孔志剛，于 希

（1.中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦124010；2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)盤錦市北方瀝青股份有限公司，遼寧盤錦124010）

古潛山儲層是遼河油田的重點(diǎn)勘探開發(fā)目的層，主要儲油空間為裂縫和溶蝕孔洞等，巖石堅(jiān)硬、破碎、致密、可鉆性差。一般而言，裂縫發(fā)育越好，含油性相對越好，但在鉆井取心過程中，巖石成柱性差且極易破碎，碎塊堅(jiān)硬而不規(guī)則，很難進(jìn)入取心筒；有些碎塊容易在取心鉆頭與卡箍座、巖心爪之間大量堆積，造成堵心或取心鉆頭、卡箍座和巖心爪的嚴(yán)重磨損或損壞；堅(jiān)硬而破碎的巖心在起鉆時(shí)也很容易掉落。古潛山儲層埋藏深，探井井底情況復(fù)雜，也會嚴(yán)重影響取心效果，甚至造成空筒的出現(xiàn)。國內(nèi)外古潛山儲層取心技術(shù)的研究分析發(fā)現(xiàn)，目前還缺乏專門的取心工具，所用多為常規(guī)硬地層自鎖式取心工具，針對性差，取心效果不理想。為了彌補(bǔ)取心鉆頭機(jī)械鉆速低、耐磨性差及取心工具針對性差的缺陷，結(jié)合遼河油田古潛山儲層特征，優(yōu)化設(shè)計(jì)了新型PDC取心鉆頭和取心工具，優(yōu)化了取心技術(shù)參數(shù)，形成了遼河油田古潛山儲層鉆井取心技術(shù)。

1 取心鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在古潛山儲層取心，通常采用耐磨性較高的孕鑲或表鑲?cè)⌒你@頭，但其胎體沒有切削齒或只有很小的研磨顆粒，主要靠鉆頭胎體或研磨顆粒的研磨切削地層，機(jī)械鉆速相對較低，堅(jiān)硬而破碎的巖心在井底停留時(shí)間長，重復(fù)研磨的可能性大，容易造成堵心及取心工具一些部件的損壞，同時(shí)巖心被鉆井液沖散或鉆具震動(dòng)攪散的可能性大。因此，結(jié)合遼河油田古潛山儲層特征，應(yīng)用鉆頭模型設(shè)計(jì)軟件和力平衡設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了適合遼河油田古潛山儲層的新型低沖蝕PDC取心鉆頭［1］。

1.1 優(yōu)化切削齒尺寸及數(shù)量

為使優(yōu)化后的PDC鉆頭既有孕鑲及表鑲鉆頭平穩(wěn)、均勻、耐磨的優(yōu)點(diǎn)，又有原PDC鉆頭高切削效率和高機(jī)械鉆速的特性，根據(jù)古潛山儲層的地層特征，將切削齒尺寸從8mm優(yōu)化為6mm。為使切屑齒能更好地適應(yīng)裂縫、溶蝕孔洞及耐磨性地層［2］，切削齒從3～5個(gè)優(yōu)化為10個(gè)，以增加同時(shí)接觸地層的有效切削齒數(shù)。

1.2 應(yīng)用低沖蝕鉆頭水眼結(jié)構(gòu)

在取心過程中，鉆井液對巖心的沖蝕會增大巖心進(jìn)筒阻力，特別是對于古潛山這種裂縫發(fā)育的儲層，鉆井液有可能會使巖心更加散碎而無法進(jìn)筒［3］。因此，為提高巖心收獲率和取心質(zhì)量，對取心鉆頭的水眼和水槽進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了向外傾斜的水眼，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)與取心內(nèi)筒下部卡箍座相配合的鉆頭內(nèi)部防鉆井液沖蝕槽［4］，如圖1所示。與原有直水眼結(jié)構(gòu)相比，流動(dòng)方向的改變有效減小了鉆井液對巖心的沖蝕，而防鉆井液沖蝕槽進(jìn)一步阻止了鉆井液與巖心的直接接觸，雙層保護(hù)可達(dá)到保護(hù)巖心的目的。

