钻井取心讲义

第十章 钻井取心第一节 取心方式和取心工具的选择 .2一取心方式的选择 .2二取心工具的选择 .3第二节 取心钻头的选择 .4一全刚石取心钻头的优点 .5二全刚石取心钻头的分类 .5三国内生产的金刚石取心钻头种类 .6四取心钻头的结构和影响其预期性能的因素 .7五取心钻头的选择 .8第三节 取心工具 .11一常规取心工具 .11二特殊取心工具 .17第四节 钻井取心工艺 .24一取心原则 .24二取心的要求 .24三取心前的准备 .25四对钻井液性能的要求 .25五取心操作程序 .25六取心故障分析 .28七高温高压井取心 .30第五节 取心工具检修内容及标准 .31一取心工具质量检查与标准 .31二取心辅助工具 .32三取心工具报废标准 .32参 考 资 料 .32 本章着重介绍取心方式、工具和钻头的选择，取心工具技术规范，取心质量标准，取心施工程序，取心钻进参数及故障分析，取心工具检修内容及标准，高温高压井取心和特殊取心工具等内容。第一节 取心方式和取心工具的选择取心方式有常规取心和特殊取心两类：常规取心对岩心无特殊的要求，所用的工具简单，工艺不复杂，成本低；而特殊取心取出的岩心不受钻井液污染，疏松地层岩心规矩、完整并能保持其出筒前的形状，岩心能保持其地层原始状态，但其装备和工艺比较复杂、施工难度大、成本高。因此，取心的方式应根据取心的目的、油气藏类型和勘探开发阶段的不同条件来确定。在取心方式已定的情况下，要根据取心井眼大小、井段深浅、地层岩石软硬与胶结情况来选择相应的取心工具与取心钻头。一取心方式的选择1常规取心对岩心无任何特殊要求的取心称为常规取心。常规取心是取心作业中最大量、最常见的，无论是什么油气藏，在勘探阶段或开发阶段都要进行大量的常规取心。（1）主要目的：发现油气层，了解含油气情况与储集特征，并确定油气层岩性、物性、厚度、面积等基础数据。建立地层剖面，研究岩相及生、储特征。了解岩性与电性关系。（2）常规取心方式：一般短筒取心，是指取心钻进中途不接单根的常规取心。它的工具只含有一节岩心筒，结构简单。它在整个取心作业中所占的比例最大，在任何地层条件下均可进行。中、长筒取心，是指钻进中途要接单根的取心。它的工具必须含有多节岩心筒，通常只有当地层岩石的胶结性与可钻性较好时，才进行中、长筒取心。中、长筒取心的目的是在保证岩心收获率较高的前提下，尽可能提高取心的单筒进尺，以大幅度提高取心收获率，降低取心成本。2特殊取心对岩心有一定特殊要求的钻井取心称为特殊取心。它多用在油田开发阶段，通常有下列几种方式：（1）油基钻井液取心，是指在油基钻井液条件下进行的取心。对储量较大的砂泥岩油气藏，在开发之前一般都要进行这种取心，其目的是取得不受钻井液自由水污染的岩心，以求获得较为准确的储层原始含油饱和度资料，为合理制定油田开发方案提供依据。由于油基钻井液不失水，性能稳定，流动性和润滑性都很好，因而岩心不存在吸水膨胀或剥落的问题，也不易断裂或磨损，取出的岩心规矩、完整、成柱性好、收获率高。（2）密闭取心，是指以注水方式开采的砂岩油田，在开发过程中为检查油田注水开发效果，了解地下油层水洗情况及油水动态，以制定合理的开发调整方案，采用密闭取心工具与密闭液，在水基钻井液条件下取出几乎不受钻井液自由水污染的岩心。由于油基钻井液取心成本高，在密闭取心质量指标有保证的前提下，密闭取心可代替油基钻井液取心。 （3）海绵取心，是指内岩心筒装有特制海绵衬管的取心。采用预饱和的海绵衬管，在水基钻井液条件下，能取得含油饱和度相当准确的岩心。这是国外近年来发展起来的一种取心，工艺结构不太复杂，但成本高，适用于中硬硬地层。（4）保压密闭取心，是指在砂岩油田的开发后期，为了准确求得当时井底条件下储层流体饱和度、储层压力、相对湿度及储层情况等资料，为了制定合理的开发调整方案，提高油田最终采收率，采用保压密闭取心工具与密闭液，在水基钻井液条件下，钻取保持储层流体完整性的岩心。也就是钻取不受钻井液自由水污染并保持当时井底条件下储层压力的岩心。这种取心装备与工艺比较复杂，成本高，适用于具有成岩性的软、中硬及硬地层。（5）疏松砂岩保形取心，是指在疏松砂岩地层中保持岩心原始（出筒前）形状的取心。因为在疏松砂岩地层，由于岩心强度低，不成柱，岩心出筒后就往往自成一堆散砂，岩心物性资料无法获得。因此，保持岩心原有形状，避免人为破坏，就成为保形取心的技术关键。目前，多级双瓣组合式岩心筒、橡皮筒、玻璃钢内筒以及复合材料衬筒，均可满足保形取心的要求，但唯有多级双瓣组合式岩心筒成本低，使用方便。