CN110700781B - 页岩保流体密闭取心装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种页岩保流体密闭取心装置及方法，包括：包括依次连接的取心钻头、外筒和钻杆接头，钻杆接头能够带动外筒和取心钻头旋转；在外筒内设有依次连接的球阀总成、内筒、串联连接的多个流体收集罐、随钻测量器；多个流体收集罐用于收集岩心中的天然气；随钻测量器用于测量流体收集罐中天然气的温度和压力；页岩保流体密闭取心装置还包括悬挂总成的一端与外筒连接，另一端分别与随钻测量器、多个流体收集罐和内筒连接，从而当外筒转动时，内筒不转动。当取心提钻时，球阀总成关闭，流体收集罐内的气体没有散失，能有效获得密闭取心的页岩样品和损失气含量，提高页岩含气量、页岩气藏储量的可靠性和经济性评价，满足科研和生产的需要。
Description
技术领域
本发明属于页岩气勘探开发技术领域，更具体地，涉及一种页岩保流体密闭取心装置及方法。
背景技术
页岩含气量是资源评价和选区评价的重要参数，也是页岩是否具有工业价值、经济效益的重要指标，准确计算气藏的储量大小，对部署开发方案具有重要意义。页岩含气量通常通过现场解吸获得，游离气体全部逃逸，吸附气体部分解吸，通常现场解吸含气量包括解吸气、损失气和残余气三部分构成。解吸气由岩心解吸计算得出，残余气由岩心粉碎得出，对这两点的研究已基本达成共识，异议较少，而针对损失气计算的方法较多，计算结果差别较大，不同的数学回归方法，可以计算出不同的损失气含量。含气量的测试精度低，导致页岩气藏储量计算精度低。
目前在常规油气、煤层气和甲烷水合物等领域运用保压密闭取心可以在起钻过程中阻止油气从岩心中逃逸出来。保压密闭取心是取心钻进过程中，利用密闭液阻止钻井液对岩心侵蚀，并使岩心始终保持在原始地层压力状态的取心方法(刘宝和.中国石油勘探开发百科全书(工程卷).北京:石油工业出版社,2008,21～22.)。但目前常用的保压密闭取心技术并不适用于页岩气(尤其是深层高温高压页岩气的密闭取心)，导致国内目前尚无针对海相高压页岩气的密闭取心装置及相关工程试验。
目前的技术主要存在以下不足：(1)常规油气的密闭取心的温度和压力虽能达到页岩气的要求，但是由于页岩气吸附赋存的存在，在提钻过程中由于温度压力降低导致的页岩气的解吸不可避免，温度稍微降低便会有大量天然气解吸，稍有不慎就会引起憋压放炮等事故，因此，常规油气密闭取心装置一般上活塞增加了泄压功能，当取心工具起到井口时，卸掉放喷管接头上的压帽，连接放喷管，卸松针型阀，内筒压力即可释放，避免了因堵心引起内筒憋压、造成岩心放炮，不适合于页岩气的保流体密闭取心；(2)针对煤层气和甲烷水合物的密闭取心装置多应用于地层温度和地层压力均不高的条件下(煤层气：10～20Mpa，20～60℃；甲烷水合物：1～10Mpa，-10～28℃)，与深层页岩气50～100Mpa，温度60～120℃相比明显低，亦不适合于页岩气的密闭取心。因此，目前也没有应用到高温高压页岩气密闭取心的实例。
发明内容
本发明的目的在于为克服目前国内高温高压页岩气藏页岩密闭取心的技术和装备的空白，使其能够有效获得密闭取心的页岩样品和损失气含量，从而保证总含气量的计算精度，填补国内页岩保流体密闭取心装置对含气量测量的技术的空白。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提出一种页岩保流体密闭取心装置，包括依次连接的取心钻头、外筒和钻杆接头，所述钻杆接头能够带动所述外筒和所述取心钻头旋转；
在所述外筒内设有依次连接的球阀总成、内筒、串联连接的多个流体收集罐、随钻测量器；
所述多个流体收集罐用于收集岩心中的天然气；
所述随钻测量器用于测量所述流体收集罐中天然气的温度和压力；
所述装置还包括悬挂总成，所述悬挂总成的一端与所述外筒连接，另一端分别与所述随钻测量器、所述多个流体收集罐和所述内筒连接，从而当所述外筒转动时，所述内筒不转动。
优选地，所述悬挂总成包括轴承组，所述多个流体收集罐、所述随钻测量器和所述内筒通过所述轴承组悬挂于所述外筒的内壁上。
