蘇北盆地戴南組和阜寧組地層取心關鍵技術

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，江蘇鎮江 212003；2. 中國石化華東油氣分公司石油工程技術研究院，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，鉆井取心時泥巖進尺相對偏多。據統計，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°，最大井斜角達到59.8°。蘇北盆地多口井的戴南組和阜寧組地層取心結果表明，取心鉆頭易發生泥包現象，同時受井斜角和地層巖性的影響，常規取心工具的機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的問題，筆者在分析取心層位地層特點的基礎上，研制了個性化取心鉆頭、優選了取心工具、優化了取心水力參數，形成了適用于該地區泥巖地層的取心關鍵技術，并在48 口井進行了現場應用，均取得了較好的應用效果。

1 地層特點及取心難點技術

1.1 地層特點

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，部分區塊戴南組缺失，各區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，上部為細砂巖、泥巖。巖性以灰色、淺灰色、褐灰色和黃灰色細砂巖為主，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]。這種泥巖發育不同類型的裂縫，泥質含量比較高、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 取心技術難點

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，發現取心作業主要存在以下技術難點：

1）取心鉆頭與泥巖地層配伍性差，機械鉆速低。2014 年和2015 年平均取心鉆進時機械鉆速分別為0.61 和0.90 m/h。

2）蘇北盆地南華區塊PDC 取心鉆頭泥包現象時有出現，嚴重影響了機械鉆速。出現泥包鉆頭現象時，取心機械鉆速迅速降低，鉆時急劇升高。

3）蘇北盆地部分區塊（如溱潼區塊西部斜坡吉溝構造）阜寧組3 段泥巖分散、破碎嚴重。采用常規取心工具拔心或起鉆過程中易造成泥巖巖心掉心、漏心，導致巖心收獲率低，嚴重時出現過巖心收獲率為0 的情況。

4）采用常規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果表明，巖石為中、低強度，可鉆性級值為3.0～6.5，為軟—中硬地層。

根據室內巖石可鉆性測試結果和現場鉆頭使用經驗，可鉆性級值與復合片直徑對應關系見表2。對可鉆性級值為4～5 的地層，選擇直徑為13.0～16.0 mm 的進口PDC 復合片作為切削元件[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、硬地層的適應性，選擇φ13.0 mm PDC 復合片，研制了GC406 型取心鉆頭。

表 2 巖石可鉆性級值與復合片直徑對應關系Table 2 Relationship between the drillability extreme value and compact size

2.2 鉆頭水力結構設計

針對戴南組、阜寧組地層中含有大段分散性強的泥巖，鉆頭容易泥包且巖心容易被沖蝕而不成形，甚至無法獲得巖心等情況，采用計算機軟件輔助設計了GC406 型取心鉆頭的水力結構，在每個刀翼前布置一個大直徑噴嘴，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行了優化設計，取適當角度值（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規徑流道和經過優化的排屑槽斜面，具有以下優點：

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

2）鉆頭內的流道為常規固定水眼加內規徑流道，可以實現鉆井液分流模式。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，大約20%的鉆井液通過內規徑流道流出，潤滑巖心，減小巖心入筒阻力，有助于巖心進入內筒，提高機械鉆速。

2.3 “G 系列”切削齒的應用

GC406 型取心鉆頭切削齒選用了“G 系列”切削齒。鉆頭采用非平面結構，將有害應力從齒的邊緣轉移到易于吸收高載荷的區域，確保切削齒長時間保持自銳，以延長鉆頭的使用壽命。同時，“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，改善巖屑運移狀態，提高機械鉆速。

2.4 防泥包涂層設計

GC406 型取心鉆頭采用了獨特的鉆頭表面負離子處理技術，使鉆頭表面帶有負電荷，在鉆頭周圍形成一個陽板，產生微電流，鉆頭與鉆井液之間形成一個水的富集區，起潤滑或隔板作用。鉆進時，黏土表面負離子與鉆頭表面的負電荷相斥，防止鉆頭泥包。

2.5 PDC-DS 軟件優化布齒

PDC-DS 軟件能夠針對復雜地層、鉆頭復雜運動條件及復雜結構鉆頭進行PDC 鉆頭工作力學性能分析與評價。使用PDC-DS 軟件優化GC406 型取心鉆頭的穩定性、工作壽命和水力參數。優化后的GC406 型鉆頭采用六刀翼、 φ13.0 mm 切削齒、小后傾角和適當側轉角的設計，提升了鉆頭的總體性能，可以獲得更高的機械鉆速。

3 取心筒優選

多年來，蘇北盆地取心作業先后使用過川式常規取心工具、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外筒相互接觸、巖心進筒困難和巖心入筒后阻力大等問題，易發生堵心、卡心。

根據蘇北盆地地層特征、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筒全面密封，懸掛總成只用一個銷子連接和懸掛，內筒底部設有通用底軸承。該軸承由內圈、外圈、蓋圈、擋圈及鋼球組成，具有扶正內筒的作用。川式DJQ172-101 型定向井（投球式）取心筒由安全接頭、旋轉總成、差值短節、外筒、內筒滾柱支撐節和巖心爪組成，適用于大斜度井、定向井和直井取心。

