繩索取心技術在覆蓋地層鉆井中的應用

李柏軍，鄒 潤，郭 超

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繩索取心技術在覆蓋地層鉆井中的應用

李柏軍，鄒 潤，郭 超

(核工業(yè)二四0研究所，遼寧 沈陽 110032)

為提高吉林白城地區(qū)的吉洮地1井、吉白地1井兩口油氣地質調查井鉆探生產效率，在覆蓋地層鉆井中應用繩索取心技術?；谒@地層巖性特征，結合提鉆取心與繩索取心工藝特點，通過設計鉆頭、鉆井沖洗液，改進鉆進規(guī)程參數與鉆具水口流經通道，在覆蓋地層(厚約1 100 m)鉆井中成功應用繩索取心鉆進方法。相比傳統(tǒng)單管/雙管提鉆取心方法，鉆進效率與巖心采取率提高兩倍以上，提大鉆周期提升至2 d以上，大大降低了勞動強度，節(jié)約工期近30 d。詳細介紹了白城地區(qū)覆蓋地層鉆井中應用繩索取心技術的改進方法與施工經驗，對今后在覆蓋地層鉆井中推廣應用繩索取心技術具有一定借鑒意義。

白城地區(qū)；覆蓋地層；繩索取心；鉆頭設計；正交試驗

繩索取心鉆進技術經過多年的發(fā)展在國內外廣泛應用，但往往僅能應用于較堅硬和成巖較好的地層中，在煤田地質鉆探、砂巖型鈾礦鉆探等中配合半合管、超前管少有應用[1]。2013年，盧予北等[2]首次把石油鉆井理念與小孔徑巖心鉆探繩索取心工藝相結合，得到較好的工程應用效果。實踐證明繩索取心鉆進技術在沉積巖和軟巖地層中同樣可以發(fā)揮較高鉆探效率的優(yōu)勢[3]。

繩索取心鉆進技術的傳統(tǒng)工藝理念認為，覆蓋地層復雜，易出現孔壁坍塌、掉塊、縮頸等難題，其次繩索取心鉆具與孔壁間隙小，易出現縮頸卡鉆事故，最后繩索取心鉆桿在大的環(huán)狀間隙中易折斷。繩索取心鉆進技術在覆蓋地層的應用難點為根據地層巖性選擇合理的鉆孔沖洗液、鉆進和取心操作規(guī)程參數、鉆頭類型等，保證鉆孔孔壁穩(wěn)定與較高的巖心采取率、鉆進效率。在覆蓋地層應用繩索取心鉆進技術要求較高，施工隊伍普遍選擇傳統(tǒng)提鉆取心鉆進方法。

因此，繩索取心鉆進技術在覆蓋地層鉆探中的應用研究是當前研究的主要方向之一。筆者以地質調查井鉆探施工為例，基于現有繩索取心鉆具結構，結合繩索取心鉆進、砂巖普通提鉆取心鉆進方法特點，綜合考慮覆蓋地層應用繩索取心鉆進技術難點，逐步形成適合覆蓋地層繩索取心鉆探生產用鉆具、沖洗液配方、鉆進規(guī)程參數等鉆進體系。

1 工程地質概況

核工業(yè)二四0研究所承攬吉白地1井、吉洮地1井油氣地質調查井鉆探施工項目，兩井位于豐收鎮(zhèn)斷陷中北部，分別距離洮南市37 km、50 km，工作區(qū)位于松遼盆地西部斜坡區(qū)，基底構造形態(tài)為一個東傾的單斜。在單斜背景下，發(fā)育白城-安廣鼻狀隆起和岔臺、安廣、興隆山局部凸起。由于后期構造活動，發(fā)育了一些低幅度的斷鼻和背斜構造。兩鉆井的鉆探施工設計孔深分別為1 500 m、1 800 m，井型為直井，全井取心，要求終孔直徑不小于90 mm，取心率不低于85%，取心直徑不小于60 mm，鉆孔間距約35 km。根據鉆孔數據資料顯示，兩鉆孔第四系、新近系覆蓋層較厚(約700 m)，地層巖性相似，覆蓋層巖性及可鉆性等級如表1所示。鉆遇覆蓋層常規(guī)鉆探技術手段采取單管或雙管提鉆取心鉆進，提下鉆時間長，鉆探效率較低，同時采取率一般不能滿足要求。

現場使用的主要鉆探及附屬設備如下：XY-8B型巖心鉆機、BW390/15泥漿泵、18.5 m A型鉆塔、JSJ2000型絞車、SQ114/8型液壓鉗、2FZ18-21型防噴器。