（6）定向取心，是指在油气藏的勘探开发过程中，为直观了解储层的构造参数，全面掌握地质构造的复杂性及其变化，制定出经济合理的勘探开发方案，采用定向取心技术以取出能反映地层倾角、倾向、走向等构造参数的岩心。定向取心只适用于岩心成柱性较好的地层。二取心工具的选择取心钻头的主要功用是形成岩心，而取心工具的主要功用则是保护岩心和取出岩心。显然没有合适的取心工具就不可能高质量地取好岩心。根据割心方式，目前国内外的取心工具基本上可分为加压式、自锁式和砂卡式三类。割心时，下放钻具，岩心爪靠钻压和内筒下滑冲击力收缩变形，包住、卡断或扭断岩心的取心工具称为加压式取心工具。割心时上提钻具，岩心抓靠自身的弹性力或它与岩心之间的摩擦力收缩变形，卡紧并拔断岩心的取心工具称为自锁式取心工具。割心时，钻具不动，因没有岩心抓，只能靠形状大小不同的石子（砂子），在液力作用下将岩心根部卡紧、扭断或拔断岩心的取心工具称为砂卡式取心工具。需要特别指出的是，经过 30 多年来的生产实践证明，加压式取心工具是我国特有的，是用于松散、松软地层的简单而有效的取心工具，不仅岩心收获率高，而且使用方便，成本低。通常在取心方式确定以后，就要根据井眼大小、井段深浅、岩石软硬与胶结情况以及其他特殊的要求来选择取心工具。1取心长度的选择一次取心的长度是根据地层情况、钻头寿命、目的层厚度和能获得满足地质要求的较高岩心收获率来决定的。目的层较薄，一次取心长度可以短些，反之，可以长些；岩石较硬、倾角较小、交错变化的层数较少、岩心成柱性较好的地层，一次取心长度可以长些，反之，可以短些。在正常情况下，井愈深，泵压愈高，地层愈硬，岩心直径愈小，一次取心的长度应该更短些。总之，只要在能满足地质要求的岩心收获率前提下，都可以考虑长些，但取心长度一般不能超过内岩心筒有效长度的 95。2不同井深条件下取心工具的选择浅井取心由于起下钻速度快，可以选用短筒取心工具。短筒取心工具一般只有一节岩心筒，在取心钻进中不需要接单根。由于它结构简单，在整个钻井取心工作中，占的比例最大。深井取心，随着井深的增加，取心作业越来越困难。若取心地层的岩石胶结性与可钻性比较好，应尽可能采用中、长筒取心，以提高单筒取心进尺和岩心收获率，降低取心成本；若取心地层岩性松散，胶结性不好，应采用短筒取心，以提高岩心收获率。3根据地层岩性选择取心工具根据地层岩性选择合适的取心工具，对取心工作的好坏是具有决定意义的。一般说来，无论什么取心方式，在松散、松软地层中应选用加压式取心工具，而在中硬硬地层以及岩心成柱性较好的软地层中应选用自锁式取心工具，在这个大前提下再考虑岩心筒的长度问题。当地层易破碎时，应选用外返孔取心工具。当取心井段为水平井眼时，应选用水平井取心工具。当井深，裸眼稳定，岩心成柱性好，对岩心直径要求不大时，可选用绳索式取心工具。4根据取心方式选择取心工具由地质设计要求确定的取心方式，有常规和特殊取心方式两类。可供选择的常规取心工具不仅包括一般的加压式与自锁式取心工具，而且还包括自锁式中的外返孔取心工具、水平井取心工具和绳索取心工具等。可供选择的特殊取心工具不仅包括加压式与自锁式的油基钻井液取心工具、密闭取心工具和保形取心工具，而且还包括自锁式的保压密闭取心工具、海绵取心工具和定向取心工具等。无论什么取心方式，都要根据取心地层的岩性软硬与胶结情况、井眼大小与深浅选择相应的取心工具。不同条件下取心方式、取心工具与取心钻头的选择，可参考表 101。第二节 取心钻头的选择取心钻头是钻进地层、形成岩心的关键工具。岩心形成快与慢、好与坏，都直接影响收获率的高低。因此，取心钻头选择合理与否，将直接影响取心的质量与收获率。目前，国内外钻井取心均广泛使用金刚石取心钻头。一全刚石取心钻头的优点1金刚石取心钻头使用效果好，特别是胎体式金刚石取心钻头，能保证钻头出刃均匀。金刚石耐磨，胎体耐冲蚀，因而钻进平稳，速度快，收获率高，使用寿命长，综合经济效益好。2金刚石取心钻头适用范围广。从极软至极硬地层，均有与之相适应的各种系列的金刚石取心钻头供选择，完全能满足各种条件下取心的需要。3胎体金刚石取心钻头成型容易，加工简便，成品率高。二全刚石取心钻头的分类根据破岩的方式，取心钻头可分为三类：1切削型钻头这种钻头以切削作用为主要破岩方式，钻头多为钢体结构，如图 101 所示。工作面呈阶梯刮刀式，镶硬质合金或聚晶人造金刚石，刀片均匀分布在一个同心圆的环形面上。为了提高切削效率，根据岩石可钻性的不同，刀片具有不同的切削角。钻头的刀片与钻头体焊接牢固，刀片的底刃面与钻头中心线相垂直。另外，钻头的岩心入口离岩心爪近，使岩心一形成就很快进入内筒内而被保护起来。