取岩心

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取岩心是在钻井过程中使用特殊的取心工具把地下岩石成块地取到地面上来,这种成块的岩石叫做岩心,通过它可以测定岩石的各种性质,直观地研究地下构造和岩石沉积环境,了解其中的流体性质等。在矿产勘探和开发过程中,需要按地质设计的地层层位和深度,开展钻进工作,向井内下入取心工具,钻取出的岩石样品。岩心是了解地下地层和含矿特征最直观、最实际的资料。
中文名
取岩心
外文名
coring
分    类
地质勘探
定    义
钻井过程中取出的成块的岩石
作    用
测定岩石的性质,研究地下构造和岩石沉积环境,了解流体性质

取岩心重要性

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岩心是油田上宝贵的基础资料。通过对岩心的观察研究,可以直接地了解地下岩层岩性物性和含油、气、水产状特征。
在油田勘探过程中,岩心是发现油气层和研究地层、生油层储油层盖层、构造等的重要资料。油田投入开发后,要通过岩心进一步研究和认识油层沉积特征,储层的物性、孔隙结构润湿性相对渗透率、岩相特征,油层物理模拟和油层水淹规律;认识和掌握不同开发阶段、不同含水阶段油层水淹特征,搞清剩余油分布,为油田开发方案设计,层系、井网调整和加密井提供科学依据。因此,从发现油田钻第一口井开始至油田开采终止,都离不开岩心。
在20世纪50年代,国外一些地质学家称岩心是地质人员的“面包”,意思是地质人员离不开岩心,没有岩心,对地下情况就不了解。在科学发达的今天,尽管探测地下地质情况的各种新技术、新方法不断出现,但是,这些都是间接的。所以,岩心的作用是各种间接的探测方法(如地球物理方法等)所不能代替的。

取岩心目的

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岩心资料是最直观地反映地下岩层特征及其含油、气、水特征的第一手资料。取心的目的是,通过对岩心的观察分析、研究解决以下主要问题:
1)了解岩性和岩相特征。结合重矿物、粒度和薄片鉴定及其它测试技术分析,判断沉积环境。
2)研究古生物化石及其分布特征,确定地层时代,进行地层对比。
3)通过对岩心的观察、分析可以发现油、气层,并对岩心的含油、气、水产状进行观察描述。
4)研究生油层特征及生油各项指标。
5)清楚油层分布,合理划分油层组、砂岩组和小层。
6)研究储集层的储油物性(孔隙度、渗透率、含油饱和度),建立储集层物性参数图版,确定和划分有效厚度和隔层标准,为储量计算和油田开发方案设计提供可靠资料。
7)研究储集层的“四性”(岩性、物性、电性、含油性)关系,进行定性和定量解释。
8)研究地层产状、地层接触关系裂隙溶洞及断层发育情况等。
9)检査开发效果,研究不同开发阶段油层的水洗特征和水淹层的驱油效率。研究水淹层的岩电关系,进行定性和定量解释。了解开发过程中所必需的其他资料数据。
10)为钻井过程中的钻井液、可钻性及采油过程中的压裂、酸化等,提供岩石的物理和化学资料。 [1] 

取岩心常规取心

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取心钻进有以下3个环节,一是环状破碎井底岩石,形成岩心(圆柱体);二是保护岩心:钻进取心时,对已形成的岩心要加以保护,避免循环的钻井液冲蚀岩心及钻柱转动的机械碰撞、损坏岩心:三是取出岩心:在钻进取心到一定长度后(通常为一个单根长度,也可以进行长筒取心达几十米甚至百米),要从所形成岩心的底部割断并夹紧,在起钻时随钻具一同提升到地面。
取心钻进时,以上3个环节都应做好,任一环节处理不当,轻则会得不到应有数量(长度)的岩心,严重时会导致取心失败,取不出岩心。为了完成以上3个环节,取心工具一般由取心钻头、内、外岩心筒、岩心爪、扶正器和悬挂装置等部件组成。