表1 吉白地1井覆蓋地層巖性表

2 覆蓋地層應用繩索取心工藝技術方案

普通提鉆取心由于起/下鉆頻繁，孔內會產生壓力激動和抽吸力，孔壁穩(wěn)定性降低，同時起/下鉆的輔助時間長，勞動強度大，鉆進效率低[4]。兩鉆井覆蓋層均較厚，普通提鉆取心缺點突出，結合地層巖性與普通提鉆取心工藝特點，從鉆頭設計、鉆進規(guī)程參數設計、沖洗液配制及維護、鉆具與卡心工藝改進4個方面入手，保證在覆蓋層鉆井中順利應用繩索取心鉆進技術。

2.1 鉆頭設計

設計要求巖心直徑不小于60 mm，需采用S95繩索取心鉆進，普通95.5 mm金剛石鉆頭外出刃太小，應用低固相泥漿易憋泵[5]，并且卡簧座處巖心沖刷嚴重，金剛石鉆頭也不宜在第四系、新近系地層使用，故需重新設計繩索取心鉆頭結構。

2.1.1 鉆頭選型

繩索取心鉆頭多采用孕鑲/表鑲金剛石鉆頭，鉆頭依靠金剛石顆粒對堅硬巖石的磨削作用進尺，而普通提鉆取心在覆蓋層依靠硬質合金/PDC鉆頭的切削進尺[6-8]。硬質合金鉆頭與PDC鉆頭均適用于軟巖和中硬巖層，在覆蓋層均比較適用。

覆蓋層可鉆性1~4級，綜合考慮鉆頭經濟性，鉆頭類型選擇硬質合金鉆頭。

2.1.2 鉆頭內外徑及出刃設計

鉆頭出刃分為外出刃、內出刃和底出刃，內外出刃主要確保沖洗液的暢通，攜帶排除孔底巖粉和減輕回轉阻力，底出刃主要用于切削巖石?；赟95繩索取心鉆具結構設計鉆頭出刃。

a.外出刃設計 傳統(tǒng)S95繩索取心鉆頭外徑95.5~97.0 mm，外出刃3~4 mm。在覆蓋層鉆進時巖粉較多，孔底沖洗液含砂量大，外出刃需加大，參照砂巖提鉆取心鉆頭外出刃10~12 mm，鉆頭外徑設計112 mm。

b.內出刃設計 傳統(tǒng)S95繩索取心金剛石鉆頭內徑64 mm，內管內徑67 mm，考慮到覆蓋層巖石硬度較低，不耐沖洗液沖刷，需要增大內環(huán)空，減小內環(huán)空中沖洗液的流速，減輕對井底巖心沖刷，因此鉆頭內徑設計66 mm。

c.底出刃設計底出刃設計階梯型，利用先行的切削刃掏槽，創(chuàng)造更多的自由面，利于后面的切削刃碎巖，形成體積破碎。底出刃依照巖石的性質而定，軟巖底出刃設計4~5 mm，中硬巖石3~4 mm，依據表1所示覆蓋地層巖性，底出刃設計4 mm。

2.1.3 鉆頭體與切削具設計

鉆頭體為常規(guī)D50無縫鋼管制成，規(guī)格與95 mm金剛石鉆頭相同，切削具鑲焊方式選擇直鑲，根據巖性硬度，硬質合金采用雙環(huán)排列。

在覆蓋層鉆進時，轉速快、巖粉多，需要的沖洗液量大，水口面積要加大，切削具設計成對稱的4組。

水口設計為底噴式，沖洗液流經孔底時，部分沖洗液從鉆頭內徑流出，部分從鉆頭底噴水口流出，既保證了一小部分沖洗液冷卻和潤滑巖心，防止巖心燒磨，又將大部分沖洗液導離巖心柱，使液流對巖心沖蝕破壞最小[9]。鉆頭胎體厚度13 mm，加工水口通常保留鉆頭體壁厚的一半(3.25 mm)，即可供加工水口的胎體厚度約9.75 mm，為保證胎體強度，水口直徑設計為6 mm。根據水槽寬度大小，每個水槽設計為雙水口。