圖1 低沖蝕鉆頭水眼結(jié)構(gòu)Fig.1 Nozzle structure of low erosion bit

1.3 提高切削齒的強(qiáng)度及黏結(jié)強(qiáng)度

在取心鉆進(jìn)時(shí)，PDC取心鉆頭切削齒的強(qiáng)度和切削齒與鉆頭胎體的黏結(jié)強(qiáng)度對取心的成功起關(guān)鍵作用。PDC鉆頭的切削齒一般是由硬質(zhì)合金柱和金剛石復(fù)合片用平面結(jié)合方式燒結(jié)而成，在遇到堅(jiān)硬地層時(shí)容易產(chǎn)生由于應(yīng)力釋放而造成的金剛石復(fù)合片破壞或脫落，加之切削齒與鉆頭胎體的黏結(jié)強(qiáng)度不夠，切削齒破壞或崩齒現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，采用Z3型金剛石復(fù)合片與硬質(zhì)合金連接方式，可降低切削齒中的剩余應(yīng)力，增加切削齒強(qiáng)度；另外，通過研究釬焊溫度下母材的線膨脹系數(shù)、釬焊加熱方式、接頭結(jié)構(gòu)因素等的影響發(fā)現(xiàn)，釬焊焊縫的最佳焊縫間隙為0.02mm左右，此時(shí)焊縫強(qiáng)度最高，更適應(yīng)于古潛山地層。

1.4 優(yōu)化鉆頭冠部形狀及切削齒排布

圖2 新型PDC取心鉆頭Fig.2 A new type of PDC coring bit

優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型PDC取心鉆頭其頭冠類似錐形，在其上布置有小齒，每個(gè)刀翼布置10顆齒，共有6個(gè)刀翼（如圖2所示）。其PDC齒有三分之二作為保徑齒鑲嵌在外側(cè)，布齒密度大，可以減少每個(gè)保徑齒所承擔(dān)的切削面積。越靠近外側(cè)，切削齒線速度越大，受地層的沖擊力也越大，因此保徑齒最容易損壞。

用多顆PDC切削齒分擔(dān)外側(cè)的切削面積，增強(qiáng)了鉆頭的穩(wěn)定性和耐久性。另外，其保徑齒按照傾斜的錐度布齒，使同樣的切削面積上承載3～4顆切屑齒（改進(jìn)前只有1顆），并使接觸面由垂直接觸變?yōu)閮A斜接觸，每一顆切屑齒都得到充分利用，提高了切削效率。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以使鉆頭的垂直切削變?yōu)樗角邢?。因?yàn)椋貙拥膶永硎撬降?，發(fā)育為層狀，有些致密地層靠鉆頭垂直切削很難吃入地層，從側(cè)面切削則較容易破巖。遇到該類地層時(shí)，因?yàn)槌Ｒ?guī)PDC切削齒無法吃入地層，鉆進(jìn)中扭矩小，在3～4kN·m之間基本無變化，機(jī)械鉆速較低。新型PDC鉆頭鉆遇該類地層時(shí)，雖然扭矩也不大，但能達(dá)到7kN·m左右，鉆速也相對較快。這是因?yàn)椋烬X以傾斜的角度接觸地層，對地層施加的鉆壓可以分為垂直和水平兩部分，水平方向分力起到了水平切削地層的作用，從而提高了破巖效率。改進(jìn)前后的鉆齒排布及其工作原理如圖3所示。

2 取心工具的改進(jìn)

新型PDC取心鉆頭必須配合相應(yīng)的取心工具才能達(dá)到預(yù)定的效果。為此，通過統(tǒng)計(jì)分析近兩年遼河油田古潛山儲層單筒取心情況，用排除法確定了造成單筒巖心收獲率低及取心質(zhì)量差的主要原因，擬定實(shí)施各個(gè)擊破的相應(yīng)對策?；诖耍瑢ΜF(xiàn)有取心工具進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，初步形成了適合古潛山儲層巖石特性的CQY型自鎖式取心工具，工具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1 增加隱式籃式巖心爪和引心套

圖3 改進(jìn)前后取心鉆頭鉆齒排布及工作原理Fig.3 Bit teeth arrangement and working principle before and after modification