适用干中、软地层取心。2微切削型取心钻头 这种钻头（如图 102）以微切削地层为主要破岩方式。钻头多为胎体结构，工作面呈单锥曲面、双锥曲面、抛物线曲面等多种曲面，表镶天然金刚石、人造聚晶金刚石复合片。适用于各种中硬、硬地层取心，钻进速度中等，钻进平稳，岩心收获率高。3研磨型取心钻头这种钻头（如图 103）的破岩方式以研磨作用为主，钻头为胎体结构，工作面多为半圆曲面，低出刃表镶天然金刚石或人造金刚石。适用于各种高研磨性地层取心。钻进很平稳，但钻速很慢。三国内生产的金刚石取心钻头种类目前我国生产的金刚石取心钻头有天然金刚石、PDC 复合片、马赛克、巴拉斯钻头等四大类。PDC 取心钻头适用于软地层取心，具有抗冲蚀的胎体结构，有自锐的 PDC 复合片，内外径用天然金刚石保护。冠部有平顶、圆形、双锥及浅抛物线等几种形状，复合片齿的布置按地层的硬度可分为稀、中、密三种。马赛克取心钻头适用于软、中、硬地层取心，它兼有 PDC 及巴拉斯钻头寿命长、钻速较高的特点。巴拉斯取心钻头适用于中硬的带有研磨性夹层的碳酸盐等地层取心。天然金刚石取心钻头适用于各种地层的取心。国内金刚石取心钻头系列有：RCPDC 取心钻头，适用于软、中硬地层；C天然金刚石取心钻头，适用于中硬、硬、研磨性地层；SG巴拉斯热稳定聚晶块取心钻头，适用于碳酸盐及硬、低研磨性地层，孕镶式或热压烧结的金刚石取心钻头适用于硬而致密的研磨性地层；ZC混合齿取心钻头，适用于具有硬及研磨性夹层的软、中硬地层。表 102 是取心钻头类型与地层级别的对应关系。注：表中 D 为金刚石钻头对应的地层级别。四取心钻头的结构和影响其预期性能的因素金刚石取心钻头广泛用于各种类型地层的取心。为了使金刚石取心钻头处于最佳工作状态，了解金刚石取心钻头的结构、性能以及影响其预期性能的主要因素，是十分重要的。1金刚石取心钻头的结构图 104 是典型金刚石取心钻头和岩心筒的示意图。它由三个重要部分组成。（1）钻头端部的金刚石；（2）碳化钨基体；（3）钢体。2取心钻头剖面金刚石取心钻头的外形是针对不同类型地层而设计的。如图 105 中（a）钻头剖面是为较软地层设计的；（d）是为硬地层取心设计的取心钻头，它的头部倒圆，使钻硬透镜体夹层的影响减到最小；（b）、（c）剖面形状都是为中硬地层取心设计的。3影响金刚石取心钻头预期性能的因素（1）上覆岩层压力和围岩压力这些压力对取心速度影响很大。例如不渗透的岩石，象花岗岩，在地面取心试验（没有封闭压力）的速度要比在 500 米深的井（存在封闭压力）内取心快得多。其原因是，地面或接近地面的岩石是脆性的，当金刚石钻头的切削刃压入这类岩石时，使其突然破碎，破碎的岩屑体积将会达到取心钻头切削刃吃入岩石体积的若干倍。相反，在井下当钻头切削刃吃入受有足够封闭压力的岩石时，只能使岩石产生蠕动而难以使其破碎。在深井和超深井内岩石既有塑性也有脆性，随着上覆岩层压力（深度）的增加，岩石逐渐从脆性向塑性状态变化。如果完全处于塑性状态，钻头切削刃进入地层时，岩石并不是脆性破坏而只是延展性蠕动或只产生极少的破碎，其破坏方式实际上是剪切或研磨性的。在较高上覆岩层压力作用下，深部岩石具有较高的抗压强度。即使岩石在塑性状态下，也需要对钻头切削刃施加更大的压力才能吃入岩石。最终结果就像全面钻进那样，随着井深的增加，取心速度会降低，钻头使用寿命会缩短。（2）压差压差就是钻井液液柱压力与井底地层压力的差值。在深井中的渗透性岩石内取心的情况与全面钻进相类似，由于钻井液和地层的压力差，会造成井底的压持效应，亦即由于钻井液液柱压力大于地层压力，在井底形成较厚的泥饼，甚至与钻出岩屑一起形成一个“垫层”。它既造成了钻头的重复切削，又容易造成钻头切削基面的堵塞。尽管和全面钻进相比较，取心钻头受其影响较小，但也会使取心速度降低。（3）钻头水力学金刚石极硬，导热性能也极好，其导热性大约比铜高 6 倍，比碳化钨高 12 倍。但是，由于深井温度高，加之，因切削和磨蚀岩石产生的摩擦会使金刚石变得非常热。如果没有钻井液冷却，只需几秒钟金刚石钻头就会损坏。当温度超过大约 1430时，金刚石就会变成石墨。所以，在取心过程中，金刚石周围的钻井液充分循环并冷却钻头至关重要。在取心钻进中，尽管钻头是环形破坏岩石，但产生岩屑也很快，如果不能很好而又及时地消除岩屑，那么堆积的岩屑不但会阻碍钻取岩心，更重要的是限制了钻井液的循环，引起钻头过热。试验证明，钻井液以紊流循环时，冷却和清洗取心钻头效果较好。因此，可以根据钻头的流道形状、尺寸设计来确保产生紊流的流速，以便使钻井液在钻头底面形成良好的漫流，充分将岩屑携离井底。