取岩心组成

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取心钻头
取心钻头是环状破碎井底岩石,在中心部位形成岩心柱的关键工具。岩心收获率的大小、钻进快慢都与钻头质量和选择有关。取心钻头的结构设计要有利于形成岩心并提高岩心收获率。钻头的切削元件要对称分布,其耐磨性应一致,以免在钻进时钻头发生歪斜,从而破坏及折断岩心。钻头外缘与中心孔应同心,钻头水眼位置应使射流不直射岩心处并减少搜流对岩心的冲蚀。钻头的内腔应能使岩心形成后很快经岩心爪进人岩心筒而被保护起来,同时割心时尽量靠近岩心根部,以减少井底残留岩心。取心钻头根据破岩方式可分为切削型、微切削型和研磨型3类:
(1)切削型取心钻头以切削方式破碎地层。主要包括刮刀和PDC钻头
(2)微切削型取心钻头以切削、研磨同时作用方式破碎地层。这类钻头多为各种聚晶金刚石与胎体烧结成一体的结构。
(3)研磨型取心钻头。主要以研磨方式破碎地层。有表镶或孕镶天然金刚石与聚晶金刚石两种。
岩心筒与回压阀
除地质构造的钻探使用单岩心筒取心外,石油钻井常用的岩心筒都是由内筒和外筒(双筒)组成。
内岩心筒的作用是存储及保护岩心。取心时为了使岩心顺利进入内筒,应使筒内液体及时排出,为了防止钻井液冲刷岩心,应阻挡循环钻井液冲入内岩心筒,为此,在内岩心筒上端装有分水接头与回压阀总成。此外,为了有效保护岩心,要求在取心钻进时内筒不转,一般将内筒挂在外筒的顶部,釆用了悬挂式滚动轴承装置。取心工艺要求内岩心筒无弯曲变形、内壁光滑、管壁要薄,但要有足够的强度和刚性。
外岩心筒的作用是取心钻进时承受钻压、传递扭矩而带动钻头旋转并保护内岩心筒。因此,要求外岩心筒强度大,无弯曲变形,常用14~25mm的优质厚壁钢材(如35CrMo,30CrMnSi)加工制成。内、外岩心筒的长度一般为5~13m左右。在较硬的致密岩层中取心,若钻头进尺较多时,内、外岩心筒可长一些,例如四川地区常用的中筒取心工具,其岩心筒长度一般为12~13m。在松软地层取心,虽然钻头能钻更多的进尺,但由于岩心强度低、易于破碎,为了提高岩心收获率,其内、外岩心筒长度宜短一些,一般为5~8m。对于破碎地层取心,内、外岩心筒的长度也应短些。在钻头进尺较多又能有效保护岩心时,内、外岩心筒长度可尽量长一些,这样可以大大减少取心起下钻次数,符合高效低耗的要求,特别在深部地层取心时,采用长筒取心工艺减少了起下钻次数后,可大大降低取心费用。我国自己设计,制造的长筒取心工具一次可取心145.42m。此外,长筒取心工具内、外岩心筒的连接过去多用方型扣,釆用带锥度的粗扣连接后,不仅便于操作,而且还增加了连接强度,使用效果较好。回压阀是装在内岩心筒上端的一个单流阀,其作用如前所述。对回压阀结构有所改进。例如有的油田在取心下钻时只装回压阀球座,下完钻后可通过大排量循环钻井液,这样既清洗内筒又可将井底冲洗千净。钻井液循环后,开始取心钻进前才将阀钢球投入,使用效果良好。
岩心爪
岩心爪的作用是割取岩心和承托已割取的岩心柱。因此,要求岩心爪要有良好的弹性,割心时能卡得牢。既要允许岩心顺利进人内岩心筒而不会遭受破坏,还要能有效地从根部割断岩心。此外,岩心爪要具有足够的强度,坚固耐用,在钻进与割心时不会发生断裂与破坏,并能在起钻时可靠地托住岩心。常用的岩心爪有卡箍式、卡板式、卡瓦式等几种结构。
