曹華慶，馮云春，楊以春，張彥超，王殿學

（1.中石化華東石油工程公司，江蘇 南京 210019；2.中石化東北油氣分公司，吉林 長春 130062）

0 引言

松遼盆地是疊置在古生代褶皺基底上，長約750 km、寬330~370 km呈菱形的大型中、新生代陸相沉積盆地。松遼盆地南部（以下簡稱松南）系指松遼平原嫩江、松花江及拉林河以南盆地部分，地跨吉林、遼寧、內(nèi)蒙古三省（區(qū)）［1］，大地構(gòu)造位置是嫩江—白城斷裂以東，開原—赤峰斷裂以北和伊通—依蘭斷裂以西的地域。陸相沉積盆地具有多物源性、多沉積中心、相帶窄、相變快、地層組分變化大的特點，盆地內(nèi)南部油氣田儲層鉆井取心時，泉頭組、登婁庫組、沙河子組碎屑巖地層以及營城組、火石嶺組的火山巖地層可鉆性差，單回次取心時PDC取心鉆頭適應性差、取心鉆時變化差異大、取心鉆速偏低，部分取心層段裂隙發(fā)育、含礫巖心成柱性差，起鉆過程中掉心嚴重，巖心收獲率和巖心對位率低，影響地質(zhì)資料準確性。為解決以上問題，通過對松遼盆地南部地層可鉆性分析和取心資料調(diào)研，對取心筒及其配件、取心鉆具組合進行了優(yōu)化，并對不同儲集層位的取心鉆頭開展了優(yōu)選或研制，形成了松南油氣田鉆井取心關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)場試驗取得了良好效果，大幅提升了該地區(qū)取心鉆速和巖心收獲率。

1 油氣田取心適應性分析

1.1 油氣田地層特點及取心現(xiàn)狀

根據(jù)烴源巖發(fā)育和生儲蓋層垂向分布特征，松南油氣成藏組合劃分為淺部、中部和深部3套成藏組合，各區(qū)塊油氣層埋深差別較大。

淺部油氣藏組合是以泉頭組2段、泉頭組3段及上覆河流相、淺水湖相的砂巖地層為儲集層，湖相泥巖為蓋層的成藏組合，埋深200~1500 m。淺部砂巖儲集層埋藏淺、物性好、孔隙度>10%。地層可鉆性級值3~4［2-3］。目前，松南油氣田淺部油氣藏一般不取心。

中部油氣藏組合是以登婁庫組和泉頭組1段扇三角洲、三角洲相砂巖為儲集層，淺水湖相泥巖為蓋層的成藏組合，此油藏組合埋深變化較大，一般埋深在1500~2500 m，登婁庫組最大埋深為2900 m，中部儲集層以含礫中粗砂巖、中細砂巖為主，孔隙度8%~22%，全巖X衍射定量分析表明，石英含量56%~61%、粘土含量<5%（見表1），地層可鉆性級值6~8級。登婁庫組一般作為主力油氣層的輔助取心層位，基本在直井段取心，一般使用川7-5取心筒配合PDC取心鉆頭，適應性尚好，近3年有4口井在登婁庫組取心，平均巖心收獲率95.8%。

表1 全巖X-射線衍射定量分析結(jié)果Table 1 Quantitative analysis of the whole rock with X-ray diffraction