优选地，还包括液压机构，所述液压机构设于所述外筒内，用于控制所述球阀总成的开启与关闭。
优选地，相邻的所述流体收集罐之间设有安全阀门，和/或所述流体收集罐与所述内筒之间设有安全阀门。
优选地，所述取心钻头的端部有活塞孔，所述活塞孔内设有密闭活塞。
优选地，所述密闭活塞与所述钻头连接处设有销钉。
优选地，所述随钻测量器包括TPMS电子多点随钻测量器。
根据本发明的另一方面，提出一种页岩保流体密闭取心方法，所述方法包括如下步骤：
开启球阀总成，将页岩保流体密闭取心装置下井，取心钻头在目的层位置钻进，岩心通过所述取心钻头进入内筒，流体收集罐收集岩心中的天然气；
随钻测量器连续测量流体收集罐中收集的天然气的温度和压力数据；
取心完毕提钻，关闭球阀总成。
优选地，所述取心钻头的端部有活塞孔，所述活塞孔内设有密闭活塞；
所述方法还包括：所述开启球阀总成前，通过销钉将所述密闭活塞固定于所述取心钻头的活塞孔，在井口将所述内筒里注满密闭液。
优选地，还包括：利用导气管将所述流体收集罐和所述内筒中的天然气导出并进行测量，取出含有岩心的内筒，并对所述含有岩心的内筒采取液氮冷冻，然后将内筒和岩心一同切割并保存。
本发明提供的有益效果在于：
钻头对目标层位置钻进取心的同时，通过轴承组使外筒内的各个部件不随外筒和钻头旋转，内筒存储所钻取的岩心，内筒与多个流体收集罐连接，收集钻取岩心时产生的天然气，且一定的压力封闭可以减缓岩心中吸附气的解吸速度，当取心提钻时，球阀总成关闭，压力不会太高，并且流体收集罐内的气体没有散失，能有效获得密闭取心的页岩样品和损失气含量，从而保证总含气量的计算精度，提高页岩气藏储量的可靠性和经济性评价，满足科研和生产的需要。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。其中，在示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明一个实施例中的页岩保流体密闭取心装置的结构示意图。
附图标记说明：
1、密闭活塞；2、取心钻头；3、球阀总成；4、内筒；5、外筒；6、流体收集罐；7、安全阀门；8、随钻测量；9、悬挂总成；10、钻杆接头。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明的实施例提供一种页岩保流体密闭取心装置，包括依次连接的取心钻头、外筒和钻杆接头，钻杆接头能够带动外筒和取心钻头旋转；在外筒内设有依次连接的球阀总成、内筒、串联连接的多个流体收集罐、随钻测量器；多个流体收集罐用于收集岩心中的天然气；随钻测量器用于测量流体收集罐中天然气的温度和压力；
页岩保流体密闭取心装置还包括悬挂总成，悬挂总成的一端与外筒连接，另一端分别与随钻测量器、多个流体收集罐和内筒连接，从而当外筒转动时，内筒不转动。
具体地，内筒与串联连接的多个流体收集罐连接，用于收集岩心中的天然气和提钻过程中由于温度、压力下降释放出的解吸气。
作为优选方案，悬挂总成包括轴承组，多个流体收集罐、随钻测量器和内筒通过轴承组悬挂于外筒的内壁上。
具体地，外筒旋转时，轴承组使内筒、多个流体收集罐和随钻测量器能够不随外筒转动。
作为优选方案，还包括液压机构，液压机构设于外筒内，用于控制球阀总成的开启与关闭。
具体地，流体密闭取心装置下井和钻进过程中，球阀总成处于开启状态，测量***随钻测量下钻和钻进过程中的温度和压力数据，取心完毕起钻割心时，通过液压机构的液力加压使内外筒产生差动，关闭球阀，整个内筒、测量总成和流体收集罐成为独立的密封***。
具体地，液压机构靠钻井液的循环压力，使内筒和外筒产生压力差，实现自动关闭球阀总成。
作为优选方案，相邻的流体收集罐之间设有安全阀门，和/或流体收集罐与内筒之间设有安全阀门。
具体地，当超过安全阀门最大承受压力时，气体从内筒进入第一个流体收集罐中，当第一个流体收集罐内的压力增大超过安全阀门最大承受压力时，流入下一个流体收集罐。
作为优选方案，取心钻头的端部有活塞孔，活塞孔内设有密闭活塞。
具体地，通过钻头密闭活塞对工具进行密封，通过球阀总成采用双筒单动结构，内、外筒可相对运动，即取心内筒和流体收集罐不旋转，外筒带动钻头旋转，避免了取心内筒旋转而导致的岩心破坏，保持了样品的完整性。
