曹華慶， 龍志平

（1. 中石化華東石油工程有限公司六普鉆井公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2. 中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210030）

蘇北盆地油氣層具有“小、貧、碎、散”的特征[1]，取心目的層主要為新生界的戴南組和阜寧組，地層巖性為砂泥巖互層，鉆井取心時(shí)泥巖進(jìn)尺相對偏多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，95%以上的取心井為定向井，取心井段井斜角為25°～40°，其中約30%定向井取心井段的井斜角超過35°，最大井斜角達(dá)到59.8°。蘇北盆地多口井的戴南組和阜寧組地層取心結(jié)果表明，取心鉆頭易發(fā)生泥包現(xiàn)象，同時(shí)受井斜角和地層巖性的影響，常規(guī)取心工具的機(jī)械鉆速和巖心收獲率低。

為了解決蘇北盆地戴南組和阜寧組泥巖地層鉆井取心過程中出現(xiàn)的問題，筆者在分析取心層位地層特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制了個(gè)性化取心鉆頭、優(yōu)選了取心工具、優(yōu)化了取心水力參數(shù)，形成了適用于該地區(qū)泥巖地層的取心關(guān)鍵技術(shù)，并在48 口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，均取得了較好的應(yīng)用效果。

1 地層特點(diǎn)及取心難點(diǎn)技術(shù)

1.1 地層特點(diǎn)

蘇北盆地自西向東分別為金湖凹陷、溱潼凹陷和海安凹陷，自上而下鉆遇東臺組、鹽城組、三垛組、戴南組、阜寧組和浦口組地層，部分區(qū)塊戴南組缺失，各區(qū)塊目的層的埋深也有一定差別。蘇北盆地主要儲層和取心層位為戴南組1 段和阜寧組3 段。

戴南組1 段（Ed1）下部為砂礫巖，上部為細(xì)砂巖、泥巖。巖性以灰色、淺灰色、褐灰色和黃灰色細(xì)砂巖為主，儲層較薄，一般為0.50～4.00 m，可鉆性級值低，一般為3～4 級。

阜寧組3 段（Ef3）為灰黑色泥巖與淺灰、灰白色粉砂巖、細(xì)砂巖互層地層，儲層薄且厚度不均，一般為0.50～6.00 m，是蘇北盆地油氣主要富集層位，可鉆性級值稍高于戴南組。阜3 段泥巖黏土礦物含量較高，海安凹陷張家垛區(qū)塊的張3-4 井井下垮塌物的沉積巖全巖X 射線衍射定量分析表明，黏土礦物含量占46.8%～51.7%,伊/蒙混層占73.0%～77.0%，伊利石占10.0%（見表1），屬于伊/蒙混層型泥頁巖[2]。這種泥巖發(fā)育不同類型的裂縫，泥質(zhì)含量比較高、伊/蒙混層含量高，黏土礦物易水化膨脹、分散和垮塌[3]。

表 1 張3-4 井阜寧組泥巖沉積巖全巖X-射線衍射定量分析Table 1 Whole rock X-ray diffraction quantitative analysis of mudstone sedimentary rocks in the Funing Formation of Well Zhang3-4

1.2 取心技術(shù)難點(diǎn)

通過分析蘇北盆地多口井的戴南組和阜寧組地層取心資料，發(fā)現(xiàn)取心作業(yè)主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1）取心鉆頭與泥巖地層配伍性差，機(jī)械鉆速低。2014 年和2015 年平均取心鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速分別為0.61 和0.90 m/h。

2）蘇北盆地南華區(qū)塊PDC 取心鉆頭泥包現(xiàn)象時(shí)有出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速。出現(xiàn)泥包鉆頭現(xiàn)象時(shí)，取心機(jī)械鉆速迅速降低，鉆時(shí)急劇升高。

3）蘇北盆地部分區(qū)塊（如溱潼區(qū)塊西部斜坡吉溝構(gòu)造）阜寧組3 段泥巖分散、破碎嚴(yán)重。采用常規(guī)取心工具拔心或起鉆過程中易造成泥巖巖心掉心、漏心，導(dǎo)致巖心收獲率低，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)過巖心收獲率為0 的情況。