在良好的工作条件下，取心钻头下面的流速范围是 5590 米秒。为防止带有研磨性钻屑的高压液流对钻头胎体的冲蚀，其最高限不可超过 100 米秒。钻头下面钻井液的流速与用于清洗和冷却的水力功率，与全面钻进的牙轮钻头不同，金刚石取心钻头不能通过调节喷嘴的尺寸来改变其水力性能，并且，在现场也不可能通过调节它的总流动面积来改变水力性能。只能考虑以现场的钻机能力、钻井液性能、井深、预期的取心速度和不同类型金刚石钻头的结构作为一个系统来综合分析，有效地求得取心钻头的水力性能。（4）取心钻头的扶正影响金刚石钻头设计的重要因素是取心时如何保持钻头稳定。金刚石钻头对由振动运动（横向或纵向）引起的损坏是非常敏感的。要防止这个问题，钻头和岩心筒都必须适当地扶正。这可通过增加钻头保径部分的长度和在钻柱上靠近钻头的地方加装稳定器来实现。使用涡轮和井下马达时这个问题变得更加严重，因为转动取心钻头的转速比一般的取心转速高，加剧了振动，同这些装置一起使用的钻头和岩心筒需要更好地扶正。如果使用满眼扶正，取心一开始就要使用，不能中途使用。硬地层取心，也需要满眼扶正，这样可以对钻头施加更大的钻压，以提高取心速度。五取心钻头的选择1从岩心成形出发选择钻头从岩心成形来看，在软而松散的非胶结地层取心，不宜选用多次成形的取心钻头。多次成形的取心钻头，当钻头接触井底平面，开始钻进的时候，会在井底先形成直径较大（大于钻头体内径）的岩心。它不能立即进入钻头体或内岩心筒，只是在钻压的继续作用下，连续切削较大直径的岩心，最终形成所需直径的岩心柱并进入钻头体或内岩心筒。如果选用这类钻头，在多次成形的过程中，岩心必然受到钻压、钻具摆动等外力的多次作用，极易发生岩心破碎，阻碍岩心入筒或造成岩心入口堵塞卡死。但是，在充分扶正钻头和取心工具以后，由于这类钻头的切削部分可以产生锥形井底，有助于保持井眼垂直；同时，在需要更大钻压的较硬地层中钻进，钻头工作面逐渐过渡成圆形（或者有一个较大的顶部半径），能保证有足够的切削刃分担负荷，以防止不正常的磨损和过热。近似于一次成形的取心钻头，由于其顶部圆半径较大，可以将钻进硬透镜体夹层的影响减弱到最低限度。一次成形就是当取心钻头接触井底平面，开始钻进的时候，岩心立即形成与钻头体内径相等或略小的岩心柱而进入内岩心筒而受到保护的成形过程。2根据岩石性质选择钻头 松软地层，由于岩石可钻性好，机械钻速高，一般可选用切削型取心钻头，包括切削刃较长、较稀的 PDC 取心钻头。中硬地层，由于岩心成柱性好，钻速中等，是进行中长筒取心的有利地层，一般选用微切削型取心钻头，包括布齿较密的 PDC 取心钻头，圆柱形、三角形及片状等热稳定聚晶人造金刚石取心钻头，以及各种天然金刚石取心钻头。这类钻头多为胎体结构，工作面呈单锥曲面、双锥曲面，还有平顶、圆弧形、浅抛物面等形状。硬地层取心，由于地层岩石硬度高，研磨性强，可选用胎体结构、工作面多为半圆曲面、低出刃或孕镶的研磨型取心钻头。根据地层硬度，布齿方式有格状布齿、同心圆布齿及背镶布齿三种方式，高低压水道、辐射状水道以及内规径处的水道均有利于钻头的清洗和冷却。表 103 和图 106 是常用取心钻头的选型指南。第三节 取心工具一常规取心工具目前我国石油勘探与开发所用的取心工具，有国内生产的，也有国外生产的。国内常规取心工具主要分加压式和自锁式两种。国外常规取心工具又分标准式（陆地式）和海洋式两种，两者的主要区别在于，海洋式外岩心筒的管壁比标准式的厚，刚性相对地好，强度较高。1常规取心工具的系列（1）国外常规式取心工具主要规范见表 104。（2）国内四川和胜利油田两家取心公司生产的常规取心工具技术规范见表 105 和表106。 2自锁式常规取心工具（1）自锁式常规取心工具的结构自锁式常规取心工具一般由取心钻头、岩心爪、岩心筒和安全接头组成（见图107）。国外 250P 常规取心工具的结构，如图 108 所示，是由取心钻头、下内筒鞋、岩心爪、上内筒鞋、内筒、稳定器、外筒、钢球、球座、分流口、内筒塞、顶塞、支承架、滚珠、垫片、带帽螺丝、下 O 型圈、安全母接头、安全公接头、上 O 型圈、摩擦环、安全接头等组成。岩心筒外筒组包括外岩心筒、短节和稳定器；内筒组包括下内筒鞋、上内筒鞋、内岩心筒和悬挂总成。取心钻头通过接箍与外岩心筒连接，内岩心筒与内筒塞相连接。悬挂总成中的轴承盒内装有滚珠轴承，用以悬挂内筒。回压凡尔座接在内筒塞下面，回压凡尔钢球可以防止上面的钻井液进入内岩心筒。悬挂总成与安全接头连接，外筒组合与安全接头的母接头连接，岩心爪置于下内筒鞋内。