钻井取心用液动投球装置研制

张奎奎，胡兆锋，吴伟

摘 要：钻井取心技术在作业前，需开启循环泵将钻井液充分冲刷取样内筒，确保在取心环节内筒部位无沉砂，取样的岩心样本在取心内筒工具内更加精准。当内筒工具冲洗干净后，从井口钻具水眼部位将密闭钢球投进内筒，密闭钢球从钻具水眼部位径直到达取心工具单流控制阀处，实现取心后内筒通道封闭的目的。但在取心环节应注意做好内筒的密闭，以避免钻进过程中钻井液冲刷、污染岩心，从而精准测量岩心的收获率指标。对于岩心取样环节的密封性问题，文中描述一种钻井取心液动投球装置，该装置能够调整钻井液的排量并打开藏球室，更加高效、简单的实现投球封闭取心作业。装置在工程实践中有效解决传统钻具组合中因含有内防喷装置，而不能在进口进行投球的技术难题，有助于提升钻井取心的工作效能。

关键词：钻井取心； 液动； 投球； 井控

钻进取心的运行机理，在取心前启动取心内筒旋转，清洗干净内筒周围的杂质，然后停泵，将方钻杆拆开，并从井口部位将密闭钢球投进，启动循环泵。为确保地层岩心样品不被污染，使用投球密闭方法需要反复多次启停循环泵，上卸扣操作，取心作业效率相对较低；特别是一些含硫化物浓度较高的地层进行取心，在地层动力及非平衡状态下，很容易出现喷射或动力导致密闭钢球无法投进井口。

一、钻井取心用液动投球装置研制

1. 结构及工作原理介绍

文中阐述的液压动力投球装置用于钻井取心，装置的关键构件有，保护外壳、弹性胶圈、限位器、滑套、弹簧、封堵、密闭钢球、密封圈、定位销和导向环等部件，装置的结构示意图见图1。

液压动力投球装置安装在取心工具与钻铤的中间部位，提前将密闭钢球储存于装置内部。在取心工具缓慢钻入岩心时，开启循环泵将内筒中的钻井液通过间隙喷洒在岩心表面，对内筒壁进行清洗；此时，当钻井液的喷射压力低于弹簧的极限应力值，滑套不能下移，此时密闭钢球无法弹射。当内套筒清洗过后，可加快钻井液的循环排量，这样钻井液的喷射压力作用于滑套，滑套内压力增大压缩弹簧，密闭钢球经过滑套投球孔固定在内筒上方的球座位置，自动形成对取样岩心的防护，避免钻井液浸入冲刷、污染岩心。

图1 钻井取心用液动投球装置结构示意图

1保护外壳 2弹性胶圈 3限位器 4滑套 5弹簧 6封堵 7密闭钢球 8定位销 9密封圈 10导向环

2. 滑套及弹簧分析计算

液压动力投球装置的技术核心，在于密闭钢球经过滑套投球孔固定在内筒，关键在于液体的推动力与弹簧张力的匹配度。也就是说，钻井液在正常的循环环节，液体喷射力要低于弹簧应力；当要投入密闭钢球时，此时加大钻井液的循环排量，液体喷射力高于弹簧的极限应力值，实现投球过程。这就需要推算出，滑套在钻井液循环作用下的液力值。

滑套受钻井液的冲击力:

Fj=ρ×Q×VJ                                                                                                (1)

式中：Fj—滑套受钻井液的冲击力，N；

Q—钻井液排量，L/s；

ρ—钻井液密度，g/cm3；

VJ—钻井液喷射速度，m/s。

其中，钻井液喷射速度VJ：

                                                                                               (2)

式中：VJ—钻井液喷射速度，m/s;

Q—钻井液排量，L/s；

AJ—滑套截面积，mm2。

根据式(1)、式(2)可推导出钻井液排量Q：

(3)

根据弹簧设计计算可得，再弹簧被压缩到投球位置的时候，弹力335 N。

对投球装置的实证分析，文中选取川7-4取心组合工具中液力投球装置为例，测算出的钻井液密度值1.5 g/cm3，根据上述公式推导出钻井液排量值为28 L/s，计算出滑套在钻井液冲击作用下的冲击力FJ达到360 N，该值高于弹簧压缩应力，使得弹簧被压缩至原位，此时钢球得以投放。