4）采用常規(guī)取心工具易引起堵心、磨心，造成巖心收獲率低。

2 取心鉆頭的研制

2.1 取心地層巖石可鉆性分析

蘇北盆地戴南組、阜寧組地層巖石可鉆性分析結(jié)果表明，巖石為中、低強(qiáng)度，可鉆性級值為3.0～6.5，為軟—中硬地層。

根據(jù)室內(nèi)巖石可鉆性測試結(jié)果和現(xiàn)場鉆頭使用經(jīng)驗(yàn)，可鉆性級值與復(fù)合片直徑對應(yīng)關(guān)系見表2。對可鉆性級值為4～5 的地層，選擇直徑為13.0～16.0 mm 的進(jìn)口PDC 復(fù)合片作為切削元件[4-5]，考慮到蘇北盆地戴南組和阜寧組地層的埋深存在差異，以及取心鉆頭對部分深井、硬地層的適應(yīng)性，選擇φ13.0 mm PDC 復(fù)合片，研制了GC406 型取心鉆頭。

表 2 巖石可鉆性級值與復(fù)合片直徑對應(yīng)關(guān)系Table 2 Relationship between the drillability extreme value and compact size

2.2 鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對戴南組、阜寧組地層中含有大段分散性強(qiáng)的泥巖，鉆頭容易泥包且?guī)r心容易被沖蝕而不成形，甚至無法獲得巖心等情況，采用計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)了GC406 型取心鉆頭的水力結(jié)構(gòu)，在每個(gè)刀翼前布置一個(gè)大直徑噴嘴，噴嘴噴射方向與軸線的夾角取3°～10°；并對排屑槽斜面傾角進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取適當(dāng)角度值（見圖1）。

圖 1 GC406 型取心鉆頭Fig. 1 GC406 coring bit

GC406 型取心鉆頭采用大噴嘴加內(nèi)規(guī)徑流道和經(jīng)過優(yōu)化的排屑槽斜面，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）采用了大直徑噴嘴，其噴射方向直接對準(zhǔn)刀翼上的切削齒，可有效清洗切削齒。刀翼上流速的分布原則是：盡量讓高流速區(qū)分布在各刀翼的主切削齒上，避免在主切削齒附近出現(xiàn)低流速區(qū)進(jìn)而發(fā)生取心鉆頭泥包現(xiàn)象[6]。

2）鉆頭內(nèi)的流道為常規(guī)固定水眼加內(nèi)規(guī)徑流道，可以實(shí)現(xiàn)鉆井液分流模式。大約80%左右的鉆井液從固定水眼的噴嘴流出，減輕了鉆井液對巖心的沖蝕；同時(shí)，大約20%的鉆井液通過內(nèi)規(guī)徑流道流出，潤滑巖心，減小巖心入筒阻力，有助于巖心進(jìn)入內(nèi)筒，提高機(jī)械鉆速。

2.3 “G 系列”切削齒的應(yīng)用

GC406 型取心鉆頭切削齒選用了“G 系列”切削齒。鉆頭采用非平面結(jié)構(gòu)，將有害應(yīng)力從齒的邊緣轉(zhuǎn)移到易于吸收高載荷的區(qū)域，確保切削齒長時(shí)間保持自銳，以延長鉆頭的使用壽命。同時(shí)，“G 系列”切削齒具有高拋光表面，可以減小巖屑與切削齒表面的摩擦力，改善巖屑運(yùn)移狀態(tài)，提高機(jī)械鉆速。

2.4 防泥包涂層設(shè)計(jì)

GC406 型取心鉆頭采用了獨(dú)特的鉆頭表面負(fù)離子處理技術(shù)，使鉆頭表面帶有負(fù)電荷，在鉆頭周圍形成一個(gè)陽板，產(chǎn)生微電流，鉆頭與鉆井液之間形成一個(gè)水的富集區(qū)，起潤滑或隔板作用。鉆進(jìn)時(shí)，黏土表面負(fù)離子與鉆頭表面的負(fù)電荷相斥，防止鉆頭泥包。

2.5 PDC-DS 軟件優(yōu)化布齒

PDC-DS 軟件能夠針對復(fù)雜地層、鉆頭復(fù)雜運(yùn)動(dòng)條件及復(fù)雜結(jié)構(gòu)鉆頭進(jìn)行PDC 鉆頭工作力學(xué)性能分析與評價(jià)。使用PDC-DS 軟件優(yōu)化GC406 型取心鉆頭的穩(wěn)定性、工作壽命和水力參數(shù)。優(yōu)化后的GC406 型鉆頭采用六刀翼、 φ13.0 mm 切削齒、小后傾角和適當(dāng)側(cè)轉(zhuǎn)角的設(shè)計(jì)，提升了鉆頭的總體性能，可以獲得更高的機(jī)械鉆速。