（2）自锁式常规取心工具的作用原理下钻完后，用大排量循环，冲洗内筒和井底，待钢球投入到位后开始取心钻进。由于岩心爪内径略小于岩心直径，所以岩心总是与岩心爪的内壁相接触而存在摩擦力。当取心完毕上提钻具时，岩心爪与岩心有摩擦力而相对静止，下内筒鞋则随同钻具上行。由于下内筒鞋内锥面与岩心爪外锥面吻合一致，相对位移迫使岩心爪收缩、自锁、卡紧并拔断岩心。由于自锁岩心爪具有较好的弹性和耐磨性，其收缩和张开都属于弹性变形，故可反复使用。当长筒取心钻进需要接单根时，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。当井下工具遇卡时，可从安全接头处倒开，将内筒组合和岩心一起提出地面，外岩心筒留在井内另外处理。（3）设计特点岩心筒为双筒单动、螺纹连接和内洗式。外岩心筒用高强度厚壁无缝钢管制作，并加有稳定器，刚度高，稳性好，有利于长筒取心。岩心爪为自锁式新型卡箍岩心爪，其内径一般比岩心直径小 23 毫米；当上提钻具时，能自动卡紧岩心，自锁割心；可反复使用，操作方便。由于取心工具本身的结构特点，这种岩心筒能用割心接单根的方法实现连续取心；在长筒取心时，只需在短筒取心工具的基础上，增加等长的内外岩心筒，而不需其他的特殊装置，因而简化了中、长筒取心接单根的装置和复杂的结构。其外筒还配有镶焊硬质合金块的稳定器，可以选用玻璃钢、铝管作内筒与塑料内衬套。工具自带安全接头，便于岩心筒遇卡事故的处理。（4）适用范围适用于中硬硬地层以及岩心成柱性较好的软地层取心。3外返孔式取心工具当地层易破碎时，为提高破碎性地层的岩心收获率，可采用外返孔式取心工具。外返孔式取心工具由上稳定器、分水接头、堵孔钢球、外返孔嘴、悬挂总成、内岩心筒组、外岩心筒组、下稳定器、组合内筒鞋、岩心爪、取心钻头等部件组成，如图 109 所示。外返孔工取心工具和自锁工常规取心工具基本相同，不同的是外筒多了个返出孔，和内岩心筒相通。在破碎性地层取心时，采用外返孔结构可形成水力并联通管路，保证取心钻进时有部分循环钻井液不通过钻头水眼，而是经内筒自下而上，人工具上部返到井眼环形空间， 从而对岩岩心块产生一个向上的作用力（力的大小可通过变换外返孔直径来调节），使岩心块被携带并悬浮于内筒上部，达到提高岩心收获率和单筒进尺的目的。表 107是川式外返孔取心工具的技术规范。 4水平井取心工具水平井取心技术不断发展，目前国内外水平井取心体系有如下几种：（1）短曲率半径取心系统。这种取心系统采用特殊设计的岩心筒（其岩心筒的长度为0.91 米，外径为 95.3 毫米，可以割取的岩心直径为 63.5 毫米，长度为 475.2 毫米），为了使取心钻具组合能顺利通过半径较小的井段，通常把岩心筒和铰接钻键连接在一起下入井内，并且使用正容积式井下马达进行动力驱动。（2）中曲率半径取心系统。这种取心系统在常规标准取心筒的基础上做了如下改进：为了使内岩心筒具有良好的稳定性，在内筒上加装了滚柱轴承。它有助于防止在大斜度井眼取心时，由于内筒失中而造成岩心入筒困难的问题；给岩心筒加装一个钻头端轴承，以使内岩心筒始终处于钻头的喉道中心。这对于水平井的取心极为重要；在中曲率半径的水平井内取心时，如果选用井下马达驱动岩心筒，则应在马达与岩心筒之间安装一个特殊设计的投球短节。取心的时候，钢球封住内筒通道，迫使钻井液流向内、外筒之间的环形空间。如果井底不干净，取心之前还可以利用这个短节使钻井液通过内岩心筒循环，清除井底的沉砂。（3）国内水平井取心。近几年国内水平井取心迅速发展，水平井取心工具的改进表现在两个方面：一是在内岩心筒上下端加装了滚柱轴承，以保证内筒中心线能在不同曲率半径的水平井内，始终和取心钻头喉道中心线重合，保证岩心顺利进入内筒；二是缩短整个岩心筒的长度或给外筒上下部加装稳定器，以充分保证岩心在水平井内作业时的稳定性和刚性。 5绳索取心工具当井深、裸眼稳定、岩心成柱性好且直径要求不大时，可采用绳索取心工具。（l）绳索取心工具的结构原理。绳索取心工具主要由岩心筒体、可回收的内筒和绳索锁销装置组成，绳索岩心筒使用两种钻头（一种用于钻进，另一种用于取心），如图 1010（a）、（b）所示。绳索取心不同于常规取心，因为它的内筒是一种独立的工具，而且可以更换和回收，也可作为备用件。在绳索取心筒下面安装金刚石钻头，可进行全面钻进。绳索岩心筒有各种尺寸，一般能钻取长为 10 米的岩心，表 108 给出了这些岩心筒的尺寸。绳索岩心筒唯一不足之处是可换的内筒必须小到能通过钻柱内径。通过 114.3 毫米（4 1 2 英寸）贯眼接头71.4 毫米（2 13 16。