提高巖心完整率的技術(shù)研究與措施

李長紅

（大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部，黑龍江 大慶 163000）

隨著石油鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展，鉆井取心技術(shù)也在不斷的發(fā)展和完善，石油行業(yè)對鉆井取心質(zhì)量的要求也在不斷提高。如今，巖心收獲率已經(jīng)不再是衡量取心質(zhì)量的唯一標(biāo)準(zhǔn)，另一個衡量巖心質(zhì)量的重要指標(biāo)——巖心完整率的意義逐漸凸顯出來。這一指標(biāo)為取心技術(shù)的進一步精細(xì)化、完善化提供了標(biāo)準(zhǔn)，指明了方向。

巖心完整率，是在取出的巖心中，只選其成柱形的、能合成柱形的及成圓形片狀的巖心，量出其總長度與本次進尺之比，用百分?jǐn)?shù)來表示。不能合攏在一起的破碎巖心、填充物和夾泥等，不計算在內(nèi)。

完整率：

其中：II是巖心完整率；L成柱形巖心是成柱形巖心的長度；L能合并成柱形巖心是能夠拼成柱形巖心的長度；L圓片形狀巖心是成圓片形狀巖心的長度；L進尺是取心鉆進時的總進尺。

1 提高巖心完整率的方案及措施

從巖心完整率的定義可以看出，要提高巖心完整率，就須要提高成柱形巖心的長度。通過研究發(fā)現(xiàn)，提高成柱形巖心長度的方案及措施有以下4 種。

1.1 降低取心鉆頭的回旋現(xiàn)象

回旋現(xiàn)象是在取心鉆進過程中，因取心工具與井壁之間有一定的間隙，當(dāng)取心工具及鉆具旋轉(zhuǎn)起來時，取心鉆頭與井壁之間的作用及運動軌跡就像是一組運動的內(nèi)行星齒輪機構(gòu)。取心鉆頭被不平衡切削力推向井壁，取心鉆頭與井壁之間會造成一個新的摩擦力。當(dāng)這個摩擦力達(dá)到足夠大時，就會讓取心鉆頭與井壁之間無相對滑動。那么，取心鉆頭此時的瞬時旋轉(zhuǎn)中心就不會再是取心鉆頭的幾何中心，而是取心鉆頭與井壁接觸的某個確定部位。在多數(shù)情況下，這個確定位置通常位于保徑處。取心鉆頭回旋原理見圖1。

圖1 鉆頭回旋原理示意圖

取心鉆頭回旋現(xiàn)象一旦發(fā)生就會很難停止，主要原因是取心鉆頭在回旋的同時會產(chǎn)生一個離心力，這個離心力將加劇取心鉆頭不斷推向井壁，從而產(chǎn)生更大的摩擦力，進而加劇回旋運動。即使是在轉(zhuǎn)盤鉆進的條件下，產(chǎn)生的這個離心力也大大高于靜態(tài)不平衡切削力。

取心鉆頭在井底的回旋現(xiàn)象會造成取心鉆頭在井底的不平衡運動，從而導(dǎo)致取心鉆頭切削齒與井壁進行直接碰撞破碎，造成進筒巖心破碎，最后誘發(fā)堵心，使巖心收獲率和完整率降低。

降低取心鉆頭在井底回旋現(xiàn)象最好的措施是在取心鉆頭上部加入近取心鉆頭扶正器，近取心鉆頭扶正器的外徑略小于取心鉆頭直徑，在取心鉆進過程中，因近取心鉆頭扶正器與井壁之間的間隙很小，因此近取心鉆頭扶正器可以有效地限制取心鉆頭的橫向振動，從而降低取心鉆頭在井底的振動作用，使得取心鉆頭回旋現(xiàn)象降至最低甚至被消除，達(dá)到提高巖心完整率的目的。

1.2 應(yīng)用低摩阻自潤滑陶瓷軸承

硬地層取心工具的內(nèi)筒是通過懸掛軸承懸掛在外筒的安全接頭上。內(nèi)筒下端的連接套懸掛在鉆頭上方，與鉆頭之間間隙為8～12 mm，因此，整個內(nèi)筒的重量及鉆進旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦阻力都作用在懸掛軸承上，在取心鉆進過程中內(nèi)筒不隨外筒旋轉(zhuǎn)。懸掛軸承通常采用鋼質(zhì)軸承，軸承用潤滑脂潤滑，在取心鉆進過程中，潤滑脂逐漸消耗，軸承滾子與軸承套之間的摩擦增大，滾子與軸承磨損逐漸加劇，當(dāng)磨損到一定程度，內(nèi)筒會隨外筒旋轉(zhuǎn)和振動，導(dǎo)致已進筒巖心的扭斷、振動破碎，破碎的巖心會堵塞在內(nèi)筒連接套與鉆頭之間，導(dǎo)致堵心，影響巖心的收獲率和完整率。