作为优选方案，密闭活塞与钻头连接处设有销钉。
具体地，取心钻头在目的层位取心钻进，由于钻压的作用，钻遇目的层时密闭活塞处的销钉在取心开始前被剪断，活塞上行进入内岩心桶内，并被岩心推动沿内筒上移。
作为优选方案，随钻测量器包括TPMS电子多点随钻测量器。
具体地，TPMS电子多点随钻测量技术实现了温度压力的连续测量与记录，测量数据能反映岩心温度压力变化的细小趋势，通过与流体收集罐收集到的天然气综合分析了解页岩在起钻过程中的解吸过程。
根据本发明的另一方面，提出一种页岩保流体密闭取心方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：开启球阀总成前，通过销钉将密闭活塞固定于钻头的活塞孔，在井口将内筒里注满密闭液。
步骤二：开启球阀总成，将页岩保流体密闭取心装置下井，取心钻头在目的层位置钻进，岩心通过取心钻头进入内筒，流体收集罐收集岩心中的天然气；
随钻测量器连续测量流体收集罐中收集的天然气的温度和压力数据；
取心完毕提钻，关闭球阀总成。
具体地，钻进过程中钻井液通过钻头水眼和外泄水槽循环清洗冷却外唇面的型式，保护岩心免遭钻井液污染。球阀总成处于开启状态，流体密闭取心装置下井钻取岩心。内筒与流体收集罐相连处是单向阀连接，单向阀只允许气体通过，液体不能通过，筒内密闭液只能被进入内筒的岩心所挤压，通过岩心与内筒的环形间隙不断向下等体积排出，排出的密闭液连续不断地均匀涂抹在岩心柱表面上，形成保护膜，并在井底岩心柱周围形成一定范围的保护区，从而确保岩心不被钻井液污染。
取心完毕提钻，液压机构靠钻井液的循环压力，使内筒和外筒产生压力差，将球阀总成关闭，整个外筒内部成为独立的密闭***。提钻过程中，由于压力降低以及提钻过程中的温度降低导致页岩中的游离气逸散和解吸气解吸。
步骤三：利用导气管将流体收集罐和内筒中的天然气导出并进行测量，取出含有岩心的内筒，并对所述含有岩心的内筒采取液氮冷冻，然后将内筒和岩心一同切割并保存。
岩心出筒前首先利用导气管将流体收集罐和内筒中的气体导出并进行测量，随后通过冷冻箱对岩心和内筒一同液氮冷冻，冷冻后的岩心通过切割机随内筒一同切割，切割后的岩心需要再次使用干冰或者冷冻柜进行常规冷冻并保存，以提高岩心测试的精确度。
该方法在钻进过程中防止了钻井液对岩心的侵蚀，在起钻过程中阻止游离态的页岩气逃逸并有效收集，且减缓了吸附气的解吸速度，可以准确获得损失气含量，提升页岩含气量计算的精度。内筒上部采用一组串联的流体收集罐，可以有效收集损失气和部分解吸气。采用内筒独立密封方式，直接拔出岩心内筒进行地面岩心冷冻和处理，提供密闭页岩样品，提高了岩心其它岩石物理和化学性质的可靠性，采用电子多点随钻测量技术，实时测量大量数据。
实施例1
图1示出了本发明一个实施例中的页岩保流体密闭取心装置的结构示意图。
如图1所示，实施例提供一种页岩保流体密闭取心装置，包括依次连接的取心钻头2、外筒5和钻杆接头10，钻杆接头10能够带动外筒5和取心钻头2旋转；
在外筒5内设有依次连接的球阀总成3、内筒4、串联连接的多个流体收集罐6、随钻测量器8；多个流体收集罐6用于收集岩心中的天然气；随钻测量器8用于测量流体收集罐6中天然气的温度和压力；
该装置还包括悬挂总成9，悬挂总成9的一端与外筒5连接，另一端分别与随钻测量器8、多个流体收集罐6和内筒4连接，悬挂总成9包括轴承组，多个流体收集罐6、随钻测量器8和内筒4通过轴承组悬挂于外筒的内壁上，从而当外筒5转动时，内筒4不转动。
该装置还包括液压机构(未示出)，液压机构设于外筒5内，用于控制球阀总成3的开启与关闭。相邻的流体收集罐6之间设有安全阀门，和/或流体收集罐6与内筒4之间设有安全阀门，取心钻头2的端部有活塞孔，活塞孔内设有密闭活塞1。
密闭活塞1与取心钻头2连接处设有销钉，随钻测量器8包括TPMS电子多点随钻测量器。
实施例2
本实施例提供一种页岩保流体密闭取心装置，该方法包括如下步骤：
步骤一：取心工作开始前，通过销钉将密闭活塞1固定于取心钻头2的活塞孔，在井口将内筒4里注满密闭液。
