塔東地區超深井小井眼取芯技術的完善與應用

錢可貴

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院,黑龍江大慶163413)

塔東地區位于塔里木盆地東部，塔東庫魯克塔格斷隆與車爾臣斷裂之間。四開取芯地層一般為奧陶系的鷹山組和蓬萊壩組，以及寒武系。鷹山組巖性以灰巖為主，夾雜灰質云巖。蓬萊壩組巖性以云巖為主，夾云質灰巖、云灰巖。寒武系巖性為灰色白云巖、灰質云巖、云質灰巖、硅質巖、角礫云巖等。以前在塔東區塊的小井眼取芯較少，取芯收獲率較低。通過近幾年9口井的小井眼取芯，從中不斷總結經驗，完善改進取芯工具和優選取芯鉆頭，改進工藝技術措施，使收獲率不斷提高，最終達到90%以上。前4口井井眼尺寸為152.4mm，后5口井井眼尺寸改為168.3mm。

1 塔東地區四開小井眼取芯難點分析

（1）取芯井段深、井眼小。為了降低起下鉆卡鉆風險，取芯工具上無扶正器，鉆具細長，取芯工具在取芯鉆進時不穩定。上下活動鉆具摩阻大，實際鉆壓不易確定，鉆具易被壓彎，導致取芯鉆頭偏向一側，使巖芯彎曲，導致堵芯。

（2）堵芯難判斷。由于地層軟硬交錯，部分云巖地層裂縫孔洞發育，巖芯堅硬且易碎，非常容易堵芯。當鉆速變慢時，地面難判斷是發生堵芯、還是出現硬夾層或鉆頭磨損導致。部分灰巖地層，膠結性差，堵芯后鉆速基本不變。如果判斷失誤造成磨芯，則難以保證收獲率。

（3）鉆具和鉆頭的振動加劇了巖芯破碎。取芯鉆進時鉆頭的橫縱向振動導致裂縫和孔洞發育的巖芯破碎，可能破壞巖芯爪，也可能使巖芯卡死在內筒中,如果繼續鉆進就出現磨芯。

（4）部分云巖、硅質巖膠結致密，鉆頭壽命低，單筒進尺低。

2 技術對策

（1）取芯工具的優選與改進：前4口井使用的取芯工具是普通常規取芯工具，型號是QC/ZS121-66。后5口井取芯工具改為QC/ZS133-70。后4口井在QC/ZS133-70取芯工具上增加了內筒扶正和堵芯報警裝置。兩種工具都包括安全接頭、懸掛總成、內外筒總成和卡芯機構等[1]。改進后的QC/ZS133-70工具適用于168.3mm井眼取芯，與QC/ZS121-66取芯工具相比具有以下特點：①工具的抗拉強度和穩定性提高20%，同時巖芯直徑增加4mm，有利于保持巖芯的完整性。②增加的內筒扶正機構可以保證在鉆具彎曲或存在井斜取芯時內外筒同心，即保證鉆頭環狀切削地層剩余的巖芯與內筒同心。扶正機構與上部懸掛總成中的軸承配合，可以使內筒在取芯鉆進時與巖芯之間不發生轉動，減少內筒對巖芯的破壞，有利于巖芯順利進入內筒。③增加的堵芯報警機構在堵芯發生時泵壓會有一個明顯的變化，可以提示取芯工程師注意觀察，采取必要措施。

（2）堵芯的判斷與處理：增加堵芯報警機構后，如果發生堵芯，巖芯推動內筒上行，減少了分流接頭處水眼的過流面積，泵壓會增加1~2MPa。由于鉆井液性能不穩定或鉆頭磨損，泵壓增加不一定是發生了堵芯，需要取芯工程師進一步判斷。具體需要采取以下措施減輕堵芯和判斷堵芯：首先在鉆速快的灰巖地層使用小鉆壓鉆進，控制鉆速，降低堵芯的發生。其次當泵壓增加，速度變慢時，通過頂驅扭矩表來判斷是否發生堵芯磨芯，如果扭矩波動明顯，一般就不是發生堵芯，可以判斷出現硬夾層，通過適當增加鉆壓提高鉆速。如果扭矩無波動，同時鉆速非常慢，就可以初步判斷發生了堵芯，需要及時起鉆，避免巖芯損失。最后鉆頭磨損會導致鉆井液流道面積減少，泵壓升高。如果鉆速慢的同時，泵壓緩慢的逐漸升高，且鉆進時間較長，就可以判斷為鉆頭磨損導致。可以通過觀察返出的巖屑來判斷巖性，如果巖屑中含硅質，一般就是地層硬度高導致的鉆速慢。

（3）優選取芯參數降低鉆具振動：小鉆壓、低轉速可以明顯降低鉆具的振動，減少對巖芯的破壞。常用取芯鉆頭破巖形式有切削和研磨兩種，研磨型的鉆頭比切削型的取芯鉆頭振動明顯降低，減少振動對巖芯的破壞，有利于硬碎、裂縫和孔洞發育的地層取芯。