對于古潛山儲層的堅(jiān)硬、破碎巖石，只能應(yīng)用自鎖式割心方式，但堅(jiān)硬而破碎的巖心容易從內(nèi)筒中掉出，從而降低巖心收獲率。在內(nèi)筒中加入用引心套隱藏的隱式籃式巖心爪，可以有效防止進(jìn)筒巖心的掉落；引心套在有效引導(dǎo)巖心進(jìn)筒的同時(shí)還可以有效保護(hù)巖心，降低鉆井液對巖心的沖蝕，提高巖心收獲率和取心質(zhì)量［4］。

2.2 增加內(nèi)筒扶正器

巖心進(jìn)筒時(shí)受到內(nèi)筒的橫向震蕩，會加劇巖心的破碎和巖心之間的相互研磨，導(dǎo)致堵心或巖心的丟失。為了有效降低內(nèi)筒的橫向震蕩，在內(nèi)筒中加入可以軸向旋轉(zhuǎn)的內(nèi)筒扶正器，降低巖心的破碎和巖心之間的相互研磨，從而達(dá)到提高巖心收獲率的目的。

2.3 增加堵心指示器和防堵心裝置

巖心進(jìn)筒時(shí)，隨著巖心的增加和破碎，進(jìn)筒巖心碎塊容易在巖心與內(nèi)筒內(nèi)壁環(huán)空之間堆積。阻力增大 ，導(dǎo)致巖心進(jìn)筒困難，甚至出現(xiàn)堵心。另外，堅(jiān)硬地層機(jī)械鉆速低，出現(xiàn)堵心時(shí)在地面很難及時(shí)、準(zhǔn)確判斷，會造成巖心大量丟失，影響巖心收獲率［5］。堵心增加了取心時(shí)的起下鉆次數(shù)，從而也增加了取心成本。

圖4 改進(jìn)后的古潛山儲層取心工具Fig.4 Modified coring tool for buried hill reservoirs

為了解決該問題，在取心工具中增加了堵心指示器和防堵心裝置（如圖5所示）。其工作原理是：發(fā)生堵心時(shí)內(nèi)筒負(fù)荷增大，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到一定值時(shí)堵心指示器的剪切銷釘被剪斷，指示器中的封堵環(huán)釋放，封堵了部分內(nèi)筒環(huán)空，減小了鉆井液的流動(dòng)面積，增大了流動(dòng)阻力，從而增加了泵壓，技術(shù)人員能及時(shí)、準(zhǔn)確判斷堵心的發(fā)生［6］；發(fā)生堵心后，增大鉆壓，巖心的上推力會剪斷防堵心裝置的第一層襯管銷釘，襯管上行，從而達(dá)到解堵的目的。此防堵心裝置可以連續(xù)解堵心3次，能大大減少取心起下鉆次數(shù)、降低取心成本［7］。

圖5 防堵心裝置Fig.5 Anti－jam coring system

2.4 應(yīng)用內(nèi)壁光滑的鋁合金內(nèi)筒

在自然環(huán)境中，鋼制取心內(nèi)筒容易生銹，生銹的取心內(nèi)筒內(nèi)壁更加粗糙，導(dǎo)致巖心進(jìn)筒摩擦力增大，增大了巖心進(jìn)筒阻力，也增大了堵心的概率，同時(shí)也會對防堵心裝置產(chǎn)生影響［8－10］。因此，為了減小巖心進(jìn)筒阻力，將容易生銹的鋼制內(nèi)筒換為內(nèi)壁光滑而不生銹的鋁合金內(nèi)筒。

3 取心技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

在古潛山儲層取心過程中，為了使巖心快速進(jìn)筒，并及時(shí)排出巖心碎塊以防止堵心，需要提高機(jī)械鉆速和取心鉆進(jìn)排量。優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型低沖蝕PDC取心鉆頭，需配合大鉆壓、高轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，低沖蝕水眼結(jié)構(gòu)也可以使取心鉆進(jìn)排量增大，防止巖心碎塊堵心。因此，結(jié)合遼河油田古潛山儲層的地層特征，對鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量等取心技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，正常取心鉆進(jìn)中將轉(zhuǎn)速從原來的60～70r／min提高至80～100r／min，鉆壓由40～50kN提高至80～100kN，排量由18～22L／s提高至22～32L／s。具體優(yōu)化情況見表1。

