淺談松散砂礫巖地層鉆井取芯工藝

張士超

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

在油田勘探階段，為了準確對儲量進行評估，需要開展各種分析化驗工作，獲取準確的儲量評估參數。根據儲量評估結果，制定合理開發方案。巖芯是地層中最直接的實物資料，可以對巖芯樣品進行含油分析、微觀物理、薄片分析等，獲取儲層巖性、物性、電性、含油氣性、可壓性等參數，實現對儲層的精細評價，準確計算區塊儲量，以便制定合理的開發方案。由此可見，巖芯樣品對于油田勘探的重要性。淺層松散砂礫巖地層由于膠結性差、礦物顆粒松散、孔隙大、含水多、含大顆粒礫石等，取芯過程中易碎，取芯效果不好，巖芯收獲率難以保證。開展取芯工藝技術研究，開發淺層松散砂礫巖地層取芯工藝技術，對于保障取芯收獲率，達到取芯效果具有重要意義。

2 淺層松散、砂礫巖地層取芯技術現狀

2.1 淺層松散砂礫地層取芯面臨的問題

取芯施工實踐表明，淺層松散砂礫巖地層由于膠結性差、礦物顆粒松散、孔隙大、含水多、含大顆粒礫石等，取芯過程中易碎，取芯效果不好，巖芯收獲率難以保證。導致松散砂礫巖地層取芯難的原因有以下幾種：①松散砂礫巖地層取芯不易成型，水泥強度太低。②如果巖芯膠結性不好，同時巖芯中含有較多泥質成分時，由于泥質成分中含有粘土礦物，容易水化膨脹，巖芯易變形，在鉆井液沖刷下，巖芯易破碎、易塌陷，導致取芯困難。③由于松散砂礫巖地層膠結性差，巖芯樣品易碎，在取芯鉆井過程中振動，會導致巖芯樣品破碎。④取芯結束后上提過程中，受到應力的影響，巖芯很容易破碎，取出來的巖芯不成型，無法選擇完整巖芯。綜上所述，雖然目前各種常規巖芯鉆探技術相對成熟，但我國目前采用的常規巖芯鉆探技術能夠滿足常規地層取芯巖芯鉆探的技術指標和規范，地層膠結良好，巖芯質量較好。對于松散地層，由于膠結差，巖芯很容易破碎，取出來的巖芯不成型，達不到取芯目的[1]。因此，在取芯過程中，對于松散地層取芯仍然是一個難題。

2.2 淺層松散層狀砂礫巖取芯現狀

在某油田致密油氣藏取芯過程中，下明代館陶組巖石結構以礫巖砂巖和砂礫巖為主；礫石一般為3～80mm，較大的為80～110mm，分布不均。由于表層砂礫巖中含有礫石、砂質、泥質成分，成分非均質性強，膠結性差，在取芯過程中，礫石受到擠壓及攪動，導致破碎巖石進入井眼環空，影響了機械鉆速。此外，破碎的礫石可能會進入取芯內筒，形成后續的巖芯，無法穿透巖芯管而被鉆出[2]。最后，砂巖在井筒內分布不均勻，會堵塞取芯筒，導致取芯收獲率降低。

2.3 取芯影響因素分析

松散砂礫巖巖芯鉆探過程中，影響采收率等技術指標的因素較多。據分析，主要有以下幾點：①松散巖屑中的礫石會堵塞取芯筒，且不易發現堵塞，從而影響收獲率；②地層松散，巖芯承載力低；③鉆井取芯過程中，在機械破碎及振動影響下，巖芯會破碎；④巖芯出筒時，由于巖芯受力狀態發生改變，巖芯柱狀會發生改變從而破碎。

3 淺層松散、砂礫巖地層取芯突破

3.1 影響收獲率的原因

在鉆井取芯過程中，對于松散地層取芯一直難以有好的效果，松散地層巖芯柱狀能力差甚至無柱狀地層，嚴重地影響了取芯收獲，主要表現在以下幾個方面：①巖芯在鉆進過程中被泥漿侵蝕；②由于巖芯較為松散，鉆進過程中少量巖石碎屑會流失到取芯筒外；③取芯達到一定程度后，進水管芯在自重作用下塌陷，后期難以入芯、甚至不入管，有時會出現粒頂碾壓和堵塞現象，進一步降低了粒收率。④由于巖芯較為松散，破碎的顆粒會堵塞取芯筒，導致取芯收獲率降低。⑤由于松散地層機械鉆速較快，縱使發生取芯筒堵塞，鉆進過程中也很難發現異常，不能及時處理，影響了取芯收獲率。