3 取心筒優(yōu)選

多年來，蘇北盆地取心作業(yè)先后使用過川式常規(guī)取心工具、勝利油田Rb 系列取心工具和江蘇油田蘇式多功能取心工具。常規(guī)取心工具大部分僅適用于直井取心，在定向井取心過程中存在內(nèi)外筒相互接觸、巖心進(jìn)筒困難和巖心入筒后阻力大等問題，易發(fā)生堵心、卡心。

根據(jù)蘇北盆地地層特征、井型、鉆井液類型和井壁條件，選擇蘇式JS-6 全封銷掛式多用取心筒或川式DJQ172-101 型定向井（投球式）取心筒。蘇式JS-6 全封銷掛式多用取心筒的內(nèi)筒全面密封，懸掛總成只用一個(gè)銷子連接和懸掛，內(nèi)筒底部設(shè)有通用底軸承。該軸承由內(nèi)圈、外圈、蓋圈、擋圈及鋼球組成，具有扶正內(nèi)筒的作用。川式DJQ172-101 型定向井（投球式）取心筒由安全接頭、旋轉(zhuǎn)總成、差值短節(jié)、外筒、內(nèi)筒滾柱支撐節(jié)和巖心爪組成，適用于大斜度井、定向井和直井取心。

這2 種取心筒的內(nèi)筒在取心前都可以通過循環(huán)鉆井液進(jìn)行沖洗，以清除下鉆過程中進(jìn)入內(nèi)筒的巖屑、濾餅，防止形成“假心”，引起堵心。同時(shí)，內(nèi)外筒均可以適當(dāng)加長，實(shí)現(xiàn)雙筒、三筒取心，適合蘇北盆地常規(guī)油氣井和非常規(guī)頁巖氣井連續(xù)取心作業(yè)[7-8]。

4 取心水力參數(shù)優(yōu)化

蘇北盆地油氣井鉆井采用清水鉆井液，濾失量大，容易使井壁附近的泥巖水化、膨脹；尤其是阜寧組泥巖巖屑吸水膨脹易造成PDC 鉆頭或牙輪鉆頭泥包，從而大幅降低機(jī)械鉆速。為此，需采取改善鉆井液性能和水力參數(shù)優(yōu)化措施，以減少PDC 取心鉆頭泥包的現(xiàn)象。

采用性能合適的低黏、低切鉆井液，使用離心機(jī)清除鉆井液中的劣質(zhì)固相，以降低劣質(zhì)固相含量。采用陽離子乳液鉆井液，提高鉆井液的抑制性能，在鉆進(jìn)上部砂巖地層時(shí)加足聚合物，以保證鉆井液具有較強(qiáng)的抑制能力。

GC406 型取心鉆頭噴嘴的角度和噴射方向進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，可以使井底水力流場和流速得到合理分布。在實(shí)際取心作業(yè)過程中根據(jù)地層巖性選擇合適的排量，砂巖地層推薦排量18～20 L/s，以防止松散地層巖心刺心和沖蝕，在泥巖地層將排量增大至22～24 L/s，以確保及時(shí)將鉆頭周圍的巖屑攜帶走，避免泥巖黏附在切削齒表面影響切削效率，同時(shí)防止鉆頭泥包。

最后，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，由上述分析也可引出這樣一個(gè)結(jié)論：與“反思性實(shí)踐者”相比較，這是關(guān)于教師工作更恰當(dāng)?shù)囊粋€(gè)定位——作為研究者的教師，或者說，為了促進(jìn)自身的專業(yè)成長，即應(yīng)將教學(xué)工作與研究工作更好地結(jié)合起來；進(jìn)而，后一主張又可被看成很好地體現(xiàn)了舒爾曼的這樣一個(gè)論點(diǎn)，即是應(yīng)當(dāng)將“參與”或“行動(dòng)”看成教師專業(yè)成長的第一要素．