深部油氣藏組合是以火石嶺組、沙河子組、營城組深湖—半深湖相沉積巖為烴源巖和蓋層，水下扇、扇三角洲砂體為儲層構(gòu)成的近烴源自生自儲式成藏組合，為油氣田主力油氣層，也是主要取心層位。此油藏組合埋深>1600 m，一般在2500 m以深，有部分區(qū)塊火石嶺組缺失（如DB14井）或鉆井未揭示［4］。深部儲集層以砂礫巖、含礫中粗砂巖和中細砂巖為主，其中營城組和火石嶺組為火山巖儲層［5-6］，非均質(zhì)性明顯，自生石英填充大部分孔隙和裂縫，孔隙度4%~16%（多數(shù)小于10%），石英和長石含量53%~90%、粘土含量10%~30%，地層可鉆性級值7~10，部分區(qū)塊大于10。頁巖油氣取心層位為營城組1段和沙河子組2段，一般為大段泥頁巖連續(xù)取心，是自生自儲的頁巖油氣層?；鹗瘞X組、沙河子組、營城組取心，通常以川7-5或川8-4取心筒配合PDC取心鉆頭，對于連續(xù)取心的情況，也采用川7-5雙筒取心；取心在?215.9 mm井眼居多，少數(shù)在? 311.2 mm井眼，在取心進尺、取心鉆速、巖心收獲率、巖心對位率等指標上參差不齊。上述層位普遍裂縫發(fā)育，取心過程中易破碎，成柱性差，在定向井取心占據(jù)一定比例的情況下，更容易發(fā)生堵心、磨心甚至掉心；另外，由于地層的差異性，單一的PDC取心鉆頭適應性不足，存在機械鉆速低、進尺少、磨損嚴重等問題。

部分預探井為確認地層，在基底地層進行鉆井取心，以確定所鉆地層巖性和層位。基底巖性一般為前震旦系花崗片麻巖、云母長石石英片巖、石英片麻巖、千枚巖等，牙輪和PDC適用巖石的可鉆性級值均普遍大于10。基巖取心較少，基巖的強度高、研磨性強、可鉆性差，常規(guī)PDC取心鉆頭易崩齒、先期損壞，所以一般選擇孕鑲齒或天然金剛石取心鉆頭，但機械鉆速偏低，平均不足1 m/h。

1.2 取心技術(shù)難點

通過分析松南油氣田取心現(xiàn)狀和匯總多口勘探和評價井儲集層取心資料，目前取心主要存在以下技術(shù)難點：

（1）常規(guī)取心工具在定向井中取心易引起堵心和磨心，巖心收獲率和對位率低。

（2）松散、破碎、成柱性差的地層取心，起鉆過程中易掉心，巖心收獲率低。

（3）?311.2 mm井眼內(nèi)取心，使用?215.9mm常規(guī)尺寸取心鉆頭、取心筒取心，易導致巖心卡箍在內(nèi)筒下部的縮徑接頭內(nèi)歪斜，形成卡心，取心進尺少和巖心收獲率低。

（4）取心鉆頭型號單一，與取心地層的巖石可鉆性針對性差，導致鉆頭磨損嚴重，取心機械鉆速低。

2 取心筒選型和取心鉆具組合優(yōu)化

2.1 取心筒選型

復雜地層取心鉆進時，巖心卡堵主要發(fā)生在2個位置，一是取心鉆頭內(nèi)臺階與內(nèi)筒下端卡簧（巖心爪）及軸向間隙之間；二是巖心與內(nèi)筒之間的某一位置［7］。松南儲集層取心一般使用適合于直井取心的川式常規(guī)取心筒，在定向井取心過程中，由于重力作用，內(nèi)筒在外筒內(nèi)不居中，二者互相接觸，導致內(nèi)筒無法正對取心鉆頭喉部，裂縫發(fā)育巖石被取心鉆頭切削后，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，受泵壓和取心工具渦動的雙重影響，細小巖心脫離巖心柱，大的塊狀巖心將發(fā)生偏移、錯位，卡于巖心爪處［8］，不能順利進入內(nèi)筒，造成卡心、堵心，導致引心困難。巖心卡堵現(xiàn)象在破碎地層中極為常見，是導致機械鉆速和回次進尺銳減、巖心嚴重自磨耗損的根本原因［9］。

經(jīng)比選，使用適合于大斜度井、定向井取心作業(yè)的DJQ172-101型取心筒，該取心筒在常規(guī)川7-5取心筒的基礎(chǔ)上加以改進。改進的方式是在內(nèi)筒與連接套之間安放了滾珠支承節(jié)（見圖1），此支承節(jié)是內(nèi)筒在取心筒內(nèi)的下支撐點，確保內(nèi)筒處在外筒內(nèi)部的居中位置，內(nèi)筒始終正對取心鉆頭的喉部，引心時巖心順利進入內(nèi)筒并得到保護。

