長筒取芯技術在松科三井泉頭組地層的應用

李春林，程百慧，張紹先，張洪君

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413；2.大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江 大慶 163413）

1 概述

松科三井是松遼盆地國際大陸科學鉆探工程的最后一口井，該井補全了白堊紀陸相地質資料，對全面認識白堊紀溫室氣候時期陸地氣候環境變化、陸地環境下大量有機質的埋藏過程和大規模陸相烴源巖的形成機制具有重要意義，二開取芯設計要求取全泉頭組，巖芯收獲率不低于95%。根據德深區塊取芯井史資料分析，松科三井泉頭組取芯有以下難點，一是二開裸眼段長，青山口組井壁易失穩，下鉆時極易損壞取芯工具及巖芯爪；二是泉頭組以大套的紫紅色、灰綠色泥巖沉積為主，質硬性脆易破碎，易堵芯、掉芯[1-8]；三是大段連續取芯井眼軌跡控制難度大。針對以上難點，通過取芯工具、鉆頭、工藝措施的完善優化，形成一套硬脆破碎地層長筒取芯工藝技術，為松科三井泉頭組取芯提供可靠的技術保障。

2 長筒取芯工具優化與改進

2.1 結構原理

取芯工具主要由安全接頭總成、懸掛總成、內筒扶正系統、內外筒總成、取芯鉆頭及中、下節工具總成組成，如圖1所示。取芯工具由內外雙筒組成，外筒的作用是為取芯鉆頭切削破巖傳遞鉆壓和扭矩，內筒懸掛于外筒內部，外筒和內筒之間的環空間隙構成取芯鉆進時鉆井液循環通道。取芯前需循環鉆井液清洗井底和內筒，鉆井液通過內筒、內外筒之間的環空，最后流經取芯鉆頭再由井眼環空返出井筒，將井底的沉砂清洗干凈。開始取芯時，從井口向鉆具內投入一顆鋼球，當鋼球坐落到懸掛總成的球座時，內筒上部的通道即被封堵，此時內外筒的環空是鉆井液唯一循環通道。當取芯工具的外筒帶動取芯鉆頭旋轉鉆進時，經取芯鉆頭切削成柱狀的巖芯克服巖芯爪的摩擦力進入內筒。取芯鉆進結束后緩慢上提鉆具，由于巖芯爪與巖芯之間有摩擦力，使得巖芯帶動巖芯爪沿卡箍座的錐形面滑動并抱緊巖芯，最后將巖芯拔斷。

2.2 技術參數

取芯工具總長28.5m，外筒規格?180mm×?144mm，內筒規格?127mm×?108.62mm，可取巖芯直徑?101mm，可取巖芯長度27m，取芯鉆頭規格?215.9mm×?101.6mm。

2.3 技術特點

2.3.1 增強內筒扶正以提高內筒運轉穩定性，降低堵芯發生幾率

保持內筒居中和穩定是實現長筒取芯的必要條件[9-10]。長筒取芯時，由于內筒長度增加，導致整體剛性降低，容易發生彎曲，巖芯進筒阻力增大，同時內筒的靈活性受到影響，容易受外筒帶動而發生旋轉，這些問題會造成巖芯的機械性損害，進一步導致堵芯情況的發生。因此長筒取芯時有必要配備內筒扶正機構（如圖2所示）。扶正機構由上接頭、滾柱、滾柱軸和下接頭組成。四點內筒扶正機構能夠使內外筒保持良好的同軸度，提高內筒整體剛性，防止內筒彎曲和傾斜，有利于長筒取芯順利進行。由于內外筒之間環空間隙小，扶正機構采用六翼滾柱扶正設計，不影響鉆井液循環，同時扶正效果好，滾柱軸承減小了內外筒之間的摩阻，降低了堵芯風險。

圖2 內筒扶正結構示意圖

2.3.2 研制堵芯報警系統，有效預防堵芯后磨芯的發生

在硬脆破碎地層取芯，或取芯鉆遇裂縫時，堵芯風險較大，堵芯在判斷上有一定的難度。堵芯后會導致磨芯，導致地質資料損失。為解決上述問題，研制了堵芯報警機構，如圖3所示。工作原理為發生堵芯后巖芯會在內筒或巖芯爪處堆積，對內筒產生向上的推力，隨著鉆頭繼續鉆入地層，推力逐漸增大，直至推動滑套克服彈簧力向上移動并遮擋部分鉆井液通道，導致泵壓升高，以此可以初步判斷為堵芯；此時上提鉆具，如果泵壓降低，則可進一步確認為堵芯。堵芯后繼而會導致磨芯，磨芯與地層硬度有關，堵芯報警機構可針對不同硬度的地層預先設置彈簧力，適用于不同硬度的地層。

圖3 堵芯報警系統示意圖

2.3.3 優化設計安全接頭，滿足事故處理要求

安全接頭的作用是當發生卡鉆時倒開安全接頭的梯形螺紋后提出內筒和巖芯[11-13]，首先確保地質資料不會損失，余下外筒和其它部分可再通過打撈作業進行處理。安全接頭的上接頭和下接頭之間采用梯形螺紋連接，通過“○”型密封圈密封，中間相隔摩擦環，摩擦環懸掛在上接頭上。梯形螺紋抗拉強度高，卸扣扭矩小，所以梯形螺紋是工具抗反扭矩最薄弱點，倒扣時也最容易從此處倒開；同時下入匹配的打撈工具時梯形螺紋容易對扣，又具有足夠的抗拉強度供打撈操作，安全接頭總成結構如圖4所示。

