0 引 言

随着国内外钻井技术的发展和国内油田勘探力度的加大，钻井取芯井，特别是松软破碎地层取芯井呈逐年递增趋势^{[1, 2, 3, 4, 5]}。松软破碎地层由于其油层埋藏浅，地层胶结性差，与胶结较好的硬地层比较，不仅取芯过程难度更大，在割芯方式上也有其特殊性^{[6, 7]}。目前，国内疏松地层取芯常用机械加压式取芯工具，其割芯原理是：取芯钻进完成后，上提钻具，使加压接头六方杆伸出，从地面投入4个钢球，待钢球就位后，下放钻具，通过钻具重力剪断悬挂销钉，内、外筒分离，继续下压一定钻压，使岩芯爪收缩割断并包紧岩芯^[8]。

机械加压式取芯工具割芯方式简单、易行，目前已经大范围地应用。然而，现场应用中发现，机械加压式取芯工具还有一定的局限性：在井深非常浅时，钻具配重不够，达不到割芯所需钻压；当井斜较大时，投入的4个钢球可能在加压杆内部重叠在一起，堆积在加压杆顶部弧面内一侧，使得工具的销钉不能被剪断；取芯工具内筒不能自洗，易造成堵芯。这些都会导致取芯收获率降低，影响勘探地层资料的获取以及油田后续开发。

针对机械加压取芯工具遇到的问题，胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院在传统Rb-8100机械加压取芯工具改进的基础上，研发了YLRb-8100液力加压取芯工具。该工具改进了机械加压机构，通过液力加压方式替代机械加压方式，从而达到割芯目的，有效地解决了上述问题。

YLRb-8100液力加压取芯工具由取芯钻头、球座、外筒、岩心爪、内筒总成及液力加压机构等部分组成，其结构如图 1所示。

图 1 YLRb-8100液力加压取芯工具结构示意图 Fig. 1 Structure of YLRb-8100 coring tool 1—定位接头；2—Φ47 mm钢球；3—加压球座；4—内定位接头；5—悬挂剪切销钉；6—泄压盘剪切销钉；7—泄压盘；8—轴承总成；9—分水接头；10—Φ30 mm钢球；11—球座；12—外筒；13—内筒；14—岩芯爪；15—取芯钻头。

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内筒总成包括岩芯爪、缩颈套、铝合金内筒以及悬挂部分等。液力加压机构包括加压球座、内定位接头和泄压盘等，在割芯时通过向下的液压力使岩芯爪收缩。

取芯结束后，投入1个Φ47 mm钢球或Φ50.0 mm尼龙球，开泵送球。球就位后泵压增大，承压杆销钉被剪断，内外筒悬挂钢球脱离，内、外筒分离，内筒下落到钻头内腔台阶处。继续加压，液压力通过内筒作用在岩芯爪上，岩芯爪沿钻头内腔的斜面收缩，割断岩芯并收拢。继续加压至额定泄压压力，把泄压盘上的螺钉剪断，压力释放，井口压力恢复至正常压力，割芯完成。

(1)可以清洗内筒，减少堵芯发生，提高岩芯收获率。

(2)采用液力憋压割芯方式，可有效地解决机械加压取芯工具钻具配重不足和大井斜钢球不居中问题。

(3)设计有安全泄压装置，憋压至额定压力，泄压阀自动打开泄压，安全可靠。

(4)不需要投多个钢球，减少投球后等待时间，停泵时间短，有效减少卡钻事故的发生。

YLRb-8100液力加压取芯工具设计有安全泄压装置，泄压的额定压力由下剪切销钉的数量来控制，剪切销钉数量过少，岩芯爪收缩不完全；剪切销钉数量过多，井口压力过大。因此，需要通过确定岩芯爪收缩的液压力来设计剪切销钉的数量及型号。首先通过有限元软件计算出岩芯爪收缩所需的压力，进而设计出销钉的尺寸及数量，再通过室内试验进行验证。

岩芯爪由12个爪瓣组成，在结构上存在对称性，可以对模型进行简化，因此取其中的一个瓣进行分析。为了消除岩芯爪瓣上卡瓦几何形状不规则的影响，对其做平滑处理。岩心爪受压收缩有限元计算模型如图 2所示。模型由岩芯爪、压盖和简化钻头3部分组成。压盖和简化钻头采用刚体单元，计算时不需要考虑其内应力值。模拟过程中固定钻头，对压盖施加向下的位移，岩芯爪下移收缩，进而可以得到岩芯爪收缩时对压盖的反作用力。

图 2 岩芯爪受压收缩有限元计算模型示意图 Fig. 2 Finite element model of core catcher gripping under pressure

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采用ABAQUS有限元软件进行计算分析，岩芯爪采用三维弹塑性材料，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为835 MPa。岩芯爪材料的名义应力-应变关系在ABAQUS弹塑性力学分析中，需要转换成真实应力和真实应变^[9]，其关系曲线如图 3所示，具体的转换关系如下：

式中：σ_true为真实应力，MPa；ε_true为真实应变，无量纲；σ为名义应力，MPa；ε为名义应变，无量纲。

图 3 岩芯爪材料真实应力和塑性应变的关系曲线 Fig. 3 Actual stress and plastic strain curves of core catcher