圖1 內(nèi)筒支承節(jié)Fig.1 Inner barrel bearing joint

2.2 破碎地層巖心爪選型

松南油氣田營城組及以下地層成柱性較好，使用常規(guī)的摩擦式彈簧卡箍巖心爪可以確保巖心收獲率。但是龍鳳山區(qū)塊營城組的松散礫巖取心，地層膠結(jié)差、巖心破碎，起鉆過程中巖心易掉落，造成巖心收獲率和巖心對位率低。

此類地層取心選用與川式取心筒相配合的卡板巖心爪（見圖2），可以解決此問題?？ò鍘r心爪適合膠結(jié)差、松散礫巖地層取心，卡板巖心爪割心機構(gòu)可以封閉內(nèi)徑為?75 mm的巖心。取心鉆鉆達到設(shè)計進尺后，停止施加鉆壓，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤20~30 min，利用取心鉆頭的切削內(nèi)刃擺動將巖心磨出1圈凹槽，然后逐步恢復取心鉆進參數(shù)，繼續(xù)取心0.13 m后，卡板巖心爪的卡板張開卡入巖心凹槽，停止旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤、緩慢上提鉆具，卡板刀翼在凹槽處緩緩張開后，進行相應割心操作［10-11］。

圖2 卡板巖心爪Fig.2 Core lifter with the snap-gauge

2.3 取心鉆具組合優(yōu)化

根據(jù)理論計算和從下部鉆具組合穩(wěn)定性考慮［12-14］，推薦取心鉆具組合為：?215.9 mm取心鉆頭+?172 mm DJQ172-101取心筒+?165 mm螺旋鉆鋌6~9根+?127 mm加重鉆桿9根+?127 mm鉆桿。這種帶螺旋鉆鋌的取心鉆具組合在井下工況穩(wěn)定［13-14］，可降低PDC取心鉆頭鉆進過程中發(fā)生的制動和渦動，消除鉆進軟硬互層地層引起的鉆柱扭矩波動、制動和失速，提高PDC取心鉆頭的工作穩(wěn)定性。減少由于鉆頭回旋導致的下部鉆具回轉(zhuǎn)而引起的取心筒回轉(zhuǎn)，減少巖心破碎、形成堵心等情況的發(fā)生。

在松南區(qū)塊上部二開井段?311.2 mm井眼內(nèi)取心，使用常規(guī)的?215.9 mm取心鉆頭配合?172 mm取心筒取心時，由于井眼尺寸與取心工具外徑之間的間隙較大，在引心時易導致巖心卡箍在內(nèi)筒下部的縮徑接頭內(nèi)歪斜，形成卡心，引發(fā)磨心。根據(jù)實鉆經(jīng)驗，推薦使用的取心鉆具組合為：?215.9 mm取心鉆頭+?172 mm DJQ172-101取心筒+?165 mm螺旋鉆鋌1根+?298 mm穩(wěn)定器+?165 mm螺旋鉆鋌（9~12）根+?127 mm加重鉆桿9根+?127 mm鉆桿，確保取心鉆具組合在井眼內(nèi)居中度，引心工程參數(shù)為：鉆壓10~20 kN、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min、排量18~20 L/s。引心進尺1.00 m以上，再使用正常的取心參數(shù)取心，可以避免引心時的卡心和磨心，達到取心進尺多和巖心收獲率高的效果。

3 取心鉆頭的優(yōu)選

根據(jù)取心層位地質(zhì)特征和可鉆性級值優(yōu)選了不同型號的系列取心鉆頭，解決常規(guī)儲集層的取心技術(shù)難題。針對極難鉆地層研制的個性化PDC取心鉆頭，解決了極難鉆地層取心機械鉆速低的問題，形成了松南油氣田取心鉆頭系列。

