深井大直径保形取心工具在冀东油田高66-30断块的应用

杨立文， 苏 洋， 孙少亮， 孙 磊

(中国石油集团长城钻探工程技术研究院)

高66-43井是冀东油田在高66-30断块布置的一口评价井。该井取心目的是为取得高66-30断块主体区岩心分析资料及研究注水开发油藏开发后期储层含油性、物性变化，并开展高温高压条件下全直径岩心气驱替实验，评价冀东油田深层低孔低渗油藏气驱提高采收率潜力。

该井设计在沙三3亚段层位进行三段不连续取心，计划取心进尺65 m，要求所取岩心直径不低于110 mm。本井使用了GW型大直径自锁式取心工具，在结合该区块地层结构特点，总结第一段取心失败经验教训基础上，通过运用保形取心工艺，优化取心钻头及工艺技术措施，克服了该区块地质构造复杂、井眼条件恶劣等技术难题，提高了取心收获率和取心质量，为充分认识该地区含油气构造特征，产能及储量计算起到了积极地促进作用。

一、取心工具简介

高66-43井取心所使用的取心工具为GW194-115型取心工具，是一种大直径自锁式取心工具，所取岩心直径为115 mm，既可以满足工程上深井硬地层取心需要，又可以满足该井设计上对岩心直径不小于110 mm的指标要求。对于深井取心，国内油田很少对岩心直径有特殊要求，所以该型取心工具是首次在国内油田进行应用。

该型取心工具有以下几个特点：

(1)一般深井地层取心工具很少做出大直径岩心设计，而该型取心工具所取岩心直径可达115 mm，可满足特殊的地质设计要求。

(2)结构简单，灵活可靠，可根据需要对内筒材质进行更换，有钢制和铝合金两种。钢制内筒主要针对常规取心，铝合金内筒主要针对复杂地层取心及特殊工艺取心。它具有抗拉强度高，内壁光滑，更换方便等优点。

(3)取心外筒是由20 mm超级厚壁优质合金钢制成，是专为深井及复杂地层做出的高强度设计，具有更强的抗拉和抗扭强度，提高了钻井安全系数。

(4)针对该型取心工具设计制作了多种PDC取心钻头，可根据不同地层择优使用；配备的可选式篮式岩心爪和引心套，也可根据现场实际需要选择应用。

二、取心难点分析

高66-30断块构造地层复杂，具有岩性不均，泥岩硬度大，砂岩松散易碎等特点，取心收获率难以得到保证。在井深3 568.10～3 586.40 m的第一段取心施工当中，共取心3筒次，取心进尺18.3 m，心长9.96 m，岩心收获率仅为54.43%。经过分析，较为复杂的地层构造是导致取心收获率低的主要原因，具体表现在以下几点[1-2]：

(1)该段油气层具有软硬夹层多，地层不均质性强的特点。其中盖层及有些泥岩夹层质地坚硬，牙轮钻头全面钻进钻时达到70 min/m；取心钻进使用PDC取心钻头，钻时平均140 min/m，最慢时达到200 min/m；而进入砂岩层后钻时突然加快，最快可达到6 min/m，在整个取心过程中，这种软硬交错地层频繁出现，增加了取心过程中的风险。

(2)泥岩水化膨胀，易导致堵心。出心时发现部分泥岩岩心在内筒中胀死，导致岩心无法取出。通过现场试验，验证该段泥岩在遇水后容易水化膨胀。岩心在取心钻进过程中与钻井液发生接触，钻井液中的水分使泥岩水化膨胀，与取心内筒壁粘结，从而导致后续岩心无法进筒，造成堵心。

(3)砂岩松散，胶结差。从出心情况来看，钻遇的砂层十分松散，在这种地层取心收获率很难得到保证[3]。再加上地层变化频繁，钻时的突然加快和变慢，给现场人员及时做出钻进参数调整带来了困难。

(4)井身结构为5段式，井况复杂。部分井斜角度大，造成钻具与井壁摩擦增大；加之泥岩裸眼段极易遇水膨胀造成缩颈，经常遇到下钻遇阻的情况。在通井并调整钻井液性能之后也不能完全解决缩颈问题，只有在情况允许时采取小段划眼操作，才能保证取心筒下到井底。

三、措施改进

针对以上取心难点，取心技术人员提出并运用保形取心工艺，更换内筒和钻头选型、改进施工参数等技术措施，在接下来的第二段和第三段取心当中，有效解决了以上难题，取得了较好的效果。

1. 优化内筒总成

1.1 使用铝合金内筒

在第一段取心施工当中，取心工具的内筒使用的是普通的钢制内筒。在岩心胶结好，较为成柱的情况下它可以满足取心需要，但是遇到岩心易堵，易碎的地层，铝合金内筒相比钢制内筒具有更强的适应性。为此在后面的取心施工当中采用配套的铝合金内筒，它具有抗拉强度高，内壁光滑，易于切割和保存等优点，即可以满足硬地层割心需要，也可以减少取心时发生堵心的机率；出心时将其直接切割封存，还可以减少后期对岩心的破坏，保证岩心完整[4]。

1.2 增加引心套

第一段取心失败有一共同特点，就是无法形成规则的岩心头。通过观察发现，现场出筒岩心最上部往往有形状不规则的泥质堆积物，严重影响了后续岩心的进筒，甚至导致第二次取心作业发生堵心，岩心大量丢失。经过分析，造成这些泥质堆积物出现的主要原因，是由于钻头下钻时刮擦井壁所带下来的滤饼，附着在岩心和内筒表面，在钻进时被压实堆积形成。即使在钻进前进行大排量循环也无法彻底清洁井底，这与复杂的井眼轨迹和地层特点有很大关系。