設計鉆頭與傳統(tǒng)S95金剛石鉆頭參數對比如表2。

表2 設計鉆頭與傳統(tǒng)S95金剛石鉆頭參數對比表

按設計參數加工鉆頭樣品如圖1所示。

圖1 設計的鉆頭樣品示意圖

2.2 鉆進規(guī)程參數選擇

覆蓋地層鉆進參數宜參照砂巖單管取心鉆進規(guī)程[10-12]，為防止在離心力的作用下鉆桿內產生泥皮[13]，轉速不宜過高，同時選擇低泵量以減輕沖洗液對孔壁和井底巖心的沖刷[14]，推薦鉆進規(guī)程參數如表3。

表3 推薦鉆進規(guī)程參數

2.3 沖洗液設計

現場測試泥漿沖洗液性能，參數分別為相對密度1.14，漏斗黏度27 s，含砂量7%，失水量20 mL/ (30 min)。在改進沖洗液配方前，沖洗液黏度及含砂量過大，性能參數不適宜應用繩索取心鉆進工藝。

適用于覆蓋地層繩索取心鉆進工藝所需沖洗液性能應滿足：

a.為防止憋泵，沖洗液含砂量應小于3%。

b.有良好的濾失性、護壁性。所鉆地層主要巖性為泥巖和砂巖，其中泥巖中黏土礦物成分較高，水敏性較強，若泥漿沒有好的濾失性能，泥巖井段易發(fā)生縮徑現象。而鉆遇松散的泥質砂巖時，巖心很容易被泥漿沖散，井壁也容易出現坍塌現象。因此需要添加護壁劑、降濾失劑、火堿。

c.泥餅應有薄又堅韌的特性。取心時鉆桿較長時間靜止在孔內，在沖洗液密度大時易發(fā)生鉆桿與孔壁粘卡(吸附卡鉆) 現象[15]，要求沖洗液密度較低。并加入適量羧甲基纖維素，保證泥餅的韌性。

綜上需要使用無固相防塌沖洗液[16-18]。沖洗液目標性能參數如下：相對密度1.1~1.3，漏斗黏度18~20 s，失水量20~22 mL/(30 min)，鉆進中沖洗液含砂量小于3%。根據沖洗液目標參數以及需添加的沖洗液處理劑，結合施工經驗，初步推薦沖洗液基礎配方：1 m3清水+1~2 kg廣譜護壁劑+3~5 kg磺化瀝青+1~3 kg火堿+0.5~1.0 kg CMC，根據性能參數目標調整沖洗液配方。根據推薦沖洗液基礎配方，利用正交試驗法，創(chuàng)建L9(34)正交表(表4)。根據實驗結果，④、⑥兩組滿足沖洗液性能目標的試驗組合，最終確定兩種無固相防塌高性能沖洗液配方。配方一：1 m3清水+1.5 kg廣譜護壁劑+3 kg磺化瀝青+2 kg火堿+1 kg CMC，配方二：1 m3清水+1.5 kg廣譜護壁劑+5 kg磺化瀝青+1 kg火堿+0.5 kg CMC。

表4 沖洗液L9(34)正交試驗表

沖洗液性能維護方案：

a.通過保障除砂機正常運轉、及時換漿，保障沖洗液含砂量滿足要求；

b. 各班每2 h測量一次沖洗液性能，根據性能及時調整參數；

c.火堿、CMC添加前需充分浸泡，嚴禁直接向循環(huán)槽內添加清水。

2.4 鉆具結構與卡心工藝優(yōu)化

卡簧座與鉆頭內臺階間隙影響沖洗液對巖心的沖刷，也即影響巖心采取率。傳統(tǒng)卡簧座與鉆頭內臺階之間一般最佳的間隙為2~4 mm，在保證沖洗液正常流通的前提下，應盡量減少此間隙，以減少沖洗液對巖心的沖蝕，提高巖心的采取率。覆蓋層巖性不耐沖刷，應減小此間隙，但砂巖地層鉆進含砂量較高，過小易憋泵。綜上，卡簧座與鉆頭內臺階間隙選擇與傳統(tǒng)繩索取心相同，設置2~4 mm。在巖性硬度較高時，巖心耐沖刷同時巖屑較少，可適當增大此間隙。另外，為減小沖洗液對巖心的沖刷，選擇不帶水口的卡簧座。

繩索取心鉆具主要利用取心卡簧內徑逐漸變小的絲扣，在巖心的表面磨成絲紋，卡住巖心管的出口，使巖心易進不易出，在較堅硬和成巖較好的地層中鉆進時其采取率較高[19]，覆蓋層巖心膠結程度較低，卡取強度不牢，影響巖心采取率。