這2 種取心筒的內筒在取心前都可以通過循環鉆井液進行沖洗，以清除下鉆過程中進入內筒的巖屑、濾餅，防止形成“假心”，引起堵心。同時，內外筒均可以適當加長，實現雙筒、三筒取心，適合蘇北盆地常規油氣井和非常規頁巖氣井連續取心作業[7-8]。

4 取心水力參數優化

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，從而大幅降低機械鉆速。為此，需采取改善鉆井液性能和水力參數優化措施，以減少PDC 取心鉆頭泥包的現象。

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

GC406 型取心鉆頭噴嘴的角度和噴射方向進行了特殊設計，可以使井底水力流場和流速得到合理分布。在實際取心作業過程中根據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，同時防止鉆頭泥包。

最后，還應強調的是，由上述分析也可引出這樣一個結論：與“反思性實踐者”相比較，這是關于教師工作更恰當的一個定位——作為研究者的教師，或者說，為了促進自身的專業成長，即應將教學工作與研究工作更好地結合起來；進而，后一主張又可被看成很好地體現了舒爾曼的這樣一個論點，即是應當將“參與”或“行動”看成教師專業成長的第一要素．

5 復雜情況處理措施

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 取心鉆頭本體材質等有關。解決取心鉆頭的泥包問題，需要根據取心地層的特點，采取選用抑制性能強的鉆井液、優化取心鉆頭的水道和優選水力參數、對取心鉆頭表面進行處理、提高鉆井液排量、下鉆過程中分段循環鉆井液等技術措施。PDC 取心鉆頭一旦發生泥包，會導致部分或全部切削齒不能接觸地層，機械鉆速直線降低[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）在取心前循環時未能清除濾餅、井壁黏附的巖屑，下鉆過程中，形成“假心”占據巖心內筒空間。因此，需要在取心前大排量循環，以清除進入內筒內部的“假心”。

2）取心筒內筒生銹、腐蝕嚴重，導致內筒內徑縮小，取心過程中導致堵心。因此，取心時要選用不銹鋼內筒，并經常檢查取心筒內筒，發現問題及時更換內筒。

3）戴南組、阜寧組泥巖膠結物主要為伊/蒙混層和伊利石，伊/蒙混層礦物水化膨脹易剝落掉塊，導致取心時巖心在巖心筒內破碎，取心時表現為鉆壓不回、機械鉆速變慢和鉆時急劇增長。分析認為，巖心在內筒內破碎、松散，形成“楔心”現象，后續巖心進入內筒的阻力增大，形成局部堵心，造成取心機械鉆速突然降低。取心過程中若施加40～60 kN鉆壓存在鉆時特別長的情況，可能發生堵心，應快速將鉆壓加至100 kN，以解除堵心，恢復正常取心鉆進；如果上述操作未能解除堵心，應立即磨心，割心起鉆，避免磨心導致巖心收獲率降低。

5.3 優選不同類型巖心爪

多口井的取心作業發現，拔心時有明顯附加懸重顯示，但是出心時巖心長度比進尺短得較多。出現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，收縮接頭內加工有錐度為1∶5 的斜面，使用22 條摩擦條、摩擦因數達到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、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

取心作業時，可根據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，其割心機構可以割取 φ75.0 mm 的巖心。取心鉆至設計進尺后，停止旋轉轉盤并停止施加鉆壓。在方鉆桿與轉盤面平齊的地方做2 個相距0.13 m 的標記。分多次上提，將鉆壓降至0 （但是鉆頭不提離井底），開動轉盤、空轉，磨巖心凹槽15 min 左右（在轉動的過程中，取心鉆頭的切削內刃因擺動將巖心磨出一圈凹槽），然后恢復取心鉆進，繼續鉆進0.13 m，此時卡板巖心爪的卡板剛好卡入巖心凹槽，停轉盤、上提鉆具,卡板微張開后進行割心操作[12]。蘇北盆地南華區塊使用卡板巖心爪割心，割心時一般有50～100 kN 的附加懸重顯示。

起鉆過程中隨著井內液柱壓力降低和水基鉆井液中浸泡時間增長，巖心逐步裂解、破碎，導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。該巖心爪可以實現內筒全封閉，可確保起鉆過程中不發生掉心。

6 現場應用

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中進行了現場應用，平均機械鉆速大于3.50 m/h，遠遠大于2014 年的平均機械鉆速（0.61 m/h）和2015 年的平均機械鉆速（0.91 m/h）。

陳8 井和陳9 井是蘇北盆地某區塊的2 口鄰井，分別使用常規的8440FQ203 型取心鉆頭和新研制的GC406 型PDC 鉆頭在阜寧組3 段進行取心，取心效果如表3 所示。從表3 可以看出，GC406 型取心鉆頭的進尺、機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 型取心鉆頭連續取心7 回次，最高機械鉆速達到18.10 m/h、連續取心進尺58.35 m，巖心收獲率100.0%，創蘇北盆地連續取心進尺最長紀錄。

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，最高機械鉆速達到24.80 m/h、取心進尺38.64 m，巖心長38.49 m，巖心收獲率99.6%，創蘇北盆地取心機械鉆速最高紀錄。

7 結論與建議

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，形成了該區塊泥巖地層取心關鍵技術。

2）GC406 型PDC 取心鉆頭采用了特殊的水力結構和防泥包涂層，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）取心前要根據地質預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生掉心，提高巖心收獲率。