或护丝。从工具上部用取球器取出钢球，用专用拆装杆压缩弹簧，使琐块松开。从密封接头上部的公螺纹处卸开，露出公花键及内筒总成的上部。卸掉拆装杆，将锁块锁住母花键下槽，差动装置呈闭合状态。卸差动装置时不得让密封心轴转动，并让密封接头的测压孔朝上。卸掉测压孔的丝堵，将DP-22传感器及测量管汇接到此孔上，并与TI-100型电子监测仪的相关频道连通。打开针形阀，压力表即可显示数值，电子监测仪开始工作，并用1号DP-22传感器观察和记录岩心筒内的压力变化情况。,将上下冲洗接头分别接在密封接头上部和岩心筒下部的螺纹上，并关闭其上的A、B、C处的阀门。将回压系统的软管与下冲洗接头C阀连接。启动回压泵，预加回压，使2号回压传感器的读数和岩心筒上的1号传感器读数相同。用软管连接水泵和上冲洗接头的B阀。打开阀门，用水泵慢慢加压，使之与岩心筒的压力相等。打开C阀，给球阀预加压，使球阀两端压力平衡之后，即可用六方搬手插入球阀轴销孔，转动90打开球阀。继续调节两端压力等于岩心筒压力以后，关闭B阀。拆除软管，并将其软管接在上冲洗接头的A阀上。,仍在回压系统的配合下，开泵推内筒鞋坐入下冲洗接头的密封杯中。当压力增高并超过岩心筒压力3.5MPa时，停泵，关闭A、C阀，并拆除两端软管。将回压系统与上冲洗接头的B阀用软管连接；冲洗系统与下冲洗接头的C阀用软管连接。两端预加压，其压力等于岩心筒压力以后，先打开B阀，并使岩心筒压力稳定（从1号传感器观察）。当冲洗系统压力超过岩心筒压力时，才缓慢打开C阀，调节泵量和回压调节器，使压力始终保持略高于岩心筒压力（从2号传感器观察）。若调节配合不当电子监测仪将报警，应及时调节使压力符合规定要求。冲洗时，应将岩心筒下端抬高以便冲洗。用冲洗液将岩心筒内的钻井液全部替出之后，关阀C阀。确认岩心筒压力稳定以后，回压系统停止工作，关阀B阀，结束冲洗。放回压，拆除所有软管之后，即可开始冷冻。,5）岩心的冷冻（1）用软管将上冲洗接头的B阀、DP-22传感器氮气调节管汇串连在一起。调节氮气调节阀，通过DP-22传感器观察，使氮气压力P=Pm+0.35Mpa。调节好记录系统压力的高、低限量，监测冷冻过程中的压力变化情况。如果压力超出高低限量时，警报器立即报警，可及时调整压力使其符合规定要求。（2）打开B阀，使氮气和岩心筒压力相等。（3）把干冰铺在工作间的冷冻槽里，并填到支承板高度。然后，小心地把带有氮气软管的岩心筒放入冷冻槽内。（4）从球阀端开始，逐段填满并压实干冰。定时监测岩心筒压力和检查干冰量，经810h或更多一些时间冷冻以后，关闭上冲洗接头的B阀，拆除管汇，并在B阀处放压。,（5）卸掉上、下冲洗接头（注意：操作人员切不可与岩心筒位于一条线上，以免余压伤人）。用绞车将内筒下端拉出，并立即放入冷冻槽内，填实干冰继续冷冻1h2h，以保证岩心中的液体得到进一步凝固。6）岩心的切割与装箱（1）冷冻岩心的切割工作尽可能在短的时间内完成。（2)用高速切割机从岩心爪端开始，按顺序把内筒和岩心切割成要求长度。岩心两端戴上橡胶护帽，并用卡箍固定，再放入冷冻槽内冷冻。（3)按切割顺序，在每段岩心两端挂上标牌。包装好的岩心段应装入放有干冰的保温箱内，及时用冷冻车迅速送往化验室。,5、冲冼液的配制1）按每筒用石脑溶剂、VG-69胶凝剂6.89.1kg的量配制。2）配制方法 将石脑溶剂放入混合容器内，安装好搅拌器。以40006000r/min的速度搅拌，并把两个控制板全部放下，使之形成涡流。慢慢加入胶凝剂VG-69防止形成团块。当VG-69全部加入并浸湿后，将控制板完全提起来，反射控制板刚好放在液体表面下，即可形成均质混合搅拌。高速搅拌1h2h，其粘度达到10PaS30PaS之后即可停止搅拌。卸去搅拌器（及时清洗干净），装上混合容器的盖板。旋紧盖板螺纹帽，用压缩空气将冲洗液压入冲洗缸待用。,