復(fù)雜地層取心鉆進堵心原因分析及其預(yù)防措施

李鑫淼， 李 寬， 梁 健， 尹 浩， 王志剛， 孫建華， 張永勤

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

復(fù)雜地層是指在成因、構(gòu)造運動等多種地質(zhì)作用的綜合影響下，形成的節(jié)理、片理、松散、破碎、裂隙發(fā)育、軟硬互層、水敏性強、漏失嚴重的地層[1-6]，通常地層膠結(jié)性、穩(wěn)定性極差，遇水易膨脹、溶解、剝落，易出現(xiàn)坍塌、掉塊、縮徑等孔內(nèi)問題。復(fù)雜地層取心鉆進時極易出現(xiàn)堵心，起鉆時巖心易脫落，巖心采取率普遍偏低。復(fù)雜地層鉆進時，地質(zhì)巖心鉆探常用的取心鉆具包括單動雙管取心鉆具、單動三管取心鉆具等，石油鉆井常用的取心工具包括自鎖式取心工具、加壓式取心工具、加壓及自鎖雙作用式取心工具等[7-8]，上述鉆具下部均為雙管結(jié)構(gòu)，堵心主要發(fā)生在巖心與鉆頭及內(nèi)管之間，堵心造成回次進尺短，取心頻率高，嚴重影響取心鉆進效率，增加勞動強度及施工成本，鉆進過程中若未能及時發(fā)現(xiàn)堵心，極易導(dǎo)致磨心，使巖心直徑減小，甚至丟心，堵心嚴重時還會損傷取心鉆具。因此，需對堵心問題進行深入分析，為鉆具結(jié)構(gòu)、取心工藝的優(yōu)化找到突破口，有效預(yù)防堵心發(fā)生，最終提高復(fù)雜地層回次進尺長度及取心鉆進效率。

1 易堵心地層特征

查閱了大量以往鉆孔(井)取心施工文獻資料，發(fā)現(xiàn)堵心發(fā)生的頻率很高，筆者將取心施工中易發(fā)生堵心的典型鉆孔(井)的地層巖性及特征等關(guān)鍵信息進行了整理(見表1)，通過對比分析，發(fā)現(xiàn)在泥巖、頁巖、砂巖、灰?guī)r、礫巖、煤層等不同地層取心鉆進時，均發(fā)生過不同程度的堵心，部分鉆孔(井)堵心嚴重，且出現(xiàn)頻率較高，可見堵心是復(fù)雜地層取心鉆進時的一個共性問題。另外，從巖心采取的情況來看，取心地層雖然不同，但出現(xiàn)堵心的地層特征有極大的相似之處，地層表現(xiàn)出裂隙發(fā)育、松散軟弱、破碎嚴重等特征，均難以形成柱狀巖心，巖心多呈碎塊或片狀，且形狀不規(guī)則，有些水敏性地層，巖心易發(fā)生水化作用，導(dǎo)致巖心吸水膨脹，在多種原因共同作用下導(dǎo)致堵心。

2 堵心原因分析

復(fù)雜地層取心鉆進時，鉆具堵心主要發(fā)生在兩個位置，一是取心鉆頭內(nèi)臺階與內(nèi)管下端卡簧(巖心爪)及軸向間隙之間；二是巖心與內(nèi)管之間的某一位置。

表1 易堵心地層的巖性及特征

堵心主要是由于破碎地層產(chǎn)生的巖心外形不規(guī)則，同時巖心在鉆具的振動作用下開裂、破碎，產(chǎn)生堆積并擠實，加之巖心進入內(nèi)管速度過緩，給堵心的發(fā)生提供了時間；另外，泥巖、頁巖、煤層等水敏地層鉆進時，巖心吸水膨脹，也是發(fā)生堵心的原因之一。卡簧(巖心爪)及軸向間隙之間易堵心，主要是由于此處產(chǎn)生臺階，為堵心提供了便利條件，同時卡簧(巖心爪)內(nèi)表面設(shè)計有增大摩擦力的淺槽或者花紋，破碎、不規(guī)則巖心經(jīng)過此處時阻力大，容易卡住并擠死；內(nèi)管中間的某一位置易出現(xiàn)堵心，主要是由于內(nèi)管較長，孔徑小，內(nèi)表面通常不做加工處理，保留管材出廠時的表面質(zhì)量，表面粗糙度值較大，破碎、膨脹巖心入管時阻力大，同時內(nèi)管壁薄且長，使用過程中易發(fā)生彎曲，使堵心更易發(fā)生，不同位置堵心情況如圖1所示。

