QC／ZS 106-54小井眼取心工具的研制与应用*
2019-06-12姚坤鹏姚建林
姚坤鹏，姚建林，何 超
（中石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院）
姚坤鹏等.QC／ZS 106-54小井眼取心工具的研制与应用.钻采工艺，2019，42（5）：81-82，86
随着钻井技术的发展，油田勘探的不断深入，在钻井结构设计中，为科学合理的缩小井眼尺寸，通过小井眼进行钻进达到目的层，可有效的降低钻井成本。但随着井深的增加，井眼尺寸的减小，井身结构变得复杂，常规取心工具已无法满足小井眼钻井取心，研制符合取心井位特点的小井眼（Ø104.8 mm～Ø117.5 mm）［1-4］取心工具至关重要。
目前，常用的小井眼取心工具为川式小井眼取心工具（QC／ZS 89-45），采用Ø89 mm的钻具组合，钻具抗弯性能不足，易造成取心工具在井下失稳，岩心直径细，抵抗侧向力能力差，当钻具弯曲旋转时，取心工具在井下失稳很容易使岩心折断，引起堵心或卡心。为此，研制出了新型的QC／ZS 106-54小井眼取心工具，并开展了现场实验研究。
一、QC／ZS 106-54取心工具研制
1.工具结构
QC／ZS 106-54小井眼取心工具上部采用分水接头，对下端连接的旋转总成起到分流减压作用；中部沿用常规取心工具的双筒单动结构，岩心直径54 mm、长4.6 m；工具底部采用了自锁式岩心爪组合件（见图1）。
图1 QC／ZS 106-54取心工具结构示意图
2.技术特点
2.1 高强度外岩心筒设计
小井眼取心工具一般应用于深井超深井，为确保井下安全，外岩心筒选用优质无缝钢管加工制作而成，其管材本身强度高，再加上利用川式高强度取心工具专用螺纹［5］，其极限拉伸载荷达到1 287 kN，极限扭转载荷达到27.1 kN·m，见图2外岩心筒螺纹的等效应力云图。
2.2 岩心稳定性高
根据井眼尺寸（Ø120.65 mm），最大化地设计岩心尺寸（Ø54 mm），尽可能的提高了岩心在井底 的稳定性，保证岩心收获率。
图2 外岩心筒螺纹的等效应力云图
2.3 分流泄压设计
由于工具尺寸非常小，旋转总成内钻井液流道预留不足，容易在工具内形成大的压差，分水接头的分流设计能够在钻井液进入旋转总成前将其提前进行分流（见图3），减小工具内压差，避免对取心工具造成严重冲蚀，甚至刺穿工具本体，影响取心效果。
图3 分水接头示意图
2.4 自锁式岩心爪设计
岩心爪是取心工具的关键部件，自锁式岩心爪在割心时沿岩心爪座内锥面下滑，在逐渐收紧的过程中将岩心包紧，最终达到割心的目的。结合深井地层岩石相对致密的特点，自锁式岩心爪内工作表面设计为方凸块加敷碳化钨颗粒。这种结构能在割心时顺利下滑缩径包紧岩心实现自锁，起到割断岩心和保住已入筒岩心的关键作用。
3.主要技术参数
QC／ZS 106-54小井眼取心工具主要技术参数见表1。
表1 主要技术参数表
二、现场应用
1.现场基本情况
X井是塔河油田的一口遇探井，钻井设计井深6 929.34 m。设计在奥陶系鹰山组进行取心，取心井深6 633.77～6 830.78 m，井眼尺寸Ø120.65 mm，属于超深井小井眼取心。该井取心层段主要岩性为灰岩，可钻性较好，部分层段裂缝发育，岩心破碎，在取心过程中易造成堵心磨心，影响岩心收获率。
2.取心情况
2.1 钻具组合
Ø119 mm取心钻头+QC／ZS 106-54取心工具+回压凡尔+Ø88.9 mm钻铤+Ø88.9 mm钻杆+Ø101.6 mm钻杆+方钻杆。
2.2 取心参数
树心：钻压5～10 kN，转速40～45 r／min，排量5～6 L／s。
钻进：钻压10～20 kN，转速50～55 r／min，排量6～9 L／s。
2.3 取心效果
此次取心层段为6 633.77～6 637.24 m，取心1筒次，进尺3.47 m，岩心长度2.35 m，岩心收获率67.7%。取心钻进至井深6 636.27 m（进尺2.5 m）时，1号泵刺坏倒至2号泵，排量从9.7 L／s下降到6.5 L／s，立压从16.0 MPa下降到8.0 MPa，灵敏表钻压显示回零，扭矩、悬重及其他参数无明显变化，后续钻进过程中泵压无明显变化，无其他异常现象，钻进至井深6 637.04 m（进尺3.27 m）时，泵压从8.0 MPa上涨到10 MPa，观察20 cm判断为卡心堵心，与现场各方协商后割心起钻。
3.取心效果分析
该井取心属超深井小井眼取心，工具柔性强，取心难度大。虽然岩心收获率不高，但是也大大高于该区块其它们井小井眼取心收获率。根据分析，导致岩心收获率不高的可能原因有以下两个：
（1）地层岩性的原因。该井取心层段位于奥陶系鹰山组，部分层段裂缝发育，岩心破碎，在取心过程中易造成堵心磨心，影响取心进尺和岩心收获率。根据出心情况，发现底部（岩心爪位置）岩心较破碎，起钻过程中造成岩心抓紧不牢、下部岩心掉落，导致岩心收获率不高，是造成岩心收获率不高的主要原因。
（2）取心工具的原因。由于井眼尺寸的限制（井眼尺寸Ø120.65 mm，工具外径106 mm），未设计稳定器扶正；同时，小井眼取心工具的钻井液流道较常规取心工具的更小，工具内压力变化幅度更大，从心轴侧孔中喷射出的高速钻井液对取心工具有很大的冲击。受此两个因素影响，工具本身稳定性不足，很容易使岩心折断，影响岩心收获率。
三、认识和建议
（1）对入井工具要认真检查。内外筒无咬扁，无裂纹，不弯曲，旋转总成转动灵活，检查取心筒水眼是否畅通，使用新的岩心爪。
（2）在进行超深井小井眼取心作业时，以井下工具安全为主，严格执行坐岗制度，加密观察和记录泵压、扭矩等变化，分析判断准确，有异常及时采取相应措施，处理要果断，尽力提高取心收获率。
（3）在小井眼取心设计时，工具内应预留足够的钻井液通道，取心工具入井到底后，优选合适排量循环，防止取心工具刺漏。
（4）在超深井小井眼进行取心作业时，要大幅上提下放活动钻具，待井底冲洗干净、扭矩正常后方可进行取心作业，钻进时做到均匀送钻，采用低钻压控时钻进，提高取心工具及钻具的井下稳定性，确保取心单筒进尺和收获率。
（5）在超深井小井眼进行取心作业时不宜贪图进尺，遇到特殊情况时应第一时间割心起钻，保证已取得的岩心。