英寸）内径能回收较小的绳索式内筒60.3 毫米（2 3 8 英寸）或更小的岩心。通过 114.3 毫米（4 1 2 英寸）API 内平接头95.3 毫米（3 3 4 英寸）内径能回收 69.9 毫米（2 3 4 英寸）岩心。无论何时都必须认真地检查钻杆、钻铤内径和可回收的内筒外径。（2）绳索岩心筒的使用方法首先在地面上将岩心内筒固定到岩心外筒中，再将岩心筒送到井底，钻到 10 米与 5 米的岩心后将钻具提离井底，割断岩心。最后将内筒提取工具用钢丝绳送入井底并固定到内筒上。这种内筒提取工具包括一个旋转轴承和一个打捞头，旋转轴承能使提取工具旋转而不会让钢丝绳索扭转，而打捞头可以让内筒上端的打捞爪插入固定，用足够的钻压给这个工具以足够的力量使打捞头与打捞爪固定连接好。拉钢丝绳索就能将内筒从井眼中提出来，一旦内筒达到地面，将内筒下端的岩心爪分开就能将岩心取出来。岩心取出之后，重新组合钻具，然后就开始重复原来的过程，从绳索上拉开插栓重新投入井内，用弹簧键固定到岩心外筒中。（3）绳索取心工具适用范围绳索岩心筒比普通岩心筒的取心速度快得多，尽管其岩心的尺寸受到钻杆与钻铤内径的限制。当只需要地层的渗透率、孔隙率等资料时，采用绳索岩心筒取心是令人满意的。由于钻具与外岩心筒始终留在井底，因此，要求取心井的裸眼井壁必须稳定。6加压式常规取心工具（l）结构原理 加压式常规取心工具由取心钻头、岩心爪、岩心筒组合和加压接头组成。岩心筒组合有内、外之分：外筒组合包括外岩心筒和定位接头，内筒组合包括内岩心筒和悬挂总成。悬挂总成通过销钉（或弹簧，或钢球）悬挂在外筒组合的定位接头上，外筒组合之下连接取心钻头，岩心爪置于内筒组合之下。加压接头在定位接头之上，它是由可相对滑动的六方杆与六方套及加压中心杆组成，如图 1011 所示。当取心完毕需要割心时，上提钻具，在钻头不提离井底的情况下，将加压接头的滑动部分全部拉开。此时，加压接头的加压内台肩位于加压中心杆的球座之上。待加压钢球（共 4 只）分次投入钻具并到达加压中心杆球座后，下放钻具，加压内台肩就必然压住钢球。这样，钻具重量就通过钢球和加压中心杆传递给内筒组合的承压座上，确保悬挂内筒的销钉被剪断，并迫使内筒继续受压下砸，使岩心爪沿钻头内腔斜面收缩变形，包住、卡断或扭断岩心，达到取心的目的。（2）设计特点：取心钻头为切削型；岩心筒为双筒单动悬挂式，一般为销钉悬挂，也有弹簧悬挂或球悬挂。岩心爪为加压式，其内径比岩心大 10 毫米左右。只有在专门的加压机构作用下才能收缩变形，且呈一次性变形。（3）使用要求：立管上需有投球的丝堵，全部在用钻具水眼需大于加压钢球直径，一般应大于 55 毫米；内外筒组的轴向间隙应为1520 毫米；下钻要平稳，速度要控制，启动泵压不得超过 8 兆帕。二特殊取心工具在石油与天然气勘探开发过程中，为评价油气藏，需要采用特殊取心方法以取出有特殊要求的岩心。特殊取心有油基钻井液取心、密闭取心、保压密闭取心、定向取心及海绵取心等。另外，对一些极松散的砂岩地层取心，用一般的常规取心工具难以把完整的岩心样品从井下采集到地面上来，也要采用特殊取心，如保形取心。国内胜利取心公司生产的特殊取心工具规范如表 109 所示。1自锁式密闭取心工具（l）结构原理该工具由取心钻头、岩心爪、密封活塞、浮动活塞及岩心筒组合等部分组成，如图1012 所示。岩心筒组合中的内筒组由内筒鞋、内岩心筒、限位接头和内筒塞组成，岩心爪置于内筒鞋之中。外筒组由外岩心筒和上接头组成，上接头下面连接着内筒塞和外筒，外筒下面连接取心钻头。密封活塞通过销钉固定在取心钻头进口处，内筒处钻头的配合面上装有密封圈，内筒在井口灌满密闭液，浮动活塞置于限位接头之上，形成密闭区。在下钻过程中，随着井深的增加，密闭区外压增大，这样就推动浮动活塞压缩密闭液，使密闭区内外的压力自动保持平衡，从而保证了内筒密封的可靠性。下钻完毕，先在钻井液中加入一定量的示踪剂并开泵循环，使其分散均匀。取心钻进时，由于活塞头先于钻头接触井底，致使活塞固定销被剪断，整个活塞开始上行，筒内密闭液也开始往下排出，在井底形成保护区。随着岩心的形成，活塞被推着不断上行，筒内密闭液就只能从内筒和岩心柱之间的环隙向下做等体积排出，岩心柱表面形成保护膜，从而避免了钻井液自由水对岩心的污染。取心钻进完毕，上提钻具，自锁割心。最后将取出的岩心进行示踪剂含量分析，即可确定岩心的密闭程度，最终可获得岩心的原始含油（或残余油）饱和度资料。（2）设计特点内筒采用浮动活塞结构，能自动消除井眼液柱压力对工具密闭性的影响，从根本上保证了工具的密闭性，使之适用任何井深。