圖1 堵心示意圖

3 堵心預(yù)防措施

3.1 取心鉆頭優(yōu)化

根據(jù)復(fù)雜地層巖性選取適合的取心鉆頭類型，合理優(yōu)化鉆進參數(shù)，根據(jù)地層情況摸索出最適宜鉆速，有效降低堵心發(fā)生的機率，使回次進尺長度達到最優(yōu)，同時也有助于提高巖心采取率。對于松散、破碎、水敏性地層取心鉆進時，鉆頭宜進行隔液設(shè)計[22]，采用底噴或側(cè)噴式水路設(shè)計。復(fù)雜地層取心時，采用階梯式全隔液鉆頭[10]，可有效減輕沖洗液對巖心的沖蝕作用，盡量保證巖心的柱狀外形，防止在樹心的過程中沖散巖心，同時可避免水敏性地層巖心過早發(fā)生水化膨脹，造成入心困難，預(yù)防堵心過早發(fā)生，進而減少提下鉆頻率，提高回次進尺長度及取心鉆進效率。

3.2 取心鉆具優(yōu)化

3.2.1 堵心提示裝置

復(fù)雜地層取心鉆進時，應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)堵心，防止堵心后繼續(xù)鉆進，造成磨心，使真實地質(zhì)資料丟失。為避免上述情況發(fā)生，可在取心鉆具中增加可靠的堵心提示裝置[23]。其原理是利用堵心時內(nèi)管受力并上移，帶動閥體運動，最終實現(xiàn)鉆具內(nèi)部某一位置沖洗液過流通道截面積的減小，從而使泥漿泵壓力升高，操作人員可從泥漿泵壓力表讀數(shù)的變化判斷是否發(fā)生堵心，起到直觀的提示作用。少數(shù)情況下，壓力升高也有可能是孔壁縮徑、坍塌等原因引起，但只要壓力升高到堵心提示裝置的設(shè)定值，便需立即取心，切不可憑經(jīng)驗繼續(xù)鉆進，防止出現(xiàn)磨心或丟心。

3.2.2 取心鉆具內(nèi)管

內(nèi)管起到容納巖心的關(guān)鍵作用，與巖心的接觸最為密切，內(nèi)管性能不佳極易出現(xiàn)堵心。首先內(nèi)管應(yīng)具有良好的抗彎性能，防止在取心過程中彎曲，減輕巖心入管阻力，預(yù)防復(fù)雜地層發(fā)生堵心，有助于提高回次進尺長度。為防止內(nèi)管彎曲，地表取心時嚴禁敲擊內(nèi)管，現(xiàn)場宜配備液壓或水力出心設(shè)備，對內(nèi)管起到有效保護。取心鉆具及內(nèi)管配件擺放要平整，鉆具入孔前要仔細檢查內(nèi)管是否發(fā)生彎曲，出現(xiàn)彎曲應(yīng)及時更換，以免影響復(fù)雜地層取心效果。其次，內(nèi)管內(nèi)表面可進行涂層減阻處理，以有效預(yù)防復(fù)雜地層堵心。內(nèi)管涂覆減阻主要目的是降低內(nèi)管內(nèi)表面的摩擦系數(shù)，使巖心入管時的阻力盡可能小，預(yù)防堵心，提高巖心采取率[24]。目前在耐磨、減阻方面應(yīng)用較多、性能較好的涂層材料包括鎢合金、聚四氟乙烯、類金剛石碳等。涂層制備工藝包括電鍍、熱噴涂、粘結(jié)等。內(nèi)管減阻涂層主要是利用涂層摩擦系數(shù)小的特性，除此之外所選涂層還應(yīng)具有良好的耐磨性、防腐蝕性、不粘性，附著能力要強，以提高涂層的使用壽命，同時使巖心更容易入管。深孔取心時涂層還應(yīng)具有良好的耐高溫性能。另外，可采用多層襯管差動式設(shè)計解堵[15]，發(fā)生堵心時，巖心帶動第一層襯管剪切銷釘并上移，可通過鉆壓的變化判斷是否解堵，合理利用鉆具內(nèi)部空間設(shè)計多層襯管，可有效預(yù)防堵心。