（4）取芯鉆頭的選擇：在灰巖地層，雖然PDC鉆頭鉆速快，但鉆進時振動容易導致堵芯。在云巖地層巴拉斯鉆頭壽命比天然金剛石差[2]。因此在灰巖為主的地層，選擇巴拉斯和天然金剛石鉆頭，在云巖地層選擇天然金剛石鉆頭或孕鑲鉆頭，提高單筒進尺。考慮到井段深，起下鉆成本及地層的不可預測，一般選擇天然金剛鉆頭。

3 現場應用

3.1 取芯鉆具組合

?152.4mmBIT+?133mmCB+?127mmDC×12根+?121mmDC×9根+?101.6mmHWDP×15根+?101.6mmDP。

3.2 現場取芯技術

（1）取芯前檢查工具，確保懸掛軸承轉動靈活，內外筒沒有彎曲。

（2）由于井底溫度高達160℃以上，需要把取芯工具出廠時自帶的丁腈橡膠密封圈改為氟橡膠密封圈，確保安全接頭密封的可靠性。

（3）下鉆到底后開泵循環，排量可達18L/s。循環期間上下活動鉆具，記錄上提下放的懸重。待后效完全返出時，投球，并開泵送球。通過鉆具內容積和泵排量，計算出球到底時間。如果之前泵壓沒有突然增加，則時間達到計算送球時間后，即可認為球已經到底。

（4）球到底后調整泵排量至正常取芯鉆進排量12~13L/s，頂驅轉速調至15~20r/min，緩慢下放鉆具探底。指重表調零點后，頂驅停轉，加鉆壓20~40kN測量方入。

（5）測量完方入后，上提鉆具，頂驅轉速調至40~50r/min[3]，用10~20kN樹芯30cm。樹芯后,根據鉆速逐漸提高鉆壓到20~40kN，鉆速過快時應降低鉆壓，減少堵芯發生。

（6）如果鉆速低，最后漲芯時不宜加壓過大，增加的鉆壓是使鉆具發生彎曲，最終變相地增加了單筒進尺。鉆速高時，宜增加15~30kN鉆壓，使巖芯直徑增加，有利于割芯。鉆達預定進尺后，磨芯至20kN，測量方入后連續緩慢上提鉆具割芯。

（7）由于巖芯直徑小，巖芯上裂縫多，割芯力較小，導致巖芯爪對巖芯的抱緊力小。在起鉆時就要求司鉆和鉗工操作平穩，減輕鉆具振動，防止巖芯從內筒中掉落。如果無卡鉆、溢流等特殊情況，不循環鉆井液，直接起鉆。

3.3 取芯效果及原因分析

近幾年在塔東地區共取芯9口井，按照施工時間統計，數據見表1。從表1中可以看出，取芯井段為6000~7000m，屬于超深井取芯，巖性以灰巖和云巖為主。收獲率整體水平在不斷提高，最后4口井，累計收獲率已達到82.66%，最后1口井收獲率達到90.75%。鉆頭從PDC改為巴拉斯和天然金剛石取芯鉆頭后單筒進尺降低了，實際獲取的巖芯提高較多。

表1 取芯數據統計表

（1）收獲率低的原因主要有以下幾點：①地層裂縫發育，巖芯成柱性差，巖芯破碎。取芯鉆進時發生堵芯，鉆速變化不大，地面沒有判斷出來，繼續鉆進造成磨芯。②地層堅硬，鉆速慢，加壓的過程中鉆具彎曲造成“假進尺”。部分筒次的取芯，最后鉆壓不能磨到20kN，鉆具壓縮量導致實際進尺小于計算的進尺。③割芯時，地層裂縫發育，巖芯破碎。巖芯爪對巖芯的抱緊力小。起鉆時鉆具振動導致巖芯從內筒中掉落。④部分巖芯致密，鉆進時鉆頭把巖芯磨的非常光滑，割芯時發生擼芯，導致收獲率降低。

（2）單筒進尺低的原因主要有以下幾點：①發生了堵芯，并準確判斷出。為避免磨芯，只好起鉆。最具代表性的為GC14井的第3筒芯,巖芯發生彎曲，如圖1所示。②鉆頭磨損，泵壓增加，鉆速變慢。圖2是新鉆頭和2只磨損的舊鉆頭圖片。

圖1 發生彎曲的巖芯

圖2 新鉆頭和磨損的鉆頭

（3）增加的內筒扶正降低了堵芯的發生，有利于巖芯順利進入內筒。在后4口井的取芯中堵芯發生的情況比前5口井明顯減少。

（4）增加堵芯報警機構后，泵壓增加可以給取芯工程師一個明顯的警示。提示取芯工程師注意觀察、判斷，及時采取措施。CT 2第2筒芯，就是泵壓增加，結合頂驅扭矩準確判斷出發生堵芯及時起鉆，避免了磨芯發生，保證了巖芯收獲率。

4 結論與認識

（1）在灰巖為主的地層容易堵芯，需要小鉆壓、低轉數控制鉆速，降低堵芯發生，可以選擇巴拉斯鉆頭。

（2）在云巖為主地層鉆速慢，不宜增加太高鉆壓造成“假進尺”，可以選擇天然金剛石鉆頭。

（3）天然金剛石鉆頭的適用性高于巴拉斯鉆頭，不能確定地層情況時，宜選擇天然金剛石鉆頭。

（4）增加的內筒扶正機構降低了堵芯的發生，增加的堵芯報警機構有利于對堵芯的判斷。