图1 引心套

为解决这个问题，在内筒岩心入口处，加设了引心套装置[5](见图1)。引心套可将井底杂质及不规则岩心首先纳入其中，形成一个“人工岩心头”，随着后续岩心的进筒，引心套被推动上行，由于阻隔了滤饼及不规则岩心与内筒的接触，因而大大减小了岩心进筒阻力。

2. 优选取心钻头

取心钻头是关系取心成败的最关键部件，机械钻速和取心收获率均与所采用的取心钻头有很大的关系[6]。在第一段取心当中，泥岩段取心钻时平均为140 min/m，最慢时达到200 min/m，岩心不能快速进筒而长时间暴露在井底，容易和钻井液发生沾染，导致泥岩水化膨胀从而发生堵心；其长时间在取心钻头处研磨也容易被搅散破坏，使后续岩心进筒困难。如果能够提高泥岩段的取心机械钻速，在一定程度上有助于降低取心过程中的风险。针对本井泥岩地层坚硬，可钻性差的特点，在钻头选型上做出了调整，采用了一种针对泥岩地层的PDC取心钻头，从而有效提高了泥岩段的机械钻速。新型取心钻头特点如下：

2.1 冠部形状特点

原有取心钻头为10刀翼，平底形；新型取心钻头为7刀翼，长锥形(见图2)。新型钻头的优点在于，首先长锥形冠部形状较平底形具有更强的攻击性，吃入地层更容易[7]；其次长锥形钻头具有更大的布齿面积，可以增加更多的切削齿，以提高切削能力和实现高转速钻进；最后减少了刀翼分布的同时也增加了排泄槽流道宽度，流道面积增大，使井底岩屑得以及时排除。

图2 长锥形取心钻头

2.2 布齿特点

原有钻头切削齿尺寸为15 mm，每刀翼布齿2～3颗，新型取心钻头切削齿采用的是13 mm尺寸切削齿，每刀翼布齿5～6颗，布齿密度较原来有所增大。并且通过将更多的切削齿布设在钻头外侧，有效减小了保径齿的切削负担，从而提高钻头寿命和稳定性。其次，在一定程度上新型取心钻头的切削机理由垂直切削变为水平切削，从而提高了切削效率。这是因为地层的层里是趋于水平的，有些致密的地层靠钻头垂直切削很难吃入，但是其发育为层状，从侧面切削较容易破岩(见图3)。

3. 详细制定取心措施

取心作业是一项综合性技术作业，不仅要有合适的取心工具、井眼质量、还要有合理的钻井参数配合[8]。通过分析已取岩心资料，总结第一段取心收获率低的原因，结合本井易缩颈的客观现状，在保证安全的前提下制定了以下取心措施：

图3 钻头改进前后对比示意图

(1)遇到下钻遇阻时，如遇阻严重则应立即起钻进行通井，严禁用取心筒大段划眼。如轻微遇阻，可采用间歇式小段划眼，转速15～30 r/min，钻压不得超过2 t，每次划眼不得超过0.5 m，并时常活动钻具。

(2)如快到井底时遇阻，则可能井底有沉砂，应开大排量循环一段时间，再启动转盘进行剥离清除，并经常活动钻具，防止沉砂进入内筒。取心前至少大排量循环一周，彻底清洗井底沉砂之后再取心钻进。

(3)在引心阶段，要严格控制钻压，以5～10 kN钻压接触井底，通过牺牲一定的时间来换取岩心头的成型。取心段地层特点是岩性变化频繁，易堵心。正常钻进钻压控制在60 kN以内，如果钻时可观可以更小的钻压跟进，防止堵心。根据钻时及时调整取心参数，钻时明显加快说明进入砂岩层，应适当增大钻压，降低排量和转速，具体钻进参数见表1。

表1 取心推荐钻进参数

(4)取心过程中，取心工程师应通过地质人员了解返出岩屑情况，结合钻时和泵压，判断井下是否发生堵心并及时作出判断，必要时应及时起钻，以减少岩心损失。

四、应用效果

(1)采用保型取心工艺并改进取心技术措施后，第二段和第三段的取心收获率逐步提高。其中第二段取心6筒次，取心进尺26.04 m，心长23.06 m，岩心收获率88.56%；第三段取心4筒次，取心进尺21.10 m，心长19.96 m，岩心收获率94.60%(具体数据见表2)。全井共取心13筒次，取心进尺65.44 m，心长52.99 m，全井平均岩心收获率最终提高至81.00%。

表2 取心收获率统计表

(2)优选钻头之后所取得的效果十分显著。在第一段的取心过程中发现，当钻遇到坚硬泥岩时，扭矩表指针基本维持在6 kN·m左右，摆动很小。这一现象是由于钻头无法吃入地层，在泥岩表面打滑造成的。在更换钻头选型后，钻进时扭矩值维持在8～9 kN·m，说明钻头吃入地层，可以进行有效切削，从而使扭矩值升高。泥岩段平均钻时也提高到90 min/m，缩短了进筒时间。引心套的使用，使其在引导岩心进筒的同时还可以有效保护岩心，降低钻井液对岩心的冲蚀，从而提高岩心收获率。

五、结论

(1)大直径铝合金内筒保形取心技术为深井复杂地质构造取心开辟了一条新途径，可有效提高复杂地层取心收获率和取心质量，值得进一步推广使用。

(2)引心套的使用解决了钻进初期不成形岩心进筒困难问题，铝合金内筒也能有效降低岩心进筒阻力，对于提高取心收获率有很大帮助。

(3)改进取心措施后，取心收获率有了明显提高，证明所采取工艺措施合理可行。根据地层的变化及时调整钻进参数，选择合适的取心钻头是保证取心获得成功的关键。