3.1 取心鉆頭PDC齒尺寸選擇原則

目前松南油氣田鉆井施工，大部分使用“螺桿+PDC鉆頭”的模式，由于探井的地質(zhì)資料相對較少，取心鉆頭PDC齒的尺寸和個性化選擇主要依據(jù)是全面鉆進的PDC齒尺寸減小1級來選擇。因為PDC齒尺寸不同，其曲率大小不同，在相同鉆壓下，曲率半徑小的齒產(chǎn)生的點載荷越高，PDC齒吃入地層的能力越強；在相同的吃入深度下，曲率半徑越大的齒，破碎巖石的體積越大。取心鉆進時鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)速都明顯低于全面鉆進時的參數(shù)，因此需要更高點載荷尺寸的切削齒，才能獲得更高的機械鉆速。

切削齒排布優(yōu)化上，采用NCS布齒結(jié)構(gòu)或副切削齒設(shè)計，形成不同曲率、不同層次的切削結(jié)構(gòu)，提高鉆頭的受力均衡性及工作穩(wěn)定性，防止PDC切削齒的加速磨損；同時，優(yōu)化切削齒后傾角設(shè)計，在相同的鉆壓和扭矩下，后傾角越小的鉆頭，鉆進速度越快［15］。

3.2 常規(guī)儲集層取心鉆頭優(yōu)選

根據(jù)全巖X衍射定量分析數(shù)據(jù)和實鉆資料證明，松南油氣田取心的儲集層石英和長石含量高、粘土含量相對較低，為硅質(zhì)不分散硬脆性地層，取心鉆頭無泥包現(xiàn)象。因此取心鉆頭的選型主要依據(jù)儲層沉積環(huán)境、物性、可鉆性、充填物的巖性來選擇。參見表2。

表2 地層可鉆性級值與取心鉆頭參數(shù)對照Table 2 Drillability extreme value vs coring bit parameters

泉頭組的儲集層以細砂和粉砂巖為主，物性條件較好，結(jié)合巖石可鉆性級值3~4，選擇16 mm齒、6刀翼、高負前角設(shè)計的取心鉆頭，如GC506 T型［16］。

登婁庫組的儲集層以含礫細砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，儲層物性相對一致，鈣質(zhì)和泥質(zhì)夾層少，結(jié)合巖石可鉆性級值6~8，選擇13 mm齒、6刀翼、中負前角設(shè)計的取心鉆頭，如GC406T、MC13124型。

營城組、沙河子組和火石嶺組的儲集層以中砂巖、礫巖、粗砂巖和火山巖為主，巖性一般較粗，鈣質(zhì)夾層多、泥質(zhì)含量低，結(jié)合巖石可鉆性級值7~10，選擇8 mm齒、8刀翼、低負前角設(shè)計的取心鉆頭，如GC315、GC315M、GC315M-Ⅱ型取心鉆頭。

3.3 其它層位取心鉆頭優(yōu)選

3.3.1 泥頁巖取心鉆頭優(yōu)選

取心層位主要以營城組1段Ⅰ亞段的灰黑色泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，含粉砂質(zhì)泥巖條帶，巖性致密。梨頁1井泥頁巖取心時，結(jié)合地層特點，借鑒南方非常規(guī)頁巖氣取心經(jīng)驗，選用成熟的GC315M型取心鉆頭連續(xù)取心10回次，取心進尺180.34 m，巖心長180.34 m，巖心收獲率100%，平均機械鉆速3.54 m/h。

3.3.2 基巖取心鉆頭研制

基巖取心地層，巖性為前震旦系花崗片麻巖、云母長石石英片巖、石英片麻巖、千枚巖為主，巖石可鉆性級值>10。選用8 mm齒、12刀翼、低負前角設(shè)計的取心鉆頭GC315M-Ⅲ或新研制的G506-BZ（異型奔馳齒和進口PDC混布）型取心鉆頭，2口井共取心3回次，取心進尺18.30 m，巖心長18.30 m，巖心收獲率100%，平均機械鉆速2.01 m/h，遠高于早期使用孕鑲?cè)⌒你@頭的機械鉆速（0.40~0.70 m/h）。