3.2.3 單動機構(gòu)

取心鉆具內(nèi)管應(yīng)設(shè)計性能可靠的單動機構(gòu)。單動性能不良，取心鉆進時內(nèi)管會跟隨外管轉(zhuǎn)動，此類轉(zhuǎn)動為公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)的復(fù)合運動，加之鉆具的振動，加速復(fù)雜地層巖心的破碎，使破碎、不規(guī)則巖心堆積、擠壓，導(dǎo)致巖心入管阻力逐漸增大，直至出現(xiàn)堵心。內(nèi)管跟轉(zhuǎn)還會造成內(nèi)管與巖心之間、巖心碎塊之間的相互磨損，影響巖心采取率，降低內(nèi)管的使用壽命。提高單動機構(gòu)的可靠性可從以下幾方面入手，首先，可在鉆具下部增設(shè)可靠的內(nèi)管扶正裝置，回轉(zhuǎn)阻力要小，提高內(nèi)管與單動機構(gòu)之間的同心度，進而提高軸承的滾動效果，同時可使巖心更易入管；其次，可設(shè)置二級單動，用以分擔(dān)內(nèi)管不對中所帶來的位置偏差，進而提高單動的可靠性，有效預(yù)防或減輕內(nèi)管跟轉(zhuǎn)；另外，每一回次取心時，應(yīng)檢查單動軸承的磨損情況，發(fā)現(xiàn)問題及時更換，避免單動失效出現(xiàn)堵心及磨心。

3.2.4 割心機構(gòu)

復(fù)雜地層取心鉆進，鉆具割心通常采用卡簧、攔簧、巖心爪及其組合形式。這些割心的關(guān)鍵零件在與內(nèi)管連接好后，應(yīng)盡量保證整體內(nèi)表面平順，避免出現(xiàn)臺階及槽等復(fù)雜形狀，降低巖心入管阻力。或者將上述割心零件采用隱藏式設(shè)計[15]，以降低巖心與割心零件間出現(xiàn)堵心的機率，同時要盡量減小割心機構(gòu)與鉆頭內(nèi)臺階之間的軸向間隙，防止在間隙處出現(xiàn)巖心卡堵。

3.3 沖洗液性能優(yōu)化

沖洗液的主要功能包括清潔孔底、攜帶和懸浮巖屑、冷卻鉆頭、潤滑鉆具、保護孔壁等。復(fù)雜地層取心鉆進時，沖洗液應(yīng)能夠快速地將產(chǎn)生的巖屑、巖粉帶離孔底，保持孔底清潔，防止巖屑重復(fù)研磨，鉆速降低，增加巖心受沖刷時間。在泥巖、頁巖、煤層等水敏性地層鉆進時，沖洗液應(yīng)具有良好的水化作用抑制性能[25]，濾失量要小，防止水敏性地層孔壁縮徑、剝落的同時，抑制巖心吸水膨脹、開裂、變粗，有效預(yù)防取心鉆進時發(fā)生堵心。水敏性地層鉆進時可采用濾失量小的鉀基沖洗液[26-27]、LBM沖洗液[28]等。