表1 取心技術(shù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 1 Optimized coring parameters

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

2012年以來，該鉆井取心技術(shù)在遼河油田9口井的古潛山儲層取心中進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用（見表2），累計(jì)完成取心進(jìn)尺39.20m，累計(jì)巖心長度35.27m，平均巖心收獲率89.97%，超過我國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉆井取心質(zhì)量指標(biāo)》（SY／T 5593—1993）規(guī)定的散碎地層鉆井取心質(zhì)量指標(biāo)（巖心收獲率≥50%），比在未應(yīng)用該技術(shù)之前（見表3）的巖心收獲率提高38.84%。

表2 應(yīng)用新技術(shù)后遼河油田古潛山儲層取心數(shù)據(jù)Table 2 Coring data of buried hill reservoirs after application of new coring techniques

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況，并進(jìn)一步分析表2、表3可知：

1）機(jī)械鉆速和巖心收獲率均有提高。現(xiàn)場應(yīng)用中，新型PDC取心鉆頭平均機(jī)械鉆速達(dá)2.79m／h，是原來機(jī)械鉆速（平均機(jī)械鉆速0.55m／h）的4倍多。高機(jī)械鉆速有效保護(hù)了巖心，減少了由于機(jī)械鉆速低造成的鉆頭處已進(jìn)筒巖心與未進(jìn)筒巖心之間的反復(fù)研磨及內(nèi)筒中巖心的反復(fù)研磨而導(dǎo)致的巖心破碎，提高了巖心收獲率，同時(shí)減小了井下故障。

表3 近幾年遼河油田古潛山儲層采用常規(guī)技術(shù)的取心數(shù)據(jù)Table 3 Coring data of buried hill reservoirs with conventional coring techniques in recent years

2）可以準(zhǔn)確判斷堵心情況。通常情況下，發(fā)生堵心時(shí)很難及時(shí)、準(zhǔn)確地做出判定，即使做出堵心判斷，也只能起鉆，一次堵心就要增加一次起下鉆，增加了取心成本。而新開發(fā)的古潛山儲層鉆井取心技術(shù)在該方面有明顯的進(jìn)步，如：C111井取心鉆進(jìn)過程中，在進(jìn)尺2.2和4.5m處發(fā)生堵心，機(jī)械鉆速明顯下降，泵壓也從10.2MPa突然上升至14.0MPa，此時(shí)取心工程師判定為堵心，隨即停轉(zhuǎn)盤、增大鉆壓，鉆壓從90kN增大到120kN時(shí)猛然又回到90kN，說明防堵心裝置已解堵，開轉(zhuǎn)盤繼續(xù)鉆進(jìn)。

3）取心質(zhì)量明顯提高。現(xiàn)場試驗(yàn)中，出筒的巖心完整度要明顯高于以前，巖心質(zhì)量也有一定提高。分析認(rèn)為，主要是因?yàn)橐奶缀偷蜎_蝕水眼結(jié)構(gòu)的配合，有效減小了巖心的進(jìn)筒阻力。

5 結(jié)論與建議

1）古潛山儲層鉆井取心技術(shù)在遼河油田應(yīng)用效果顯著，平均巖心收獲率達(dá)89.97%，機(jī)械鉆速提高3倍多，巖心收獲率和巖心質(zhì)量都較常規(guī)技術(shù)有很大提高?？梢試L試將該技術(shù)進(jìn)一步推廣到國內(nèi)外其他地區(qū)古潛山或堅(jiān)硬、破碎地層的取心作業(yè)中。

2）堵心指示器提高了判斷堵心發(fā)生的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，防堵心裝置有效減少了因?yàn)槎滦脑斐傻钠鹣裸@次數(shù)，可大大縮減取心時(shí)間，降低取心成本。

3）引心套及低沖蝕水眼結(jié)構(gòu)減小了巖心的進(jìn)筒阻力，降低了巖心進(jìn)筒難度，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握參數(shù)變化并進(jìn)行有效處理是古潛山鉆井取心技術(shù)成功的關(guān)鍵。

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