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(shù)研究院，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

在油田勘探階段，為了準(zhǔn)確對儲量進(jìn)行評估，需要開展各種分析化驗(yàn)工作，獲取準(zhǔn)確的儲量評估參數(shù)。根據(jù)儲量評估結(jié)果，制定合理開發(fā)方案。巖芯是地層中最直接的實(shí)物資料，可以對巖芯樣品進(jìn)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(shù)，實(shí)現(xiàn)對儲層的精細(xì)評價，準(zhǔn)確計(jì)算區(qū)塊儲量，以便制定合理的開發(fā)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(jié)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(shù)研究，開發(fā)淺層松散砂礫巖地層取芯工藝技術(shù)，對于保障取芯收獲率，達(dá)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(shù)現(xiàn)狀

2.1 淺層松散砂礫地層取芯面臨的問題

取芯施工實(shí)踐表明，淺層松散砂礫巖地層由于膠結(jié)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(dǎo)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(qiáng)度太低。②如果巖芯膠結(jié)性不好，同時巖芯中含有較多泥質(zhì)成分時，由于泥質(zhì)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(dǎo)致取芯困難。③由于松散砂礫巖地層膠結(jié)性差，巖芯樣品易碎，在取芯鉆井過程中振動，會導(dǎo)致巖芯樣品破碎。④取芯結(jié)束后上提過程中，受到應(yīng)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(guī)巖芯鉆探技術(shù)相對成熟，但我國目前采用的常規(guī)巖芯鉆探技術(shù)能夠滿足常規(guī)地層取芯巖芯鉆探的技術(shù)指標(biāo)和規(guī)范，地層膠結(jié)良好，巖芯質(zhì)量較好。對于松散地層，由于膠結(jié)差，巖芯很容易破碎，取出來的巖芯不成型，達(dá)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(xiàn)狀

在某油田致密油氣藏取芯過程中，下明代館陶組巖石結(jié)構(gòu)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(zhì)、泥質(zhì)成分，成分非均質(zhì)性強(qiáng)，膠結(jié)性差，在取芯過程中，礫石受到擠壓及攪動，導(dǎo)致破碎巖石進(jìn)入井眼環(huán)空，影響了機(jī)械鉆速。此外，破碎的礫石可能會進(jìn)入取芯內(nèi)筒，形成后續(xù)的巖芯，無法穿透巖芯管而被鉆出[2]。最后，砂巖在井筒內(nèi)分布不均勻，會堵塞取芯筒，導(dǎo)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(shù)指標(biāo)的因素較多。據(jù)分析，主要有以下幾點(diǎn)：①松散巖屑中的礫石會堵塞取芯筒，且不易發(fā)現(xiàn)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(jī)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(tài)發(fā)生改變，巖芯柱狀會發(fā)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(yán)重地影響了取芯收獲，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①巖芯在鉆進(jìn)過程中被泥漿侵蝕；②由于巖芯較為松散，鉆進(jìn)過程中少量巖石碎屑會流失到取芯筒外；③取芯達(dá)到一定程度后，進(jìn)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(xiàn)粒頂碾壓和堵塞現(xiàn)象，進(jìn)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(dǎo)致取芯收獲率降低。⑤由于松散地層機(jī)械鉆速較快，縱使發(fā)生取芯筒堵塞，鉆進(jìn)過程中也很難發(fā)現(xiàn)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(dāng)?shù)[石顆粒直徑較小時，在取芯過程中，礫石會進(jìn)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(xù)鉆速快，對于少量礫石的影響，鉆井參數(shù)變化不明顯，很難及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致不能及時采取措施改善取芯狀況，導(dǎo)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(jié)性較差，導(dǎo)致鉆頭鉆進(jìn)時受力不均勻，鉆具會發(fā)生抖動，鉆進(jìn)狀態(tài)不穩(wěn)定，由于振動較大，進(jìn)一步導(dǎo)致松散巖芯破碎，形成顆粒較多，顆粒在掉落到井底，被反復(fù)研磨成細(xì)碎顆粒，導(dǎo)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(dǎo)致鉆井工程異常情況出現(xiàn)。

3.2 改善措施

基于以上分析，為解決鉆芯新技術(shù)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(qiáng)對已開采礫石的評價。堵塞巖芯鉆進(jìn)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(dāng)?shù)[石直徑較小時，不超過5cm，在巖芯鉆進(jìn)過程中，巖芯鉆頭在井底基本能保持穩(wěn)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(zhì)膠結(jié)、松散，導(dǎo)致礫石在井底滾動，使巖芯難以磨削。在現(xiàn)場，松散砂巖封堵后，鉆孔時間等參數(shù)沒有明顯變化，評估難度大，失去取芯的最佳機(jī)會，封堵后造成磨削，導(dǎo)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(jié)現(xiàn)象。鉆芯時，鉆頭切削地層，受力極不均勻，鉆芯工具晃動重?fù)?，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(shù)的變化。

