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10－4。
（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10－5和表10－6。
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10－7）。
国外250P常规取心工具的结构，如图10－8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2～3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10－9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10－7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： ①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；
②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；
③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10－10（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10－8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（41／2英寸）贯眼接头［71.4毫米（213／16。英寸）内径］能回收较小的绳索式内筒［60.3毫米（23／8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（33／4英寸）内径］能回收69.9毫米（23／4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