圖4 安全接頭總成示意圖

2.3.4 研制專用井下投球機構，滿足現場井控要求

松科三井位于德深區塊，地層壓力高，井控要求鉆具接內防噴工具，因此不能在井口投球。針對這個問題，設計了井下投球機構，結構如圖5所示。投球機構主要由本體、滑套、彈簧等零件組成，其工作原理是通過提高泵排量，增大鉆井液對滑套的沖力，直至推動滑套克服彈簧力下行到位后，預先埋在本體壁孔里的鋼球進入鉆具后落入球座，即完成了投球動作。

圖5 井下投球機構示意圖

3 取芯鉆頭優選

應用專用地層分析軟件對該區塊臨井測井數據（聲波、伽馬值）進行分析，判斷出地層抗壓強度、硬度、研磨性系數和地層可鉆性級別[14-15]，綜合考慮機速、壽命等因素，最終確定PDC取芯鉆頭，具體參數如表1所示。

表1 取芯鉆頭規格參數

4 工藝措施

4.1 施工參數

硬脆易破碎泥巖地層，鉆壓過大、轉速過高、鉆速過快、扭矩過大都易引起堵芯甚至磨芯，發生堵芯將大幅度影響取芯效率。因此，根據泉頭組泥巖特性，采用低鉆壓、低轉速、高排量“兩低一高”的取芯參數，控制鉆速、控制扭矩“雙控”的方式施工，鉆速控制在6min/m以上，扭矩不高于8kN·m。取芯參數見表2。

表2 取芯參數

4.2 井斜防控

松科三井為三開井身結構，二開段設計取芯進尺960m（840～1800m），井斜要求不超過5°，大段連續取芯的井斜防控是一大難點，為了滿足該井地質設計及工程設計要求，根據井斜實測數據，調節螺扶數量及位置，設計四種鉆具組合，達到大段連續取芯的目的，鉆具組合包括三節無螺扶：?215.9mm取芯鉆頭×0.3m+?180mm 取芯工具×28.5m +?178mm 鉆鋌×9 根9.2m+?165mm 鉆鋌×3 根9.2m+?127mm 加重鉆桿×15根+?127mm鉆桿；三節單螺扶：?215.9mm取芯鉆頭×0.3m+?180mm 取芯工具×10m+?214mm 螺扶×0.5m+?180mmm 取芯工具×19m +?178mm 鉆鋌×9根9.2m+?165mm 鉆鋌×3 根9.2m+?127mm 加重鉆桿×15根+?127mm鉆桿；三節雙螺扶：?215.9mm取芯鉆頭×0.3m+?180mm取芯工具×18m+?214mm螺扶+?180mm取芯工具×10m+?214mm螺扶+?178mm鉆鋌×9 根9.2m+?165mm 鉆 鋌×3 根9.2m+?127mm加重鉆桿×15根+?127mm鉆桿；三節四螺扶：?215.9mm取芯鉆頭×0.3m+?214mm螺扶+?180mm取芯工具×10m+?214mm 螺 扶+?180mm 取 芯 工 具×8m+?214mmm螺扶+?180mm取芯工具×10m+?214mmm螺扶+?178mm 鉆鋌×9 根9.2m+?165mm 鉆鋌×3 根9.2m+?127mm加重鉆桿×15根+?127mm鉆桿。

5 現場應用情況

松科三井泉頭組共取芯40筒，巖性為大段紫紅色、灰綠色泥巖與灰色粉砂巖不等厚互層，第27 筒部分巖芯如圖6 所示，取芯井段839.75～1844.32m，進尺1004.57m，巖芯收獲率98.56%，收獲率高于設計要求，高質量完成泉頭組取芯；平均單趟進尺25.11m，平均機械鉆速3.78m/h，提前紙上鉆井周期28d完成二開段取芯，高效率完成泉頭組取芯。泉頭組取芯共使用2只鉆頭，單只鉆頭累計進尺達891m，因外保徑齒復合片損壞而報廢，創松遼盆地北部單只取芯鉆頭進尺紀錄。其中第19、33筒發生堵芯，堵芯報警機構預防了堵芯后造成磨芯。松科三井泉頭組取芯單趟進尺與機械鉆速見圖7。

圖6 第27筒部分巖芯

圖7 單趟進尺與機械鉆速圖表

取芯參數結合多種鉆具組合，采用“小鉆壓”吊打，井斜角度基本與理論計算值相近（理論井斜=1000m×0.091°/30m=3.03°，實際井斜3.76°），達到優質井的要求，井斜變化詳見表3。

表3 測深及井斜情況表

6 結論及認識

（1）“兩低一高”取芯參數、“控壓控速”施工方法、優化完善的長筒取芯工具及PDC取芯鉆頭，適用于松科三井泉頭組地層取芯，機械鉆速快，單趟進尺長，堵芯發生幾率低，取芯效率高。

（2）增強內筒扶正可提高取芯工具運轉穩定性，降低取芯工具旋轉引起內筒擺動進而破壞巖芯柱，堵芯報警系統有效預防堵芯發現不及時造成磨芯，可有效提高取芯收獲率。

（3）小鉆壓“吊打”配合鐘擺鉆具，可為大段長程連續取芯提供可靠保證，井斜防控效果佳。

（4）現場應用表明，硬脆破碎地層長筒取芯技術，優質、高效完成了松科三井泉頭組取芯，為松遼盆地相似地層取芯提供了可靠依據，具有極高的推廣價值。