新型陶瓷軸承的抗研磨性能強、受力彈性小、抗壓力大、自重輕、摩擦系數(shù)小，并且陶瓷軸承的自潤滑性能好，大大地提高了內(nèi)筒懸掛的穩(wěn)定性，有效地防止了內(nèi)筒的旋轉(zhuǎn)和振動，降低了由內(nèi)筒振動導(dǎo)致的巖心破碎和堵心，提高了巖心收獲率和完整率。

1.3 應(yīng)用可切割鋁合金內(nèi)筒或者可切割玻璃鋼內(nèi)

筒代替鋼內(nèi)筒

硬地層取心工具的內(nèi)筒為可多次重復(fù)使用的鋼內(nèi)筒，在巖心出筒時將內(nèi)筒懸空吊起，然后通過榔頭敲擊鋼內(nèi)筒，使得巖心在施加的外力振動下從內(nèi)筒中滑出，在敲擊的過程中，巖心的微裂縫進一步破碎，導(dǎo)致巖心破碎成不規(guī)則的塊狀，大大減低了巖心的完整率，同時從內(nèi)筒掉出的巖心容易掉落在地上，與地面碰撞而破碎，而且很容易因出心過程混亂而造成的巖心順序錯亂，影響了巖心質(zhì)量。

采用可切割鋁合金內(nèi)筒或可切割玻璃鋼內(nèi)筒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼內(nèi)筒有兩點優(yōu)勢：

1）可切割鋁合金內(nèi)筒或可切割玻璃鋼內(nèi)筒的內(nèi)壁光滑，大大降低了巖心進筒的阻力，使得巖心更容易進入內(nèi)筒。

2）可切割鋁合金內(nèi)筒或可切割玻璃鋼內(nèi)筒可以隨巖心一起切割，可以起到保護巖心的作用，并隨巖心一起包裝，在巖心的運輸過程中也能保護巖心，有效防止巖心內(nèi)部微裂縫的進一步破壞。

1.4 優(yōu)化操作方法

通過現(xiàn)場統(tǒng)計與調(diào)查30 口已完成取心井時發(fā)現(xiàn)，在使用以往鉆進參數(shù)施工的30 口取心井中，雖然取心的平均機械鉆速有所提高，但發(fā)生巖心破碎和堵心現(xiàn)象的次數(shù)也大大增加了，其中發(fā)生巖心爪處堵心4 次，內(nèi)筒處堵心5 次，巖心破碎掉落9 次。通過研究發(fā)現(xiàn)，堵心是導(dǎo)致巖心完整率低的主要因素之一。

要降低取心過程中的堵心幾率，單純改進取心工具結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，優(yōu)化取心鉆進參數(shù)是關(guān)鍵因素，同時還有地層巖性及地層結(jié)構(gòu)因素。研究發(fā)現(xiàn)，不同的地層結(jié)構(gòu)、堅硬程度及巖性的地層中取心所使用的取心鉆進參數(shù)是有很大區(qū)別的，具體取心鉆進參數(shù)優(yōu)化應(yīng)該結(jié)合鉆進過程中所遇到的具體情況進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。比如在均質(zhì)致密砂巖或頁巖地層中可采用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓的鉆進參數(shù)；在鉆遇破碎地層、松散地層，或者鉆具振動較嚴(yán)重的地層時，則須要適當(dāng)降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，提高鉆壓。

同時還發(fā)現(xiàn)一個取心鉆進準(zhǔn)則，那就是在取心鉆進過程中，如果不增加鉆壓則無進尺，且鉆壓持續(xù)增大未見減小的情況時，可能發(fā)生了堵心，這種情況下，應(yīng)立即停止取心。

2 結(jié)論

1）巖心完整率的重要性越來越高，但影響巖心完整率的因素多種多樣，從前期的取心鉆進到后期的巖心地面處理，再到最后的巖心運輸，都可能是造成巖心完整率低下的原因。同時，人為因素也是影響巖心完整率的重要因素。

2）要提高巖心完整率，不僅要改進取心工具結(jié)構(gòu)，優(yōu)化取心鉆進參數(shù)，提高巖心后處理效率，同時還要提高取心技術(shù)人員素質(zhì)，在巖心運輸過程中要對巖心進行保護，做到輕拿輕放，全程采用減震材料進行保護。