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经过计算，当岩芯爪完全收缩时，需要压盖的下压力约为120 kN。考虑到实际割芯时岩芯柱的影响，在进行泄压剪切销钉设计时，需要加上一个安全附加值。综合考虑，设计剪切销钉为M8螺钉，数量为9个。现场施工时可以根据地层情况适当调整销钉数量。

室内试验包括2部分：第1部分为销钉剪切试验，验证泄压盘剪切销钉装满情况下，剪断销钉时实际下压力；第2部分为工具整体室内割芯试验，用于验证液力加压机构的可靠性，岩芯爪是否完全收缩。该试验设备由试验台架、液力泵1台、组装完好的液力加压机构和YLRb-8100液力加压取芯工具各1套、液力加压控制系统和液压管线等部分组成。

试验时，把组装好的液力加压机构放在台架上，利用台架上的压头对加压杆下压，记录销钉被剪断时的下压力。试验共进行3次，取剪断销钉平均压力。3次试验剪断销钉平均下压力约为210 kN。可以通过下压力得到工具实际工作时所需要的液压力大小。

试验时，液压泵通过一个特殊加工的接头向YLRb-8100液力加压取芯工具定位接头加压，测试液力加压机构的工作可靠性及岩芯爪收缩情况。当剪切销钉数量为9个时，平均液压力约19 MPa，可以剪断泄压销钉，岩芯爪完全收缩。

循环完毕准备取芯钻进时，投Φ30 mm钢球，开泵送球，待钢球就位后，泵压稍有上升，进入取芯钻进。

取芯钻进结束准备割芯时，先停泵，投入Φ47 mm钢球，开泵送球，钢球到位后，泵压增大3~4 MPa，承压座销钉被剪断，继续加压至19 MPa，泄压盘上的螺钉被剪断，压力释放，割芯结束。如超过安全设定值19 MPa螺钉未被剪断，压力无法释放，可打开低压闸门泄压。

当割芯结束准备起钻时，应观察泵压表指针是否回到零位，并且将低压闸门打开，以防止泄压不彻底。

某些软硬交错地层，单独的软工具或者硬工具岩芯爪都不能完全保证岩芯收获率，而利用双岩芯爪技术可以有效地解决该难题^[10]。YLRb-8100液力加压取芯工具在设计时就考虑了使用双爪结构，可以根据地层情况单独选择使用单爪结构或双爪结构。

YLRb-8100液力加压取芯工具相对水平井取芯工具结构简单，可靠性更高，现场组装方便，省时省力。配合该工具设计的扶正轴承，以及大斜度井和水平井液力割芯尼龙球，可以替代水平井取芯工具进行取芯施工。

2012年9月，YLRb-8100液力加压取芯工具在新疆车排子地区排626井沙湾组井段，井深362.5～365.0 m处进行了现场取芯试验。

取芯钻具组合：PSC143b-8100取芯钻头+YLRb-8100取芯筒+Φ177.8 mm(7 in)钻铤×3+Φ127.0 mm(5 in)钻杆^[11]。

钻井液性能：水基钻井液，相对密度1.12，黏度52 s，失水4.8 mL，泥饼厚0.5 mm，含砂体积分数0.2%，切力2~8 Pa，pH值9。

取芯参数：钻井液排量6~7 L/s，钻压50~60 kN，转盘转速40～50 r/min。

这次取芯为YLRb-8100液力加压取芯工具第1次现场试验，共取芯1筒次，取芯进尺2.5 m，芯长2.2 m，收获率88%。取芯过程中，加压3.5 MPa剪切销钉被剪断，内、外筒分离，继续加压到19 MPa泵压开始下降，很快泵压降为0 MPa，割芯后泄压显示明显，出芯岩芯爪收缩完全。试验结果证明，该新型液力加压取芯工具安全可靠，完全可以进行推广应用。

截止到2015年8月，YLRb-8100取芯工具又在5口井进行了推广应用，结果如表 1所示。

累计进尺136.7 m，累计岩芯长度110.2 m，平均岩芯收获率80.6%。其中WZ12-8W-A1P1所属区块角尾组由于地层岩性胶结非常差，取芯收获率一般不到50%。该井井斜达76.9°，利用YLRb-8100液力加压取芯工具进行取芯，收获率达67.8%，岩芯收获率提高较明显。

(1)基于Rb-8100机械加压取芯工具的改进而研发了YLRb-8100液力加压取芯工具，利用弹塑性力学有限元分析确定了岩芯爪收缩上压力。室内试验结果表明，YLRb-8100液力加压取芯工具安全可靠。

(2)YLRB-8100液力加压取芯工具在现场6口井的应用(包括浅井极松软地层和大斜度井)结果表明，岩芯收获率满足要求。

(3)YLRb-8100液力加压取芯工具可配合双岩芯爪结构进行软硬交错地层取芯，配合扶正轴承可代替水平井取芯工具，并可代替机械加压割芯方式的Rb-8100取芯工具，应用前景广阔。