塔东地区超深井小井眼取芯技术的完善与应用

钱可贵

(大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆163413)

塔东地区位于塔里木盆地东部，塔东库鲁克塔格断隆与车尔臣断裂之间。四开取芯地层一般为奥陶系的鹰山组和蓬莱坝组，以及寒武系。鹰山组岩性以灰岩为主，夹杂灰质云岩。蓬莱坝组岩性以云岩为主，夹云质灰岩、云灰岩。寒武系岩性为灰色白云岩、灰质云岩、云质灰岩、硅质岩、角砾云岩等。以前在塔东区块的小井眼取芯较少，取芯收获率较低。通过近几年9口井的小井眼取芯，从中不断总结经验，完善改进取芯工具和优选取芯钻头，改进工艺技术措施，使收获率不断提高，最终达到90%以上。前4口井井眼尺寸为152.4mm，后5口井井眼尺寸改为168.3mm。

1 塔东地区四开小井眼取芯难点分析

（1）取芯井段深、井眼小。为了降低起下钻卡钻风险，取芯工具上无扶正器，钻具细长，取芯工具在取芯钻进时不稳定。上下活动钻具摩阻大，实际钻压不易确定，钻具易被压弯，导致取芯钻头偏向一侧，使岩芯弯曲，导致堵芯。

（2）堵芯难判断。由于地层软硬交错，部分云岩地层裂缝孔洞发育，岩芯坚硬且易碎，非常容易堵芯。当钻速变慢时，地面难判断是发生堵芯、还是出现硬夹层或钻头磨损导致。部分灰岩地层，胶结性差，堵芯后钻速基本不变。如果判断失误造成磨芯，则难以保证收获率。

（3）钻具和钻头的振动加剧了岩芯破碎。取芯钻进时钻头的横纵向振动导致裂缝和孔洞发育的岩芯破碎，可能破坏岩芯爪，也可能使岩芯卡死在内筒中,如果继续钻进就出现磨芯。

（4）部分云岩、硅质岩胶结致密，钻头寿命低，单筒进尺低。

2 技术对策

（1）取芯工具的优选与改进：前4口井使用的取芯工具是普通常规取芯工具，型号是QC/ZS121-66。后5口井取芯工具改为QC/ZS133-70。后4口井在QC/ZS133-70取芯工具上增加了内筒扶正和堵芯报警装置。两种工具都包括安全接头、悬挂总成、内外筒总成和卡芯机构等[1]。改进后的QC/ZS133-70工具适用于168.3mm井眼取芯，与QC/ZS121-66取芯工具相比具有以下特点：①工具的抗拉强度和稳定性提高20%，同时岩芯直径增加4mm，有利于保持岩芯的完整性。②增加的内筒扶正机构可以保证在钻具弯曲或存在井斜取芯时内外筒同心，即保证钻头环状切削地层剩余的岩芯与内筒同心。扶正机构与上部悬挂总成中的轴承配合，可以使内筒在取芯钻进时与岩芯之间不发生转动，减少内筒对岩芯的破坏，有利于岩芯顺利进入内筒。③增加的堵芯报警机构在堵芯发生时泵压会有一个明显的变化，可以提示取芯工程师注意观察，采取必要措施。

（2）堵芯的判断与处理：增加堵芯报警机构后，如果发生堵芯，岩芯推动内筒上行，减少了分流接头处水眼的过流面积，泵压会增加1~2MPa。由于钻井液性能不稳定或钻头磨损，泵压增加不一定是发生了堵芯，需要取芯工程师进一步判断。具体需要采取以下措施减轻堵芯和判断堵芯：首先在钻速快的灰岩地层使用小钻压钻进，控制钻速，降低堵芯的发生。其次当泵压增加，速度变慢时，通过顶驱扭矩表来判断是否发生堵芯磨芯，如果扭矩波动明显，一般就不是发生堵芯，可以判断出现硬夹层，通过适当增加钻压提高钻速。如果扭矩无波动，同时钻速非常慢，就可以初步判断发生了堵芯，需要及时起钻，避免岩芯损失。最后钻头磨损会导致钻井液流道面积减少，泵压升高。如果钻速慢的同时，泵压缓慢的逐渐升高，且钻进时间较长，就可以判断为钻头磨损导致。可以通过观察返出的岩屑来判断岩性，如果岩屑中含硅质，一般就是地层硬度高导致的钻速慢。

（3）优选取芯参数降低钻具振动：小钻压、低转速可以明显降低钻具的振动，减少对岩芯的破坏。常用取芯钻头破岩形式有切削和研磨两种，研磨型的钻头比切削型的取芯钻头振动明显降低，减少振动对岩芯的破坏，有利于硬碎、裂缝和孔洞发育的地层取芯。