除了以上情況，巖石樣品中礫石含量也影響取芯效果，對于少量的礫石樣品，當礫石顆粒直徑較小時，在取芯過程中，礫石會進入巖芯管，對取芯鉆頭影響不大，巖芯收獲率有保障。對于礫石直徑較大的情況（通常直徑大于50mm），礫石受到積壓，會堵塞爪，堵塞核芯。

由于地層較為松散，繼續鉆速快，對于少量礫石的影響，鉆井參數變化不明顯，很難及時發現，導致不能及時采取措施改善取芯狀況，導致后期需要通過削磨方式解堵，使得取芯收獲率降低。

對于礫石較多的情況，由于礫石顆粒直徑差異較大，膠結性較差，導致鉆頭鉆進時受力不均勻，鉆具會發生抖動，鉆進狀態不穩定，由于振動較大，進一步導致松散巖芯破碎，形成顆粒較多，顆粒在掉落到井底，被反復研磨成細碎顆粒，導致取芯量減少。此外，較粗的礫石顆粒會堵塞巖芯爪，影響收獲率。最后，大的礫石顆粒可能會導致鉆井工程異常情況出現。

3.2 改善措施

基于以上分析，為解決鉆芯新技術勘探過程中松散地層鉆芯難的問題，可采取以下幾個方面的措施：

(1) 加強對已開采礫石的評價。堵塞巖芯鉆進井的位置在2 段包含礫石之間，但與礫石直徑的大小不同，在井中保證礫石中的取芯率是一個很大的困難。偶爾的碎石間隔有多種情況，當礫石直徑較小時，不超過5cm，在巖芯鉆進過程中，巖芯鉆頭在井底基本能保持穩定，對取芯率基本沒有影響。如果礫石直徑大于5cm，鉆孔底部的礫石受力不均勻，取芯工具容易晃動。同時，鉆孔巖芯鉆探段巖性為粘土質膠結、松散，導致礫石在井底滾動，使巖芯難以磨削。在現場，松散砂巖封堵后，鉆孔時間等參數沒有明顯變化，評估難度大，失去取芯的最佳機會，封堵后造成磨削，導致采收率低。對于礫石砂礫巖層段，礫石直徑不一，基本無膠結現象。鉆芯時，鉆頭切削地層，受力極不均勻，鉆芯工具晃動重擊，碎礫石破碎后碎石滾磨，巖芯基本不形成，容易造成巖芯穿，難入桶，易卡芯。因此，在取芯時，要密切注意各種參數的變化。

（2）降低巖芯承壓。當巖芯具有良好的柱狀能力時，取芯易于成型且能保持穩定，使芯順利進入管道，芯運行穩定，易成型，但承壓能力差。在巖芯鉆孔中，當材料達到一定程度時，下巖芯不足以克服上巖芯的自重。此外，由于巖芯承載能力低，進入筒體的松散砂巖實測長度由于自身重量的壓縮而比實際長度短。鋁合金的內徑為110mm，鉆頭的內徑為100mm，相應的后長減少也降低了鉆芯的收獲率。巖芯承載力不足是巖芯鉆探作業的另一大難點，因此在巖芯鉆探過程中應采用巖芯材料控制等方法，降低襯管中巖芯的承壓，減少巖芯堵塞的可能性，提高核芯的收獲率。

(3)提高刀具工作的穩定性。在實際鉆井操作中，幾乎沒有絕對垂直的鉆孔。另外，在進行巖芯鉆孔時，工具的內外圓柱上的壓力會不同，這意味著內外圓柱不會在同一軸上產生周期。隨著巖芯工具的旋轉，內外圓柱之間的摩擦阻力會大大增加，往往超過內圓柱與巖芯柱之間的摩擦阻力，使內圓柱開始旋轉并對巖芯產生作用力。嚴重時會出現鐵芯斷裂，影響成芯率等技術指標。為保證內筒的穩定性，將鉆具定芯裝置置于巖芯鉆具頂部，可有效提高巖芯鉆具的穩定性，提高內筒巖芯的強度和芯的延展性，有利于提高取芯的技術指標。