采取卡簧卡取聯合干鉆取心的技術，即回次終了后要停泵加壓鉆進 10~20 cm ，使巖心通過干鉆自卡[20], 然后提鉆。這樣解決了繩索取心卡簧卡取覆蓋層巖心不牢靠，采取率低的問題，結合了普通提鉆取心與繩索取心的卡取巖心的技術要點。干鉆取心推薦規(guī)程參數如表5。

表5 干鉆取心推薦規(guī)程參數

3 工程應用效果檢驗

在吉洮地1井覆蓋層應用常規(guī)110 mm硬質合金單管取心鉆進50 m，進尺較慢。巖性主要為亞黏土、砂礫巖、灰黑色泥巖、灰色粉砂巖、細砂巖、砂礫巖。應用單管取心工藝鉆探效率低、采取率達不到驗收要求。

現場設計應用階梯式硬質合金鉆頭、無固相沖洗液、調整鉆進規(guī)程參數與鉆具結構，硬質合金鉆頭繩索取心技術在吉洮地1井、吉白地1井覆蓋層鉆井中成功應用。兩鉆井覆蓋地層施工應用硬質合金繩索取心鉆進前后取得的生產效果對比見表6，所獲巖心樣品對比如圖2。兩鉆孔累計應用硬質合金繩索取心技術進尺約1 100 m，相比傳統(tǒng)單管/雙管提鉆取心方法，硬質合金繩索取心技術有以下以下幾方面的優(yōu)越性。

a.鉆進效率、巖心采取率、提鉆周期得到了大幅度提升，節(jié)約工期近30 d，大大降低了施工勞動強度。

b.減少了提下鉆次數，即減小因提下鉆對井壁穩(wěn)定性的影響，使得泵壓穩(wěn)定，很少出現憋泵現象。

4 結論

a. 所設計生產的硬質合金鉆頭，在鉆進砂巖、泥巖時，排粉效果良好，對巖心沖刷破壞小，具有較高的鉆進效率。

表6 生產效果對比表

圖2 巖心樣品對比圖

b. 利用正交試驗法得到了兩種適用于鉆進覆蓋地層的無固相沖洗液配方，具有較好的護壁、護心效果，能夠確保巖心及井壁質量良好、井底鉆具扭矩小、避免粘附卡鉆。按照沖洗液維護方案進行維護，能夠保證覆蓋地層鉆進及繩索取心工藝所需要的沖洗液性能。

c. 采取卡簧卡取聯合干鉆取心的技術，能夠保證繩索取心足夠牢靠，保證巖心采取率，采取率達90%以上。

d.本文研制出了適合工區(qū)覆蓋地層特征的硬質合金鉆頭、取心與卡心施工工藝、沖洗液配方，取得了較好的工程應用效果。受條件限制暫未考慮內外管間隙對施工工藝的重要影響，還應繼續(xù)研究解決鉆具起泥皮、巖心堵塞的問題，提高應用效果。

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Application of wire line coring technique in overburden drilling

LI Baijun, ZOU Run, GUO Chao

(Research Institute No. 240, CNNC, Shenyang 110032, China)

In order to improve the drilling efficiency of two oil and gas geological survey wells “Jitaodi 1” and “Ji Bai Di 1” in Baicheng area of Jilin Province, wireline coring technique was applied in overburden drilling. Based on the lithological characteristics of the drilled strata, combined with the technological characteristics of core extraction by lifting the drill pipe and wireline core extraction, by designing the bit, drilling flushing fluid and by improving drilling procedure parameters, drilling tool nozzle flow channel, the wireline coring drilling method has been successfully applied in drilling overburden strata(about 1 100 m thick). Compare with the traditional coring method of lifting single/double tube, drilling efficiency and core recovery of wireline coring increased by more than two times, the lifting drill pipe cycle raised to more than 2 days, the labor intensity is greatly reduced, the construction period is saved by nearly 30 days. This paper introduces in detail the improved method and construction experience of wireline coring technique in overburden drilling in Baicheng area, it has certain reference significance for the popularization and application of wireline coring technique in overburden drilling in the future.

Baicheng area; overburden; wire line coring; bit design; orthogonal test

1001-1986(2019)03-0217-06

P534.5

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.033

2018-08-12

李柏軍，1987年生，男，吉林九臺人，碩士，工程師，從事地質鉆探技術研究與管理工作. E-mail：303390464@qq.com

李柏軍，鄒潤，郭超. 繩索取心技術在覆蓋地層鉆井中的應用[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(3)：217–222.

LI Baijun，ZOU Run，GUO Chao. Application of wire line coring technique in overburden drilling[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：217–222.

(責任編輯 聶愛蘭)