摘要
海洋取心钻探钻遇软硬交互地层时,往往采取提钻更换相匹配的取心钻具来应对不同硬度的地层。海上作业成本高,频繁起下更换钻具耗费时间长,面对软硬交互地层工况,研发了自适应伸缩绳索取心钻探工艺。钻遇绵软地层时,内管超前伸出,由内管安装的钻头进行取心钻进;钻遇坚硬地层时,内管在地层对钻压的反力下会压缩其内部的弹簧从而回缩到钻具外总成当中,由外总成钻头进行取心钻进,在压缩弹簧的调解下,可根据地层硬度的变化自动调整取心钻进方式。通过工程应用检测,使用该工艺平均岩心采取率高,达到了保证取心质量、延长内管钻头工作寿命的目的,提高了作业效率和安全性,为海洋工程勘察提供了借鉴。
钻探取心是获取海洋地质信息最直接有效的手段,常规的提钻取心工艺在浅海应用广泛,随着水深的增加,提钻取心的劣势逐渐暴露出来。浅水区波浪相对平稳,钻探取心对钻采船及钻机的要求相对较低,深水区波浪较大,除了对船和钻机提出更高的要求外,对司钻也是一种挑战。而且深水钻探在更换钻具时,面临钻头重入钻孔问题,在无隔水管的条件下钻具重入难度较高。海上作业成本高,钻探风险大,如何高效安全的取出岩心成为海洋钻探最为关注的问题。而绳索取心工艺以其稳定性、便捷性及安全性逐渐取代提钻取心,成为海洋钻探主流钻探取心工
绳索取心工艺由于其不需要频繁起钻的工艺特性,不仅应用于浅海钻探,在深海取心钻探中也使用广泛,深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)以及综合大洋钻探(IODP)均使用了绳索取心钻探工
海洋绳索取心钻探浅表海底地层多为淤泥、粘土等软弱地层,常采用适用于较软地层的绳索取心钻具,如活塞取心钻具、超前取心钻具等等。面对较硬地层时则使用常规取心钻具、液动冲击取心钻具等。其中针对软硬交互地层条件,研发了自适应伸缩绳索取心工艺。
海洋钻探时,经常面临软硬程度不同的地层结构反复出现的情况,表现为地层不规律的变化。例如一层较软的粘土、粉砂之下,出现较硬的砾石层、含砾砂层,随着深度的变化可能再次出现粘土、粉砂地层。针对此种软硬互层地层在钻孔取心作业时,如果使用普通的绳索取心钻具(
图1 常规绳索取心钻井液冲蚀示意
图2 超前取心钻具内管超前示意
针对此种工况,研发了自适应伸缩绳索取心工艺。该工艺在面对绵软地层时,内管超前伸出,由内管安装的钻头进行取心钻进;钻遇坚硬地层时,内管在地层对钻压的反力下会压缩其内部的弹簧从而回缩到钻具外总成当中,由外总成钻头进行取心钻进。再次遇到绵软地层内管会再次伸出,如此软硬地层交替出现,内管在钻压和弹簧的相互作用下会伸出和缩回,以此来适应不同硬度的地层。此工艺可避免面对软硬不同地层时频繁更换钻具,可根据地层结构的变化自动调整取心钻进方式,达到保证取心质量、延长内管钻头工作寿命的目的,提高作业效率和安全性。
自适应伸缩绳索取心钻具结构与常规绳索取心钻具结构相比,最大的区别在于前者设计有压缩弹簧来调节内管伸缩量。以中国地质科学院勘探技术研究所研发的自适应伸缩绳索取心钻具结构为例,具体结构如下:
与常规绳索取心钻具总体结构一致,设有外管总成和内管总成。外管总成连接在钻柱下方,包括由上至下依次装配的弹卡挡头、弹卡室、座环、外管和钻头;内管总成通过绳索打捞器投放于外管总成内,包括由上至下依次装配的捞矛头、弹卡、悬挂环、传扭装置、内管和内管钻头。内管总成中的悬挂环搭载于外管总成的座环上,内管总成中的弹卡张开后卡接在外管总成的弹卡室内。外管总成通过弹卡挡头推动内管总成中弹卡为内管总成提供回转动力,再通过传扭轴与传扭套配合驱动内管钻头旋转。在悬挂环和传扭装置之间设置有压缩弹簧,在内管装有钻头一端不受力的情况下,压缩弹簧也处于压缩状态,保证内管钻头端在不受力的情况下处于超前伸出(相对于外管总成)状态。传扭装置通过花键配合实现扭矩传递,并在传扭装置下端设置用于限定下限位置的锁止螺母。内管与内管钻头连接部位设置卡簧,用以拦住岩心不在重力作用下掉出。
此套钻具的核心部件是内管总成的悬挂环和传扭装置之间设置的压缩弹簧,当地层软硬情况发生变化时,可通过压缩弹簧自动控制内管钻头伸出的长度。地层较软时,内管钻头超前外管总成中钻头的长度较长(
图3 自然状态内管伸出
图4 压缩状态内管缩回
2023年5月,自适应伸缩绳索取心钻具搭载钻探船在中国某海域深度约1750 m位置进行取心钻探(
图5 钻具外总成
图6 钻具内总成
