摘要
密闭保压取心是一种能够保持或接近地层压力的特殊取心技术，可使岩心中流体、气体保持在原始状态。这种技术对于正确认识地质情况、计算油田可采储量、分析页岩气藏和煤层气藏机理，制定勘探开发方案有着十分重要的意义。研制TKP194-80型密闭保压取心工具，采用大通径高压球阀密封、密闭液封堵、液压差动、活塞压力补偿等关键技术，配有岩心冷冻、切割、集气等岩心后处理工艺，钻头外径215 mm，保压能力50 MPa，岩心直径80 mm。在山西晋中某煤层气资源地质探井开展保压取心应用，共进行保压取心8筒，总进尺37.51 m，岩心采取率84.4%，保压成功率87.5%。研究结果表明，该取心工具保压性能可靠，技术方案可行，可为常规油气及非常规油气藏勘查开发提供技术装备支撑。
能源供应和安全事关我国现代化建设全局。当前，世界政治、经济格局深刻调整，能源供求关系正在起着深刻地变
设计采用三筒双动结构，三筒分别为外筒、保压管和岩心管，其中外筒起到传递扭矩和保护内部结构的作用，保压管与球阀配合形成密封腔实现保压，岩心管用来存储岩心。采用自锁式大通径高压球阀，岩心管预先穿过球阀中心孔坐落在取心钻头内，在取心结束后，通过液压差动装置，岩心管带动岩心向上移动，使岩心管运移到球阀上方，球阀在弹簧的带动下翻转关闭，实现密封。密闭液预先灌装在岩心管内，并通过密闭液堵头封堵。堵头头部伸出取心钻头，当取样器到达井底后，通过钻压将密闭液堵头压入岩心内，密闭液可以从堵头周边挤压流出，随着取心进尺，岩心推动密闭液堵头不断向岩心管内部移动，密闭液不断被挤出，将岩心包裹住。
TKP194-80型密闭保压取心工具主要由连接短接、旋转套、外筒、钻头、传动球、差动节、高压气室、补偿气室、岩心管、保压筒、球阀和密闭液堵头等部分组成（见
图1 TKP194-80A型保压密闭取心钻具结构示意
Fig.1 Structure diagram of the TKP194-80A pressure maintaining sealed coring tool
| 性能指标 | 指标值 |
|---|---|
| 总长/m | 10 |
| 取样器外径/mm | 193.7 |
| 钻头外径/mm | 215.6 |
| 单回次取心长度/m | 6 |
| 岩心直径/mm | 80 |
| 额定保压/MPa | 50 |
工作原理：取心工具下井前，预先从密闭液堵头注满密闭液，在钻进过程中密闭液能够不断把岩心包裹起来，保护岩心免遭钻井液污染。当取心钻进完成后，上提钻具，卡簧卡断岩心。球阀在差动总成的作用下关闭，实现对岩心的密封。高压气室、补偿气阀和平衡舱共同组成压力补偿总成，实现对岩心管内的压力补偿，持续维持保压筒内部压力。
TKP194-80型密闭保压取心工具关键技术主要有大通径高压球阀密封、差动运移、密闭液封堵、压力补偿等。
球阀密封技术是密闭保压取样的关键，关系到样品直径和保压成功率。设计球阀时围绕结构简单、可靠性强的设计思路，在保证球体强度的前提下，最大程度的增加球体内通径，球体材质选用630不锈钢，该不锈钢具有高强度、耐腐蚀、高硬度等特性，屈服强度0.2=1000 MPa。球体表面经过镀铬处理，硬度可达910 HV，可有效提高球体表面硬度，增加球体抗杂质性和耐磨性，延长球阀使用寿命。上密封材质选用聚氨酯密封，具有耐低温高回弹性，保障密封可靠性。选用矩形弹簧，其具有负载高、寿命高的特性，可为上密封提高足够的预紧力，提高密封可靠性。
在选择球阀座密封时，首先建立球阀座受力方式（各参数详见
图2 球阀座计算说明
Fig.2 Calculation diagram of ball valve seat
球阀作用在密封座上的力为：
| （1） |
球体对密封面的法向力：
| （2） |
密封面的比压：
| （3） |
式中：DMP——密封座受力有效作用面直径；P——内部压力；φ——密封副与中心线夹角。
选择合适的密封材料确立密封材料许用比压，可以确立球阀座外密封尺寸DMW与阀座内密封尺寸DMN的关系（球阀结构见
图3 球阀结构示意
Fig.3 Structure diagram of ball valve
设计的球阀两边加工有齿轮转轴，通过带导向齿条的套筒相配合，工作时在差动机构带动下套筒向上抬升（1/4）πD的距离（D为齿轮转轴节圆直径），球阀在齿轮转轴的作用下旋转90°，完成球阀关闭动作。
差动机构可使取样器内管总成和外管总成之间产生一定的相对位移，在差动过程中密封球阀关闭，压力补偿打开，实现对保压样品的压力维持（详细结构见
图4 差动机构示意
Fig.4 Schematic diagram of differential mechanism
保压密闭取心使用的密闭液是一种粘度高、流动性好、粘附性强的高分子混合物质。取样器作业时，密闭液可在岩心表面形成一种保护膜，可有效阻止钻井液对岩心的侵入，从而保护岩心不与外界接触污染岩心，可最大程度的保护岩心原位数据参数，这对精确获取地层科学数据是必要的。密闭液堵头主要作用是将密闭液封堵在样品管中不泄露，当开始取心作业时，岩心顶开密闭液堵头，并进入取样筒内，密闭液可从堵头侧面挤出包裹岩心，密闭液粘附于岩心表面产生微弱的一层侵入带，并在岩心表面形成较致密的保护膜，避免岩心受污染。取样器密闭液堵头由固定孔、注液孔、排气孔、密封带、基体等组成（具体结构见