内筒悬挂无轴承和单流凡尔，双筒双动结构的岩心筒，其筒内的密闭液只能单向流动，以及取心钻头多为偏向井壁的斜水眼结构等等，均对岩心的密闭有利。（3）适用范围自锁式密闭取心工具主要适用于中硬硬地层密闭取心，对成柱性较好的软地层也适用。2保压密闭取心工具保压密闭取心工具能够获得具有地层原始压力的油气水饱和度岩心，并能使岩心内部的物质不发生扩散，钻井液不能渗透到岩心之内。它比密闭取心工具更进了一步。保压密闭取心工具与常规取心工具不同，它能取出保持地层原始压力的含油水饱和度的岩心。目前，国内外在不同程度上已将保压密闭取心用于残余油饱和度和油水界面的确定，用于三次采油的决策；同时还考虑用于含气致密砂岩的分析；深部煤层甲烷气分析；含油、沥青岩石的地质分析；一次和二次开采的储层分析；为海洋科学研究而进行的深海地层取心等。（1）工具结构：该工具由密闭头、取心钻头、球阀总成、内外筒组合、悬挂与测压机构、差动装置、上接头等组成，如图 1013 所示。钻头、密闭头及卡心部分：A钻头。采用六翼三阶梯式取心钻头，其切削面为锥形，水眼的方向朝向井壁一侧，以避开钻井液直接冲刷岩心柱表面。另外，为了减少钻井液在水眼上的压力降，采用1810 毫米水眼，适当增加了水眼的总面积；B卡心机构。采用卡环与卡箍组合形式，能适应软硬地层割心；C密闭头。从密闭头孔道注入密闭液，钻进之前可密封密闭液，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。内外岩心筒组合。外岩心筒采用 API 193.675 毫米、 N80、壁厚 12.7 毫米套管，内岩心筒采用 API 88.9 毫米，壁厚 6.45 毫米油管；球阀关闭机构。由球体、上下阀座、预紧弹簧、阀外壳、半滑环、密封盘根、轴承等部件组成，利用外筒重力迫使球阀旋转 90而关闭，使岩心存在密闭内筒中，以保持岩心所在地层的压力；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、密封圈等部件组成。其悬挂轴承可使内外岩心筒产生相对运动；锥形阀可关闭内筒上口，并能接受压力表测压，或放空内筒压力；差动机构。由大接头、六方杆、六方套、滑套、剪销、剪销环、丝堵、悬挂球、承压球、压帽和“O”型密封圈等部件组成。其用途是：传递钻具扭矩；内筒在悬挂轴承的作用下与外筒相对转动，取心钻进时内筒不转；释放外筒，关闭球阀；（2）作用原理：工具下井之前，预先从密闭头注满密闭液。当钻完进尺之后，上提钻具割断岩心，然后投入 50 毫米钢球使之坐在滑套球座上，待钻井液返出、泵压正常后，说明滑套销钉被剪断。在外筒重力作用下，悬挂球被挤入弹窝，使六方杆和六方套脱开。在这一瞬间中，外筒相对内筒下移，其重力作用在球阀的半滑环上产生一定扭矩，促使球阀旋转 90而关闭，使岩心密闭在内筒中。（3）结构特点：内筒充满非侵入凝胶密闭液，当岩心进入内筒之后，密闭液中的固相颗粒能堵塞岩心孔隙，并在岩心表面形成保护膜，以密闭岩心；工具密封可靠，内筒抽出后可直接进行冷却和切割，减少了地面冲洗所需要的设备及冲洗液；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，使岩心密闭在内筒之中；差动装置采用轴承悬挂外传，靠钻井液循环压力自动释放，结构简单，灵活可靠，且释放后能够自锁，保证了起钻中工具的稳定性，有利于内筒密封；内筒上测压接头能密封内筒上口，能测试内筒压力，也可泄压。悬挂总成保证了内外筒相对转动，有利于岩心收获率的提高。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的组合式密封，螺纹的连接密封均采用锥度扣加一道密封圈。（4）适用范围：该工具适用于 6002000 米井段的软硬地层取心、安全抗扭强度是 150 千牛米，最大抗拉强度是 2530 千牛。3定向取心工具（1）工具结构定向取心工具由取心筒和仪器两大部分组成，如图 1014 所示。以 250P 取心筒为例，在取心内筒下端有三条用于在岩心上刻槽的定向鞋刻刀。在仪器孔下部位置（250P 取心筒接球座的位置）接了“母驴蹄”，用于上部的仪器定位，并保证仪器和内筒同步。仪器部分由“公驴蹄”、加长杆、测量仪器（多点测斜仪）和导向叶片组成。加长杆是为了确保多点测斜仪处于无磁钻铤的中段，“公驴蹄”用于“母驴蹄”的连接，导向叶片起扶正作用，保证多点测斜仪处于无磁钻铤的中间位置，从而保证测量的准确性。