3. 钢球投放到位压力变化计算

基于对取心组合工具的构造方式，当密闭钢球投放至内筒的球座位置后，内筒中心轴处的水眼部位被封堵，此时循环泵的泵压升高。基于泵压计算公式：

p=0.0827×[(ρ×Q2)/(C2×d4)]                               (4)

式中：p—压力,MPa；

Q—钻井液排量，L/s；

ρ—钻井液密度，g/cm3；

C—流量系数，取0.98；

d—当量直径，cm。

其中当量直径d：

d=4×A/L                                        (5)

式中：A—总流的有效截面积,mm2；L—湿周(流体与固体壁面的接触长度)，mm。

研究中，以川7-4取心工具为例，钻井液密度1.5 g/cm3。根据式(4)计算出川7-4取心工具在钢球投放到位后泵压增加1.15 MPa。

二、钻井取心用液动投球装置室内测试及现场应用

1. 室内测试

对于液动投球装置的室内测试验证，相关试验于2018年3月开展，运用井下动力钻具测试平台对液动投球装置的可靠性进行测试。试验时使用清水（密度为1 g/cm3）作为钻井液的替代介质，而清水的密度理论值要低于钻井液（1.5 g/cm3）的实际密度，当钻井液的循环排量为28L/s时，此时清水介质的冲击力低于335 N。此时，液动投球装置未执行投球操作，理论计算值与实测数据基本吻合。若持续增加清水的循环排量，排量值达到34.3 L/s时，弹簧被压缩至原位，此时钢球得以投放。

为确保液动投球装置非偶然性试验的结论，技术人员由分别开展5次同样的测试，实测的排水量分别达到34.3 L/s、34.5 L/s、34.1 L/s、34.2 L/s、34.0 L/s，且钢球能够正常投放出去。根据多次成功的投球试验，进一步验证液动投球装置在清水介质作用下，平均排水量在34.2 L/s左右，试验的结果与理论设计、推断值基本吻合，可进行现场测试。

2. 现场应用

在多次室内实测结果稳定后，将液动投球装置与川7-4取心工具在某地区X井进行现场可靠性测试。选取钻井的取心段范围：5 299.30～5 372.53 m，测得的钻井液密度值为1.62 g/cm3，初始钻井液的循环排量为20.0 L/s，当初次循环结束后开始提升钻井液的循环排量。当钻井液的循环排量达到26.4 L/s时，此时循环泵泵压达到1.2 MPa，由此推断出液动投球装置已完成投球过程。而当钻井液的循环排量低于15 L/s时，投球装置归位完成取心工作，装置出井后与试验人员预估的结果相符，液动投球装置在取心作业时能够有效对内筒进行封堵。

运用液动投球装置进行现场测试时，共计入井取心作业4次，累计达到8筒/次的取心效果，取心进尺总计73.23 m，岩心长度合计70.58 m，岩心收获率高达96.38%，投球封堵成功率达到100%。在实测过程中钻井液的排水量分别达到26.4 L/s、26.7 L/s、25.9 L/s、26.1 L/s，在对现场测试数据系统分析后，发现实测值与理论计算值大致相符，为投球装置的广泛应用提供借鉴。

三、结论与认识

液动投球装置的室内测试和现场实测结果表明，基于液压动力原理将密闭钢球贮存于钻具组合工具的内部，在钻井取心作业时与组合工具同时下放至取样井。在投球时运用装置的液压传动作用，实现密闭钢球的投放，这种投球方法作业效率较高，且能在复杂的地层条件及含动力的井下进行取心作业，为液动投球装置的工程应用提供借鉴。

参考文献

[1]杨立文，苏洋，罗军，孙少亮.GW-CP194-80A型保压取心工具的研制[J].天然气工业,2020/第4期.

[2]贾俊，康海涛，刘洪彬，张涵池.MS1井超深海相地层取心实践与认识[J].钻采工艺,2021/第1期.