（4）取芯钻头的选择：在灰岩地层，虽然PDC钻头钻速快，但钻进时振动容易导致堵芯。在云岩地层巴拉斯钻头寿命比天然金刚石差[2]。因此在灰岩为主的地层，选择巴拉斯和天然金刚石钻头，在云岩地层选择天然金刚石钻头或孕镶钻头，提高单筒进尺。考虑到井段深，起下钻成本及地层的不可预测，一般选择天然金刚钻头。

3 现场应用

3.1 取芯钻具组合

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

3.2 现场取芯技术

（1）取芯前检查工具，确保悬挂轴承转动灵活，内外筒没有弯曲。

（2）由于井底温度高达160℃以上，需要把取芯工具出厂时自带的丁腈橡胶密封圈改为氟橡胶密封圈，确保安全接头密封的可靠性。

（3）下钻到底后开泵循环，排量可达18L/s。循环期间上下活动钻具，记录上提下放的悬重。待后效完全返出时，投球，并开泵送球。通过钻具内容积和泵排量，计算出球到底时间。如果之前泵压没有突然增加，则时间达到计算送球时间后，即可认为球已经到底。

（4）球到底后调整泵排量至正常取芯钻进排量12~13L/s，顶驱转速调至15~20r/min，缓慢下放钻具探底。指重表调零点后，顶驱停转，加钻压20~40kN测量方入。

（5）测量完方入后，上提钻具，顶驱转速调至40~50r/min[3]，用10~20kN树芯30cm。树芯后,根据钻速逐渐提高钻压到20~40kN，钻速过快时应降低钻压，减少堵芯发生。

（6）如果钻速低，最后涨芯时不宜加压过大，增加的钻压是使钻具发生弯曲，最终变相地增加了单筒进尺。钻速高时，宜增加15~30kN钻压，使岩芯直径增加，有利于割芯。钻达预定进尺后，磨芯至20kN，测量方入后连续缓慢上提钻具割芯。

（7）由于岩芯直径小，岩芯上裂缝多，割芯力较小，导致岩芯爪对岩芯的抱紧力小。在起钻时就要求司钻和钳工操作平稳，减轻钻具振动，防止岩芯从内筒中掉落。如果无卡钻、溢流等特殊情况，不循环钻井液，直接起钻。

3.3 取芯效果及原因分析

近几年在塔东地区共取芯9口井，按照施工时间统计，数据见表1。从表1中可以看出，取芯井段为6000~7000m，属于超深井取芯，岩性以灰岩和云岩为主。收获率整体水平在不断提高，最后4口井，累计收获率已达到82.66%，最后1口井收获率达到90.75%。钻头从PDC改为巴拉斯和天然金刚石取芯钻头后单筒进尺降低了，实际获取的岩芯提高较多。

表1 取芯数据统计表

（1）收获率低的原因主要有以下几点：①地层裂缝发育，岩芯成柱性差，岩芯破碎。取芯钻进时发生堵芯，钻速变化不大，地面没有判断出来，继续钻进造成磨芯。②地层坚硬，钻速慢，加压的过程中钻具弯曲造成“假进尺”。部分筒次的取芯，最后钻压不能磨到20kN，钻具压缩量导致实际进尺小于计算的进尺。③割芯时，地层裂缝发育，岩芯破碎。岩芯爪对岩芯的抱紧力小。起钻时钻具振动导致岩芯从内筒中掉落。④部分岩芯致密，钻进时钻头把岩芯磨的非常光滑，割芯时发生撸芯，导致收获率降低。

（2）单筒进尺低的原因主要有以下几点：①发生了堵芯，并准确判断出。为避免磨芯，只好起钻。最具代表性的为GC14井的第3筒芯,岩芯发生弯曲，如图1所示。②钻头磨损，泵压增加，钻速变慢。图2是新钻头和2只磨损的旧钻头图片。

图1 发生弯曲的岩芯

图2 新钻头和磨损的钻头

（3）增加的内筒扶正降低了堵芯的发生，有利于岩芯顺利进入内筒。在后4口井的取芯中堵芯发生的情况比前5口井明显减少。

（4）增加堵芯报警机构后，泵压增加可以给取芯工程师一个明显的警示。提示取芯工程师注意观察、判断，及时采取措施。CT 2第2筒芯，就是泵压增加，结合顶驱扭矩准确判断出发生堵芯及时起钻，避免了磨芯发生，保证了岩芯收获率。

4 结论与认识

（1）在灰岩为主的地层容易堵芯，需要小钻压、低转数控制钻速，降低堵芯发生，可以选择巴拉斯钻头。

（2）在云岩为主地层钻速慢，不宜增加太高钻压造成“假进尺”，可以选择天然金刚石钻头。

（3）天然金刚石钻头的适用性高于巴拉斯钻头，不能确定地层情况时，宜选择天然金刚石钻头。

（4）增加的内筒扶正机构降低了堵芯的发生，增加的堵芯报警机构有利于对堵芯的判断。