5 復(fù)雜情況處理措施

5.1 取心鉆頭泥包

PDC 鉆頭泥包主要包括切削齒泥包、鉆頭中心泥包、排屑槽最窄處泥包、排屑槽泥包和鉆頭整體泥包等情況。取心鉆頭泥包與地層黏土含量、黏土顆粒分散度、鉆井液類型及PDC 取心鉆頭本體材質(zhì)等有關(guān)。解決取心鉆頭的泥包問題，需要根據(jù)取心地層的特點(diǎn)，采取選用抑制性能強(qiáng)的鉆井液、優(yōu)化取心鉆頭的水道和優(yōu)選水力參數(shù)、對取心鉆頭表面進(jìn)行處理、提高鉆井液排量、下鉆過程中分段循環(huán)鉆井液等技術(shù)措施。PDC 取心鉆頭一旦發(fā)生泥包，會導(dǎo)致部分或全部切削齒不能接觸地層，機(jī)械鉆速直線降低[9]。

5.2 取心過程中堵心

取心過程中堵心一般由于以下3 種情況造成，處理措施分別為：

1）在取心前循環(huán)時(shí)未能清除濾餅、井壁黏附的巖屑，下鉆過程中，形成“假心”占據(jù)巖心內(nèi)筒空間。因此，需要在取心前大排量循環(huán)，以清除進(jìn)入內(nèi)筒內(nèi)部的“假心”。

2）取心筒內(nèi)筒生銹、腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致內(nèi)筒內(nèi)徑縮小，取心過程中導(dǎo)致堵心。因此，取心時(shí)要選用不銹鋼內(nèi)筒，并經(jīng)常檢查取心筒內(nèi)筒，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換內(nèi)筒。

3）戴南組、阜寧組泥巖膠結(jié)物主要為伊/蒙混層和伊利石，伊/蒙混層礦物水化膨脹易剝落掉塊，導(dǎo)致取心時(shí)巖心在巖心筒內(nèi)破碎，取心時(shí)表現(xiàn)為鉆壓不回、機(jī)械鉆速變慢和鉆時(shí)急劇增長。分析認(rèn)為，巖心在內(nèi)筒內(nèi)破碎、松散，形成“楔心”現(xiàn)象，后續(xù)巖心進(jìn)入內(nèi)筒的阻力增大，形成局部堵心，造成取心機(jī)械鉆速突然降低。取心過程中若施加40～60 kN鉆壓存在鉆時(shí)特別長的情況，可能發(fā)生堵心，應(yīng)快速將鉆壓加至100 kN，以解除堵心，恢復(fù)正常取心鉆進(jìn)；如果上述操作未能解除堵心，應(yīng)立即磨心，割心起鉆，避免磨心導(dǎo)致巖心收獲率降低。

5.3 優(yōu)選不同類型巖心爪

多口井的取心作業(yè)發(fā)現(xiàn)，拔心時(shí)有明顯附加懸重顯示，但是出心時(shí)巖心長度比進(jìn)尺短得較多。出現(xiàn)這種情況的原因是采用的巖心爪不適于在破碎、松散的地層取心。

蘇北盆地常用的巖心爪是摩擦式彈簧卡箍巖心爪（見圖2），割心方式為彈簧卡箍收縮割心，收縮接頭內(nèi)加工有錐度為1∶5 的斜面，使用22 條摩擦條、摩擦因數(shù)達(dá)到0.82 的卡箍[10-11]。摩擦式彈簧卡箍靠巖心的重力和鉆具上提，引起彈簧卡箍依靠摩擦力向下移位，彈簧卡箍在帶錐度的斜面上移動(dòng)、收縮，卡住巖心，拔斷巖心。JS-6 全封銷掛式多用取心筒和DJQ172-101 型定向井（投球式）取心筒均可以使用彈簧卡箍巖心爪割心，該巖心爪可以割取 φ101.0 mm巖心，適用于成柱性好、膠結(jié)致密的地層；但是彈簧卡箍巖心爪不能夠完全封閉巖心下端，在松散、易破碎地層取心起鉆過程中有掉心的可能。

圖 2 彈簧卡箍巖心爪Fig. 2 Spring clamp core catcher

取心作業(yè)時(shí)，可根據(jù)取心地層中黏土礦物的伊利石含量、伊/蒙混層含量和巖心成柱情況，選擇不同的巖心爪。在膠結(jié)不好、成巖差、破碎地層選擇卡板巖心爪（見圖3），在松散、裂解、極破碎地層選擇彈簧卡箍加籃式一體化組合巖心爪（見圖4），以確保不發(fā)生掉心、漏心等情況。