步骤二：开启球阀总成3，将页岩保流体密闭取心装置下井，取心钻头2在目的层位置钻进，岩心通过取心钻头2进入内筒4，流体收集罐6收集岩心中的天然气；
提钻过程中，液压机构靠钻井液的循环压力，使内筒4和外筒5产生压力差，将球阀总成3关闭，整个外筒5内部成为独立的密闭***，由于压力降低以及提钻过程中的温度降低导致页岩中的游离气逸散和解吸气解吸。
取心完毕提钻，关闭球阀总成3。
步骤三：利用导气管将流体收集罐6和内筒4中的天然气导出并进行测量，取出含有岩心的内筒4，并对含有岩心的内筒4采取液氮冷冻，然后将内筒4和岩心一同切割，切割后的岩心需要再次使用干冰或者冷冻柜进行常规冷冻并保存，以提高岩心测试的精确度。
该方法在钻进过程中防止了钻井液对岩心的侵蚀，在起钻过程中阻止游离态的页岩气逃逸并有效收集，且减缓了吸附气的解吸速度，可以准确获得损失气含量，提升页岩含气量计算的精度。内筒上部采用一组串联的流体收集罐，可以有效收集损失气和部分解吸气。采用内筒独立密封方式，直接拔出岩心内筒进行地面岩心冷冻和处理，提供密闭页岩样品，提高了岩心其它岩石物理和化学性质的可靠性，测量总成采用电子多点随钻测量技术，实时测量大量数据。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (7)
1.一种页岩保流体密闭取心装置，其特征在于，包括依次连接的取心钻头、外筒和钻杆接头，所述钻杆接头能够带动所述外筒和所述取心钻头旋转；
在所述外筒内设有依次连接的球阀总成、内筒、串联连接的多个流体收集罐、随钻测量器；
所述多个流体收集罐用于收集岩心中的天然气；
所述随钻测量器用于测量所述流体收集罐中天然气的温度和压力；所述随钻测量器包括TPMS电子多点随钻测量器；
所述装置还包括悬挂总成，所述悬挂总成的一端与所述外筒连接，另一端分别与所述随钻测量器、所述多个流体收集罐和所述内筒连接，从而当所述外筒转动时，所述内筒不转动；
还包括液压机构，所述液压机构设于所述外筒内，用于控制所述球阀总成的开启与关闭；所述流体密闭取心装置下井和钻进过程中，所述球阀总成处于开启状态，取心完毕起钻割心时，液压机构靠钻井液的循环压力，使所述内筒所述外筒产生差动，关闭所述球阀总成；
相邻的所述流体收集罐之间设有安全阀门，所述流体收集罐与所述内筒之间设有安全阀门。
2.根据权利要求1所述的页岩保流体密闭取心装置，其特征在于，所述悬挂总成包括轴承组，所述多个流体收集罐、所述随钻测量器和所述内筒通过所述轴承组悬挂于所述外筒的内壁上。
3.根据权利要求1所述的页岩保流体密闭取心装置，其特征在于，所述取心钻头的端部有活塞孔，所述活塞孔内设有密闭活塞。
4.根据权利要求3所述的页岩保流体密闭取心装置，其特征在于，所述密闭活塞与所述取心钻头连接处设有销钉。
5.一种页岩保流体密闭取心方法，利用根据权利要求1-4中任一项所述的页岩保流体密闭取心装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
开启球阀总成，将页岩保流体密闭取心装置下井，取心钻头在目的层位置钻进，岩心通过所述取心钻头进入内筒，流体收集罐收集岩心中的天然气；
随钻测量器连续测量流体收集罐中收集的天然气的温度和压力数据，所述随钻测量器包括TPMS电子多点随钻测量器；
液压机构设于所述外筒内，用于控制所述球阀总成的开启与关闭，取心完毕提钻，液压机构靠钻井液的循环压力，使所述内筒所述外筒产生差动，关闭球阀总成。
6.根据权利要求5所述的页岩保流体密闭取心方法，其特征在于，
所述取心钻头的端部有活塞孔，所述活塞孔内设有密闭活塞；
所述方法还包括：
所述开启球阀总成前，通过销钉将所述密闭活塞固定于所述取心钻头的活塞孔，在井口将所述内筒里注满密闭液。
7.根据权利要求5所述的页岩保流体密闭取心方法，其特征在于，还包括：
利用导气管将所述流体收集罐和所述内筒中的天然气导出并进行测量，取出含有岩心的内筒，并对所述含有岩心的内筒采取液氮冷冻，然后将内筒和岩心一同切割并保存。
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