(1)卡箍式岩心爪:它的形状如圆箍,圆箍上开有数道缺口,把它分为许多瓣,每瓣内车有数圈卡牙,卡箍的外壁呈截锥状,与缩径套配合使用。缩径套有同样锥面。岩心爪沿缩径爪座(缩径套)移动时,其爪牙收缩卡紧岩心。卡箍式(一把抓)岩心爪缺口宽,瓣少,卡牙圈数少,适用于软地层取心;如图5-3(b)所示,卡箍式岩心爪缺口窄,瓣多,卡牙圈数多,适用于中硬地层取心。
(2)卡瓦式岩心爪:适用于中硬、硬地层取心。它由挂套、销轴、卡瓦弹簧及卡瓦片组成。卡瓦片可依赖扭簧力量使其张开。钻进时紧贴钻头内壁。割心时,在外力作用下使岩心爪沿钻头内壁向下移动,卡瓦片收缩包紧岩心。
(3)卡板式岩心爪:适用于中硬地层、硬地层取心,一般和其他岩心爪复合使用。其结构由外座、扭簧及片状卡板组成。
扶正器
外筒扶正器可保持外岩心筒和钻头工作稳定,并有利于防斜。过去由于怕卡钻而不敢使用外筒扶正器,致使岩心收获率很低。根据国外介绍及国内实践证明:使用外筒扶正器能提高取心工具的稳定性,是增加钻头寿命及提高岩心收获率的有效措施,特别对于硬地层取心其效果更加明显。具体使用时,一般在钻头上边带一个扶正器,中筒、长筒取心工具最好在每节外筒上均带一个扶正器。扶正器外径一般比钻头外径小Vl6in为宜。国外资料介绍有的甚至采用与钻头外径一样大的方棱螺旋外岩心筒,岩心收获率极高。但在复杂井段取心,也应注意安全。
内简扶正器可保持内筒稳定,特别在长筒取心工具中更为重要。内筒扶正器可使钻头与内筒对中,岩心易于进入内岩心筒,但扶正器外径要适宜,以免发生内筒随外筒一起旋转的现象。
取心工具各部分的配合
钻头与外岩心筒。在松软和易塌地层取心时,钻头与外岩心筒的直径差不能太小,以免由于外岩心筒与井壁间隙太小而引起泵压高,这不仅不利于清洗井底,还可能造成卡钻等井下复杂情况。在易斜地层取心,若井下条件许可,应减小钻头与外岩心筒的间隙值,或加人一定数量的扶正器、扩大器,以利禾防斜。在硬及胶结较为致密的中硬地层中取心,应根据井下情况尽可能选用外岩心筒较大的取心工具。
通常情况下,取心钻头外径比全面钻进用钻头外径略小,但大于外岩心筒接头外径10~20mm。钻头内径应比内岩心筒的内径要小些,才能使岩心顺利进人内岩心筒,但二者差值要适当,具体尺寸应根据不同地层岩性确定,一般比内岩心筒的内径小3~10mm。
内、外岩心筒的间隙,应保证钻井液顺利流过,避免发生泵压过髙的现象(特别是深井取心),一般以10~20mm间隙为宜。
岩心爪的最大内径应稍大于或等于内岩心筒内径,在易膨胀及破碎地层应稍大些,硬地层要小些。四川石油管理局钻采工艺研究所制作的带内槽整体卡箍式岩心爪,自由状态下内径比岩心略小2~3mm,卡箍张开时的内径比自由状态大5mm,收缩后又比其小5mm。此外,卡箍锥面与爪座内锥面吻合,内齿表面敷焊碳化钨颗粒以增强其耐磨性,有利于卡心。这种岩心爪操作方便,割心时只需上提钻具,卡箍收缩卡紧即可拔断岩心,在硬地层及超深井中使用能取得很高的岩心收获率。
钻头内台肩与岩心爪应有5~10mm间隙,没有间隙或间隙很小时,内岩心筒将随钻头转动:间隙太大,岩心爪距并底太远,则不利于保护岩心。