内钻具名称 | 适应地层 | 取心钻头外径/内径/mm | PC管外径/内径/mm | 回次最大进尺长度/mm |
---|---|---|---|---|
伸缩式回转取心工具 | 软硬交错的互层地层 | 93/58 | 65/60 | 3800 |
本次工程勘察分为多个站位,其中在W08及W19两个站位使用了自适应伸缩绳索取心钻探工艺。W08站位开孔水深1751 m,终孔深度153.5 m,采用此工艺取心钻进71.5 m,获得岩心65.1 m;W19站位开孔水深1758 m,终孔深度164 m,采用此工艺取心钻进13.3 m,获得岩心10.9 m。共使用此工艺取心钻进84.8 m,获得岩心76 m(详见
钻井站位 | 取心回次数 | 总进尺/m | 岩心/m | 岩心采取率/% |
---|---|---|---|---|
W08 | 21 | 71.5 | 65.1 | 91 |
W19 | 5 | 13.3 | 10.9 | 81.95 |
合计 | 25 | 84.8 | 76 | 89.62 |
通过取得的岩心判断钻遇地层包含淤泥层、粘土层及砂层等各种地层,证明自适应伸缩绳索取心钻具及工艺设计合理,在软硬地层交替出现的钻进条件下使用良好,可高效安全的取得岩心。综合岩心采取率达到89.62%,高于常规取心钻具在此种钻进条件下的岩心采取率,满足甲方海洋工程勘察技术要求。取心情况如
图7 获取的岩心
通过实际工程应用及以往取心经验,总结本套工艺尚有以下问题需要注意:该钻具达到自适应地层关键在于压缩弹簧的刚度设计,如何掌握其弹簧刚度决定了内管在不同地层回缩的程度,也直接决定了岩心获取质量。需要提前了解不同地层的硬度,来反向设计压缩弹簧,这就要求钻井前收集附近海域钻井资料,了解该海域附近地层信息,掌握地层硬度信息来提前设计或者选配合适刚度的压缩弹簧。此外,由于压缩弹簧的压缩力是通过内管钻头与地层接触而来,要求钻采船钻机必须配有深沉补偿装置,或加装伸缩短节来保证取心钻进时内管钻头与地层的充分接触,同时要控制钻进压力,保证反力平稳通过内管传达至压缩弹簧处。
(1)海洋自适应伸缩绳索取心钻进工艺通过内管钻头与地层的接触,压缩弹簧调节内管超前伸出的距离与位置,可自适应软硬交互的地层,完整高效采取岩心。
(2)该套钻具外总成与常规绳索取心钻具外总成一致,实际应用时可与其他类型绳索取心钻具共同使用同一套外总成,仅需更换内总成。避免频繁起下钻具,极大节省了作业时间,提高了作业效率。
(3)该套钻具适用地层类型广泛,可用于泥层、粘土层、砂层等多数地层,但需要提前设计匹配相应刚度的压缩弹簧用以适应大多数钻遇地层。
参考文献
刘协鲁,阮海龙,陈云龙,等.国内常规海洋地质钻探取心技术进展[J].钻探工程,2021,48(3):113-117. [百度学术]
陆建国.回转绳索取心工艺在海洋第四系地层钻探中的应用[J].海洋石油,2021,41(4):101-106. [百度学术]
马汉臣,王嘉瑞,刘凡柏,等.浅海活塞压入取心工艺研究[J].钻探工程,2023,50(S1):375-379. [百度学术]
胡畔,李伟成,陈立,等.国外海洋钻井绳索取心新技术[J].钻采工艺,2009,32(6):27-30,141. [百度学术]
胡海良,唐海雄,罗俊丰,等.深水天然气水合物钻井及取心技术[J].石油钻采工艺,2009,31(1):27-30. [百度学术]
白玉湖,李清平.天然气水合物取样技术及装置进展[J].石油钻探技术,2010,38(6):116-123. [百度学术]
舒智宏.全封闭自适应绳索取心钻具研制[D].成都:成都理工大学,2021. [百度学术]
阮海龙.海洋地质调查压入活塞取样钻具研制[D].北京:中国地质大学(北京),2017. [百度学术]
赵义,梁涛,刘海龙,等.海洋冲击伸缩绳索取样器的研制与应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2016,43(3):52-55. [百度学术]
谭春亮,岳永东,渠洪杰,等.内管超前绳索取心技术在松散沉积物调查中的应用[J].钻探工程,2021,48(8):47-52. [百度学术]
阮海龙,陈云龙,蔡家品,等.南海超深水钻探取样钻具优化及应用[J].中国海上油气,2017,29(1):105-109. [百度学术]