（2）降低巖芯承壓。當(dāng)巖芯具有良好的柱狀能力時，取芯易于成型且能保持穩(wěn)定，使芯順利進(jìn)入管道，芯運(yùn)行穩(wěn)定，易成型，但承壓能力差。在巖芯鉆孔中，當(dāng)材料達(dá)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(jìn)入筒體的松散砂巖實(shí)測長度由于自身重量的壓縮而比實(shí)際長度短。鋁合金的內(nèi)徑為110mm，鉆頭的內(nèi)徑為100mm，相應(yīng)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(yè)的另一大難點(diǎn)，因此在巖芯鉆探過程中應(yīng)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(wěn)定性。在實(shí)際鉆井操作中，幾乎沒有絕對垂直的鉆孔。另外，在進(jìn)行巖芯鉆孔時，工具的內(nèi)外圓柱上的壓力會不同，這意味著內(nèi)外圓柱不會在同一軸上產(chǎn)生周期。隨著巖芯工具的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)外圓柱之間的摩擦阻力會大大增加，往往超過內(nèi)圓柱與巖芯柱之間的摩擦阻力，使內(nèi)圓柱開始旋轉(zhuǎn)并對巖芯產(chǎn)生作用力。嚴(yán)重時會出現(xiàn)鐵芯斷裂，影響成芯率等技術(shù)指標(biāo)。為保證內(nèi)筒的穩(wěn)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(wěn)定性，提高內(nèi)筒巖芯的強(qiáng)度和芯的延展性，有利于提高取芯的技術(shù)指標(biāo)。

(4) 改進(jìn)常規(guī)取芯技術(shù)，減少對出鋼管芯部的損傷。當(dāng)取芯時因芯柱應(yīng)力狀態(tài)變化及外力影響，由于膠結(jié)強(qiáng)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(zhì)數(shù)據(jù)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(yīng)考慮采用特殊的核心防護(hù)技術(shù)，減少堆芯支柱應(yīng)力狀態(tài)的變化和堆芯作業(yè)對堆芯的破壞，以達(dá)到修復(fù)堆芯損傷的目的。

（5）設(shè)計(jì)合理的井身結(jié)構(gòu)。為了保證鉆井取芯安全，在取芯前應(yīng)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(shè)備工作正常，需要加強(qiáng)對鉆井設(shè)備的保養(yǎng)和維護(hù)，保證地面設(shè)備能夠正常工作，確保各項(xiàng)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(yù)定位置，要檢查鉆具和接頭水眼。要準(zhǔn)確判斷投球位置，提前安排好人員做好割芯的準(zhǔn)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(huán)鉆井液，不能強(qiáng)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(dǎo)致剪切內(nèi)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(yīng)小于30kN，鉆進(jìn)一段時間后，需要將鉆壓增加到正常鉆進(jìn)水平。當(dāng)?shù)貙訋r性松散時，一開始就要使用正常鉆壓鉆進(jìn)。避免鉆遇漏失層，出現(xiàn)放空現(xiàn)象。在送鉆過程中，要求均勻送鉆，不能溜鉆。鉆進(jìn)取芯過程中，要求不能停泵，要求連續(xù)鉆進(jìn)，避免上提下放。在取芯過程中，要關(guān)注鉆井工程參數(shù)變化，分析取芯情況，記錄下取芯數(shù)據(jù)，同時要時刻關(guān)注工程參數(shù)變化情況，分析井下情況，避免出現(xiàn)工程復(fù)雜情況，保障順利取芯。

在松散砂礫巖地層中，取芯鉆進(jìn)過程中，要時刻關(guān)注鉆井工程參數(shù)變化情況，如扭矩變化，控制合理的取芯進(jìn)尺，避免出現(xiàn)工程復(fù)雜情況。結(jié)合錄井預(yù)測的地層情況及鉆時數(shù)據(jù)，選擇合理的位置進(jìn)行割芯，保證井下安全，通常割芯位置在泥巖位置。在進(jìn)行割芯時，可以將鉆具上提一小段距離，同時要關(guān)泵，停止轉(zhuǎn)盤。

針對松散砂礫巖取芯情況，設(shè)計(jì)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(yè)。實(shí)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(xiàn)取芯工具的憋跳現(xiàn)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(jié)束語

在油田勘探過程中，巖芯樣品是重要的地層實(shí)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(yàn)、開展詳細(xì)的研究。巖芯樣品對油田的重要性不言而喻，加強(qiáng)對巖芯樣品的獲取，改進(jìn)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(shù)研究，改進(jìn)取芯工具，優(yōu)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?qū)崿F(xiàn)對松散砂礫巖地層連續(xù)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(qiáng)對鉆井工程參數(shù)分析、控制合理取芯進(jìn)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(xiàn)異常情況時，采取合理措施，避免出現(xiàn)工程事故。總之，通過優(yōu)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(fā)具有重要意義。