3.4 取心鉆進工藝優(yōu)化

根據(jù)以往鉆進情況，從取心鉆進開始到發(fā)生堵心，時間間隔長短不一，但均是巖心入管阻力逐漸積累、增大導(dǎo)致的。合理預(yù)防堵心可有效降低提鉆取心的頻率，提高取心鉆進效率。復(fù)雜地層鉆進，堵心應(yīng)以預(yù)防為主，要時刻掌握地層和巖性的變化情況，有鄰井資料參考最好，以便有針對性地制定取心鉆進工藝。樹心時要采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小泵量，有利于保持取心鉆具的穩(wěn)定性，便于引導(dǎo)巖心入管。正常鉆進取心時，鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量均應(yīng)根據(jù)地層變化做出相應(yīng)調(diào)整。與堅硬完整地層相比，松軟地層鉆進時應(yīng)選用低鉆壓，當(dāng)鉆進效率較高時，應(yīng)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。在破碎、裂隙發(fā)育、軟硬不均的地層中鉆進時，應(yīng)適當(dāng)減小鉆壓，由于鉆具振動強烈，轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)降低。泵量應(yīng)根據(jù)不同地層鉆進速度進行調(diào)整，硬地層鉆進時泵量可適當(dāng)增加，松散、易沖蝕地層鉆進時，泵量應(yīng)適當(dāng)降低，防止沖散巖心，采用隔液鉆頭鉆進時，泵量可適當(dāng)提高。鉆進時注意觀察進尺情況及巖屑上返量，進尺變緩、巖屑上返量增加時，應(yīng)注意分析是否為堵心原因造成的，同時觀察鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆進參數(shù)的變化。發(fā)生堵心時，不可繼續(xù)鉆進，應(yīng)立即提鉆取心，防止巖心磨損量增大。割心時盡量選擇巖心成柱性好的地層，防止巖心脫落，同時便于下一回次取心鉆進時樹心。取心時提鉆速度不宜過快，防止強烈的抽汲作用使巖心脫落。沖洗液應(yīng)及時回灌，保持孔壁穩(wěn)定。總之，復(fù)雜地層取心鉆進時，鉆進參數(shù)應(yīng)匹配合理，具體地層具體分析，通過不斷的摸索，總結(jié)出一套與所鉆復(fù)雜地層相適宜的取心鉆進工藝，進而有效地預(yù)防堵心的發(fā)生。

4 結(jié)語

本文對復(fù)雜地層鉆進時易出現(xiàn)的堵心問題進行了歸納與分析，總結(jié)了易堵心地層特征及堵心發(fā)生的主要原因，從取心鉆頭、取心工具、沖洗液性能及取心鉆進工藝方面給出了堵心預(yù)防措施，形成了以下幾點認識。

(1)堵心是復(fù)雜地層取心鉆進時的一個共性問題，出現(xiàn)頻率較高，裂隙發(fā)育、松散軟弱、破碎嚴重、水敏性地層易堵心。

(2)堵心主要發(fā)生在巖心與鉆頭及內(nèi)管之間，主要原因在于巖心破碎、形狀不規(guī)則，加之鉆具的振動，使巖心入管阻力逐漸增大，直至發(fā)生堵心。

(3)應(yīng)根據(jù)地層選取適宜的取心鉆頭，鉆頭宜采用隔液設(shè)計，減輕沖洗液對巖心的沖蝕，沖洗液應(yīng)具有良好的水化作用抑制性能，濾失量要小，避免水敏性地層巖心過早發(fā)生水化膨脹，預(yù)防堵心發(fā)生。

(4)取心鉆具應(yīng)增加可靠的堵心提示裝置，單動機構(gòu)性能要可靠，內(nèi)管應(yīng)具有良好的抗彎性能，對中性要好，內(nèi)管內(nèi)表面可進行涂層減阻處理，盡量保證割心機構(gòu)內(nèi)表面平順，降低巖心入管阻力，進而預(yù)防堵心發(fā)生。

(5)堵心應(yīng)以預(yù)防為主，要時刻掌握地層和巖性的變化，鉆進參數(shù)應(yīng)匹配合理，具體地層具體分析，摸索、總結(jié)出一套與所鉆地層相適宜的取心鉆進工藝，有效預(yù)防堵心的發(fā)生，進而提高回次進尺長度及取心鉆進效率。