图5 密闭液堵头结构示意
Fig.5 Structural diagram of sealing fluid plug
压力补偿机构的作用是维持取样器岩心保压筒内的压力，由高压气室、补偿气阀、平衡舱组成。其工作原理为（见
图6 压力补偿机构原理
Fig.6 Principle of pressure compensation mechanism
岩心处理是密闭保压取心的重要基础工作，关系到整个密闭保压取心工作的成败。非常规油气资源成藏机理、赋存形态及开发技术不同于油气资源，岩心处理工艺也不同。密闭保压岩心处理工艺主要包括岩心冷冻、岩心集气、岩心切割等工艺。
在处理密闭保压岩心时，为了避免岩心中的油、气、水三相损失，通常情况下对保压岩心进行冷冻处理，使其凝固在岩心中，方便后续的岩心分析。取样器提取到地面上，测试压力后，将取样器保压筒放入特制的冷冻筒内，冷冻筒连接液氮杜瓦罐，打开杜瓦罐开关，可对岩心保压筒进行液氮喷淋急速冷冻，冷冻时间约为10 h。在冷冻过程中，岩心中的流体变为固态，失去流动性和挥发性，气体也溶固在岩心中，最大程度地减小岩心组分的损失。当岩心完成冷冻后，保压筒内的压力消失，可进行切割操作。冷冻设备及效果见
图7 岩心冷冻处理现场
Fig.7 Scene pictures of core freezing treatment
使用密闭保压取样器获取的岩心中含有游离气、解吸气等气体成分，根据需求也可选择现场集气，以便分析地层含气量和临界解吸气压力等科学参数，这对于煤层气藏和页岩气藏资源开发和地质评价是非常重要的。特设计了一套岩心集气装置，可与TKP194-80型密闭保压取心工具集气孔连接，此装置带有减压阀、气水分离器、燃烧头（详见
图8 岩心集气装置
Fig.8 Physical drawing of core gas gathering device
研制的TKP194-80型密闭保压取心工具单回次取样长度6 m，为了更方便地分析、保存岩心，需要对保压岩心在冷冻状态下快速分段切割（见
图9 岩心分段切割
Fig.9 Sectional core cutting diagram
2022年9月23日在山西省晋中某煤层气资源地质探井开展了密闭保压取心作业。井深1246 m，层位山西组、太原组，岩性为砂岩、灰岩、煤层，共进行密闭保压取心8回次。其中第2回次球阀被岩心堵塞未关闭，保压失败，其余7回次均保压成功，总进尺37.51 m，获取岩心31.66 m，岩心采取率84.4%。现场应用数据详见
| 回次 | 地层 | 井段/m | 进尺/m | 岩心长/m | 采取率/% | 静液柱压力/MPa | 样品压力/MPa | 保压率/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 山西组 | 1246~1252.48 | 6.48 | 5.58 | 86.11 | 12.71 | 11.59 | 91.21 |
| 2 | 太原组 | 1334~1337.55 | 3.55 | 3.22 | 90.70 | 13.61 | 0 | 0 |
| 3 | 太原组 | 1337.55~1341.55 | 4.00 | 3.89 | 97.25 | 13.64 | 12.89 | 94.50 |
| 4 | 太原组 | 1341.55~1344.55 | 3.00 | 3.00 | 100.00 | 13.68 | 12.09 | 88.34 |
| 5 | 太原组 | 1367~1373 | 6.00 | 2.72 | 45.33 | 13.94 | 11.88 | 85.21 |
| 6 | 太原组 | 1373~1378 | 5.00 | 5.00 | 100.00 | 14.00 | 12.89 | 92.02 |
| 7 | 太原组 | 1383.01~1387.49 | 4.48 | 3.12 | 69.64 | 14.11 | 12.47 | 88.43 |
| 8 | 本溪组 | 1442~1447 | 5.00 | 4.93 | 98.60 | 14.71 | 12.59 | 85.62 |
（1）通过现场应用情况表明研制的密闭保压取心工具设计合理，保压性能稳定，有助于获取高保真地层岩心资料，为精确获取地层科学参数提供了新的技术方法。
（2）设计的齿轮副闭合球阀精确关闭球阀，克服了球阀关闭不到位现象；独特的液压差动机构性能稳定，为球阀关闭提供了可靠的动力源，提升了取样工具保压成功率；密闭液包裹岩心可有效防止钻井液对岩心的污染，为后期岩心精确分析创造了条件。
（3）建议加强密闭保压取心岩心处理技术研究，针对不同作业目标，制定最佳岩心处理工艺及配套机具，进一步提升保压取心作业效率。
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