取岩心类型

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为了提高岩心收获率,各生产企业合理确定各部件结构,把它们制造成与钻进地层相适应的各种成套取心工具。下面介绍几种现场常用的取心工具。
自锁式取心工具
自锁式取心工具是指利用岩心爪与岩心之间的摩擦力使岩心爪收缩卡心而实现割心的取心工具。
自锁式取心工具是中硬至硬地层取心的基本工具,对岩心成柱性较好的软地层也适应。自锁式取心工具一般由取心钻头、岩心爪、岩心筒组合和安全接头组成。岩心筒组合分为外筒组合与内筒组合,外简组合包括外岩心筒、短节和稳定器,内筒组合包括缩径套、短节、内岩心筒和悬挂总成。悬挂总成与安全接头的外螺纹接头相连,外筒组合与安全接头的内螈纹接头相连。岩心爪置于缩径套之中。
由于自锁式岩心爪具有较好的弹性和耐磨性,它的收缩与张开都属于弹性变形,故可多次使用。因此,当长筒取心钻井中途需要接单根时,便可通过“割心一接单根一顶开岩心爪一再取心钻进”的办法,实现连续取心。显然,这就比松软地层长筒取心工具的结构简单多了。当取心工具遇卡时可从安全接头处倒扣,将内筒组合和岩心一起提出地面,而后专门处理外筒组合。
长筒取心时,只需在短筒的基础上,增加等长的内、外岩心筒,而不需任何其他的特殊装置,因而结构简单。
长筒连续取心的操作要点是“一提,二锁,三冲,四压。”一提是指“停转、停泵后,缓慢上提钻具割心'二锁是指“卸方钻杆时要锁住转盘销子,用旋绳卸扣,保证井下钻具不转动”三冲是指“接完开泵循环,缓慢下放钻具,冲洗井底3~5min”四压是指“用不低于15倍钻压的力静压井底,以顶松岩心爪,然后再微提起钻具,轻压起动转盘,恢复取心钻进”。
加压式取心工具
加压式取心工具是指通过投球加压迫使岩心爪收缩卡心而实现割心的取心工具,通常适用于松软或破碎性地层取心。
岩心爪内径比岩心直径大10mm左右,只有在专门的加压机构作用下才能变形,且为—次性收缩。加压式取心工具也是双筒悬挂式取心工具,可分为外筒组和内筒组两大部分,主要的辅助工具为机械加压接头。
(1)外筒组。从下到上的连接次序是取心钻头+外筒总成+定位接头(定位接头本身有定位销孔,用以穿定位销,拧紧销套)。
(2)内筒组。从下到上的连接次序是岩心爪(反扣)+内岩心筒+悬挂总成+分水接头(上部有穿定位销的销孔)。
内、外筒的连接靠外筒组上端分水接头销孔里的两个定位销钉,悬挂在外筒组的定位接头上,由于滚动轴承的作用,当外筒旋转时,内筒不旋转。
(3)—把抓式岩心爪与内筒连接用反扣,保证岩心爪在取心钻进时不脱扣。
(4)机械加压接头。机械加压接头连接在定位接头上,机械加压接头由加压上接头、加压下接头、加压中心管、加压外管(六方套)、加压内管(六方杆)等组成。钻进时它能传递扭矩和钻压,保证正常取心。割心时,先拉开加压接头,然后将钢球投入,钢球就位后,下放加压接头,将钻具重量通过钢球和加压中心管加于内筒上,切断销钉,继续下压内筒,迫使岩心爪牙板插入岩心,然后上提钴柱,转动转盘,即可将岩心割断。
当需要进行长筒取心时,钻进中途必须接单根。由于松软地层取心钻进过程中绝对不允许钻头提离井底,因此取心工具上部还需增加接单根的专用装置——滑动接头,如图5-7所示。它也是内、外滑动六方组成的滑动装置,其有效滑动距约有11m长,足以保证接单根时取心钻头不被提离井底,从而确保松软地层长筒取心钻进的连续有效。
滑动接头的上接头与钻铤连接,下接头与机械加压接头相连接。取心钻进时,靠六方滑动管和六方滑动套传递扭矩和钻压。接单根时提起六方滑动套(六方滑动管可在六方滑动套内上下滑动),保证钻头不离开井底。
长筒取心接单根操作过程如下。取心钻进时,六方滑动套一直顶住下接头施加钻压。当方钻杆打完(方入不超过9m)时需接单根的情况,此时上提方钻杆,六方滑动套与加压下接头拉开,拉开的距离不许超过六方滑动管的有效滑动长度(一般为11m),否则上提钻具接单根时钻头就要离开井底,接完单根后下至预定方入,继续钻进。
注意事项:
(1)取心时,滑动接头和加压接头连接好,在井口要检验滑动接头上下滑动灵活性及密封性。
(2)取心钻进前要将开泵时的钻具悬重和开泵后的正常悬重记录下来,作为接单根时观察悬重的参考。
(3)接单根或钻完进尺上提时,必须观察悬重正常后,方可上起钻具,拉开滑动距离,才能接单根或投球加压割心。
取心工具拉上或拉下钻台时,必须使六方滑动管进入六方滑动套,合拢后用绳索捆牢,方可上下钻台,以免六方滑动管弯曲。 [2] 

取岩心其他方法

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取岩心密闭取心

常规取心时,钻井液的滤液侵入到岩心中,使油层岩心的含油、气饱和度发生变化而不能取得确切的资料。密闭取心就是用密封液(预先放置在内岩心筒中的粘性高、流动性好、附着力强、防水性好的高分子液体)将钻取的岩心迅速保护起来的取心技术。它可以防止钻井液对岩心的污染,并可解决以下问题:
(1)取出准确的含油、气、水饱和度的岩心资料,为计算未开发油气田储量及制定合理开发方案提供依据。
(2)了解油田采油阶段的含油、气饱和度及其分布规律、油水动态资料,以确定合理的开采方式和开采调整方案。
(3)了解水淹油田中油、水分布情况与油层岩性、物性之间的关系,为定量研究水淹油层驱油效率提供依据。

取岩心定向取心

定向取心是为了钻取岩心并确定其在原地的方位。在二次、三次采油中为了更多地了解地层构造,需定向取心。定向取心的目的是了解地层的倾角、倾向、走向以及地层与裂缝的产状、裂缝分布规律等,为制定开发方案提供依据。
为达到定向取心的目的,了解岩心的原地方位,定向取心工具应能做到:
(1)在钻进取心时,在岩心上刻上标志线。
(2)能测出标志线的方位。 [3] 
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参考资料