圖 3 卡板巖心爪Fig. 3 Locking plate core catcher

圖 4 一體化巖心爪Fig. 4 Integrated core catcher

卡板巖心爪適合在疏松、松散地層取心，其割心機(jī)構(gòu)可以割取 φ75.0 mm 的巖心。取心鉆至設(shè)計(jì)進(jìn)尺后，停止旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤并停止施加鉆壓。在方鉆桿與轉(zhuǎn)盤面平齊的地方做2 個(gè)相距0.13 m 的標(biāo)記。分多次上提，將鉆壓降至0 （但是鉆頭不提離井底），開動(dòng)轉(zhuǎn)盤、空轉(zhuǎn)，磨巖心凹槽15 min 左右（在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，取心鉆頭的切削內(nèi)刃因擺動(dòng)將巖心磨出一圈凹槽），然后恢復(fù)取心鉆進(jìn)，繼續(xù)鉆進(jìn)0.13 m，此時(shí)卡板巖心爪的卡板剛好卡入巖心凹槽，停轉(zhuǎn)盤、上提鉆具,卡板微張開后進(jìn)行割心操作[12]。蘇北盆地南華區(qū)塊使用卡板巖心爪割心，割心時(shí)一般有50～100 kN 的附加懸重顯示。

起鉆過程中隨著井內(nèi)液柱壓力降低和水基鉆井液中浸泡時(shí)間增長，巖心逐步裂解、破碎，導(dǎo)致起鉆過程中所取巖心易掉落，該類地層可選用彈簧卡箍加籃式一體化巖心爪。該巖心爪可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)筒全封閉，可確保起鉆過程中不發(fā)生掉心。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

2017—2018 年，新研制的GC406 型取心鉆頭配合JS-6 全封銷掛式多用取心筒或DJQ172-101 型定向井（投球式）取心筒，在蘇北盆地48 口井的戴南組、阜寧組地層取心作業(yè)中進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，平均機(jī)械鉆速大于3.50 m/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2014 年的平均機(jī)械鉆速（0.61 m/h）和2015 年的平均機(jī)械鉆速（0.91 m/h）。

陳8 井和陳9 井是蘇北盆地某區(qū)塊的2 口鄰井，分別使用常規(guī)的8440FQ203 型取心鉆頭和新研制的GC406 型PDC 鉆頭在阜寧組3 段進(jìn)行取心，取心效果如表3 所示。從表3 可以看出，GC406 型取心鉆頭的進(jìn)尺、機(jī)械鉆速和巖心收獲率均明顯高于8440FQ203 型取心鉆頭。

表 3 陳8 井和陳9 井阜寧組地層取心效果對比Table 3 Coring result in Funing Formation of Well Chen 8 and Well Chen 9Comparison of coring effect in Funing formation of Well Chen 8 and Chen 9

陳9 井阜3 段定向井段的井斜角為34.3°，使用GC406 型取心鉆頭連續(xù)取心7 回次，最高機(jī)械鉆速達(dá)到18.10 m/h、連續(xù)取心進(jìn)尺58.35 m，巖心收獲率100.0%，創(chuàng)蘇北盆地連續(xù)取心進(jìn)尺最長紀(jì)錄。

花2 井戴南組、阜3 段定向井段的井斜角為21.0°，使用GC406 型取心鉆頭取心5 回次，最高機(jī)械鉆速達(dá)到24.80 m/h、取心進(jìn)尺38.64 m，巖心長38.49 m，巖心收獲率99.6%，創(chuàng)蘇北盆地取心機(jī)械鉆速最高紀(jì)錄。

7 結(jié)論與建議

1）針對蘇北盆地戴南組、阜寧組泥巖地層取心需求，研制了GC406 型取心鉆頭，配合使用JS-6 全封銷掛式多用取心筒或DJQ172-101 型定向井（投球式）取心筒，形成了該區(qū)塊泥巖地層取心關(guān)鍵技術(shù)。

2）GC406 型PDC 取心鉆頭采用了特殊的水力結(jié)構(gòu)和防泥包涂層，解決了蘇北盆地戴南組和阜寧組泥巖地層泥包取心鉆頭的問題。

3）取心前要根據(jù)地質(zhì)預(yù)測分析地層的巖性特征和松散程度選擇合適的巖心爪，以確保拔心和起鉆過程中不發(fā)生掉心，提高巖心收獲率。