无磁钻铤内装有多点测斜仪，仪器外面的刻线标记与定向鞋的主刻刀必须在一条直线上，在仪器的罗盘上读出方位，这就是多点测斜仪外面划线的标记方位，即定向鞋主刻刀的方位。罗盘的上部有一个重锤，由于重力原理，重锤始终是垂直向下的，而仪器外面的刻线标志（即主刻刀）的位置处于某一方位，该方位是在测量点所处的方位，它被记录在多点测斜仪的胶片上。根据划线与井眼的倾角及方位的实测情况，用测量仪就可测量出所钻地层的构造参数。（2）设计特点与自锁式常规取心工具比较，定向取心工具有以下不同点：采用自锁式取心工具配备多点照像测斜仪，该仪器置于无磁钻铤之中；内岩心筒上端通过加长杆与测量仪连接，下端与嵌有三条刻刀的专用内筒鞋连接，保证测斜仪与刻刀同步旋转；配备有地面分析岩心的测角仪。（3）适用范围定向取心工具仅适用于岩心可成柱的各种地层，对松散、破碎和岩心不成柱的地层均不适用。（4）使用要求：定位。是指仪器上的划线标志和主刻刀的校正。这项工作可在车间或现场进行。有时仪器上的划线标志与主刻刀不在一条直线上，那么就要记录它们之间的夹角，以便对实际所得的数据加以校正。时钟同步。多点测斜仪上的定时器与地面的秒表同时起动，停止转盘运转，以保证测量照像时井下仪器相对静止。取心时的钻井参数与常规取心相同，所不同的是，在需要测量时必须停转盘、停泵，在测量照相机拍照完毕之后，继续取心。但必须注意的是，由于定时器最大的间隔时间为4 分钟，而相机容纳的胶卷有限，因而下钻到起钻的总时间不能超过 22 小时。起钻到钻铤时，必须用专用的打捞矛将仪器从钻铤中提出。四川取心公司生产的定向取心工具技术规范见表 1010。4海绵取心工具（1）工具结构海绵取心工具实质上和常规取心工具相同，不同之处就是在取心工具内筒装入海绵衬管，如图 1015 所示。工具由取心钻头、外岩心筒、内岩心筒、岩心爪接头、岩心爪、活塞密封导套、活塞密封、铝衬管、海绵套等组成。 （2）作用原理海绵取心工具是对常规取心工具的改进。内岩心筒上部的悬挂装置和轴承组合与常规取心筒的相同，只是内筒中安装了 6 段 1.5 米长的聚氨酯村管，并封闭起来，如图1016、1017 所示。为消除在岩心和海绵衬管之间可能产生的泥饼，首先用真空泵除去内岩心筒和海绵中的空气，然后用泵将水增压到 11 兆帕（1600 磅英寸 2），保持这个压力直至把岩心筒下入井内。只要海绵岩心筒在井内运转，则取心措施就和常规取心一样。取心钻进时，活塞先于岩心进入内岩心筒，取心结束后，岩心筒提出井口，将内筒海绵村管和岩心一同放倒，然后泵出全部海绵衬管和岩心。174.6 毫米（6 7 8 英寸）海绵岩心筒可钻取长为 9.1 米（30 英尺）、直径为 82.6 毫米（3 1 4 英寸）的岩心。聚氨酯海绵为碳水化合物产品，是多向的且具有多层海绵面，只要与油接触，油就会粘附在海绵表面上。而且由于海绵对油的阻力很小，因此油从岩心中“排泄”出来后就会直接流入海绵之中。油可以全部被吸收在海绵孔隙内，从而保证取得较准确的含油饱和度。（3）适用范围海绵取心能在井底温度高达 177时正常工作。5保形取心工具目前，国内有多级双瓣组合式岩心筒（简称双瓣式）、橡皮筒、玻璃钢内筒以及复合材料衬筒等，均能满足疏松砂岩保形取心的要求。（l）双瓣式取心工具结构原理：工具主要由外筒、内筒、多级双瓣组合式衬筒及取心钻头四部份组成。主要辅助工具为机械加压接头。多级双瓣组合式衬筒主要由衬筒短节和推度卡箍组成，衬筒短节由带止口的半圆筒扣合而成，衬筒短节之间由锥度卡箍连接并卡紧，组合式衬筒两端由岩心爪短节和悬挂总成（或内筒限位接头）固定并限位。工具采用导向式岩心爪，即在常规岩心爪之内镶装一圆形的光滑导向套，从而保证表面粗糙且不完整的岩心爪在取心钻进过程中不与岩心接触，实现了整个岩心返路内平，光滑完整，因而进心摩擦阻力很小，岩心不易变形和损耗。取心工具结构见图 1018。 工具组装时，可将多级双瓣衬筒短节扣合好并用推度卡箍卡紧，而后依次顶入内筒中，最后利用岩心爪短节及悬挂总成（或内筒限位接头）与内传固定在一起。起钻完毕，内筒出离井口后，卸下岩心爪短节，依次顶出衬筒短节及锥度卡箍并放入冰柜进行冷冻，待冻实后即可取下锥度卡箍，取出保持原始形状的岩心。主要设计特点A工具采用多级组合式衬筒，在松散地层能顺利地获得保持原始形状的岩心。不仅加工容易，冷冻方便，取样准确，而且根本不需要对岩心筒进行任何的切割与破坏，因而大大降低了取心成本；B采用导向式岩心爪，使得内表面粗糙且不完整的岩心爪在取心钻进过程中不与岩心接触，保证岩心在此处不松散，不变形，避免了岩心爪对岩心的破坏作用，减少了进心的阻力；C整个岩心管路