(4) 改進常規取芯技術，減少對出鋼管芯部的損傷。當取芯時因芯柱應力狀態變化及外力影響，由于膠結強度差使得松散的地層很容易破裂，這會減少巖石樣品的選擇面積，降低地質數據的完整性。為了解決這個問題，取芯工藝使用冷凍保形取芯來貼合鋁合金襯里。同時，應考慮采用特殊的核心防護技術，減少堆芯支柱應力狀態的變化和堆芯作業對堆芯的破壞，以達到修復堆芯損傷的目的。

（5）設計合理的井身結構。為了保證鉆井取芯安全，在取芯前應該短起下鉆，要正確處理起下鉆過程中的遇卡情況。要保持井眼清潔，避免落物掉入井底，造成卡鉆等。要確保鉆井設備工作正常，需要加強對鉆井設備的保養和維護，保證地面設備能夠正常工作，確保各項儀器儀表工作正常，確保井下安全。要合理控制鉆井液性能，確保鉆井液具有較好的濾失性、鉆井液密度合理，既能保證鉆井液具有較好的攜砂性，還能保證鉆井液具有較好的潤滑性。要確保鋼球能夠下入預定位置，要檢查鉆具和接頭水眼。要準確判斷投球位置，提前安排好人員做好割芯的準備。在下鉆過程中，要控制下鉆速度，切忌猛放、猛剎。在下鉆過程中，要注意遇阻情況，遇阻摩阻不能超過4t，遇阻后可以循環鉆井液，不能強行劃眼下鉆，防止劃出新井眼。鉆具下鉆到底后，要緩慢開泵，開泵泵壓不宜太高，防止導致剪切內筒銷釘，鉆頭下放到井底后，需要校正一下井深，并上提下放測算摩阻大小，并做好記錄。在鉆井取芯過程中，鉆壓不宜過大，通常鉆壓應小于30kN，鉆進一段時間后，需要將鉆壓增加到正常鉆進水平。當地層巖性松散時，一開始就要使用正常鉆壓鉆進。避免鉆遇漏失層，出現放空現象。在送鉆過程中，要求均勻送鉆，不能溜鉆。鉆進取芯過程中，要求不能停泵，要求連續鉆進，避免上提下放。在取芯過程中，要關注鉆井工程參數變化，分析取芯情況，記錄下取芯數據，同時要時刻關注工程參數變化情況，分析井下情況，避免出現工程復雜情況，保障順利取芯。

在松散砂礫巖地層中，取芯鉆進過程中，要時刻關注鉆井工程參數變化情況，如扭矩變化，控制合理的取芯進尺，避免出現工程復雜情況。結合錄井預測的地層情況及鉆時數據，選擇合理的位置進行割芯，保證井下安全，通常割芯位置在泥巖位置。在進行割芯時，可以將鉆具上提一小段距離，同時要關泵，停止轉盤。

針對松散砂礫巖取芯情況，設計的取芯工具性能可靠，能夠顯著提升巖芯收獲率，適用于松散砂礫巖地層取芯作業。實踐表明，砂礫巖顆粒的大小、礫石含量多少對取芯收獲率影響較大，且松散砂礫巖地層中，鉆頭與地層接觸不均勻，受力也不均勻，容易出現取芯工具的憋跳現象，長時間工作后取芯工具易損壞，需要更換新的取芯工具。

4 結束語

在油田勘探過程中，巖芯樣品是重要的地層實物資料，含有豐富的儲層信息。各油田也重視對巖芯樣品的獲取及保存，建立起了龐大的巖芯庫，儲層各類寶貴的巖芯資料，方便分析化驗、開展詳細的研究。巖芯樣品對油田的重要性不言而喻，加強對巖芯樣品的獲取，改進取芯工藝具有重要意義。針對松散砂礫巖地層，取芯難度大，巖芯收獲率難以保證，通過針對性開展技術研究，改進取芯工具，優化松散砂礫巖地層取芯工藝，明顯改善了松散砂礫巖地層取芯效果，能夠實現對松散砂礫巖地層連續取芯，保證了巖芯收獲率。為保證取芯過程中井下安全，需要加強對鉆井工程參數分析、控制合理取芯進尺、改善鉆井液性能，在確保井下安全同時，提升鉆井取芯效率。同時在出現異常情況時，采取合理措施，避免出現工程事故。總之，通過優化松散砂礫巖地層取芯工藝，保證取芯收獲率，獲取珍貴的巖芯資料，對于油田勘探開發具有重要意義。