營城組、火石嶺組和基巖地層巖石硬度高，可鉆性極差，以往在該段取心時都是采用孕鑲?cè)⌒你@頭或天然金剛石取心鉆頭，機械鉆速慢、取心周期長，導致巖心長時間在鉆井液中浸泡，容易被污染及水化散碎。針對上述問題，研發(fā)設(shè)計了一種適用于基巖地層取心的PDC鉆頭（見圖3）。該鉆頭設(shè)計了12個刀翼，在鉆頭冠部布置了12個刀翼；6個刀翼上分別布置3顆13 mm“奔馳齒”，優(yōu)選后傾角為17°，另外6個刀翼上分別布置2顆13 mm斧型齒，優(yōu)選后傾角為15°；每個刀翼布置一條R6的高壓水道；頂部刀翼之間設(shè)置面槽，側(cè)面各刀翼之間設(shè)置有排屑槽；面槽和排屑槽相連；鉆頭本體的內(nèi)徑處設(shè)置高壓內(nèi)水道。主要解決目前常規(guī)取心鉆頭在火山巖和基巖地層取心鉆進時，切削齒崩損嚴重、鉆頭使用壽命短、機械鉆速低等問題，通過優(yōu)化冠部形狀、優(yōu)選切削齒齒型和切削齒參數(shù)更容易吃入火山巖硬地層，有利于提高切削效率，通過優(yōu)化內(nèi)外保徑，保證巖心的質(zhì)量，便于巖石力學分析的完整性。該取心鉆頭定名為G506-BZ。

圖3 G506-BZ取心鉆頭Fig.3 G506-BZ coring bit

4 現(xiàn)場應用

4.1 取心鉆具組合優(yōu)化

梨8井是松遼盆地東南隆起區(qū)斷陷的一口預探井，在該井?311.2 mm井眼登婁庫組取心過程中，使用?215.9 mm取心鉆頭+?172 mm DJQ172-101取心筒＋?165.1mm鉆鋌×8根＋?127 mm加重鉆桿×10根＋?127 mm鉆桿的鉆具組合，由于卡心，取心進尺只有2.04 m，分析認為是取心筒與井眼環(huán)隙偏大、下部鉆具居中度差導致的卡心。因此，改用鉆具組合為：?215.9 mm取心鉆頭+?172 mm DJQ172-101取心筒+?165 mm鉆鋌×1根+?298 mm穩(wěn)定器+?165 mm螺旋鉆鋌（9~12）根+?127 mm加重鉆桿×9根+?127 mm鉆桿，連續(xù)2回次取心，進尺17.00 m，巖心長17.00 m，巖心收獲率100%。

在殷東1井?311.2 mm井眼井斜22.5°的井況下，使用上述鉆具組合進行雙筒取心，取心井段2270.02~2284.76 m，進尺14.74 m，巖心長14.74 m，巖心收獲率100%。

4.2 G506-BZ鉆頭現(xiàn)場應用

部署在松南區(qū)塊的十屋17井沙河子組、火石嶺組和東深2井營城組試驗奔馳齒G506-BZ取心鉆頭配合DJQ172-101取心筒取心4回次，取心進尺32.00 m，巖心長32.00 m，巖心收獲率100%，機械鉆速穩(wěn)定。與優(yōu)選前取心數(shù)據(jù)相比，G506-BZ取心鉆頭效果明顯，見表3。

4.3 卡板巖心爪現(xiàn)場應用

龍鳳山區(qū)塊部分營城組地層松散、膠結(jié)差，巖心比較破碎，起鉆過程中巖心易掉落，造成巖心收獲率低。針對這一問題，北220-1井營城組取心使用卡板巖心爪，較使用彈簧卡箍巖心爪的北210-2井取心巖心收獲率有大幅提高，見表4。

表3 G506-BZ取心鉆頭現(xiàn)場應用情況對比Table 3 Field application of G506-BZ coring bit in various wells

表4 北210-2井、北220-1井取心情況Table 4 Coring records for Bei 210-2 well and Bei 220-1 well

4.4 小結(jié)

通過應用上述油氣田儲集層取心關(guān)鍵技術(shù)，在19口井進行52回次取心的現(xiàn)場應用，取得了平均巖心收獲率98.98%、平均機械鉆速3.24 m/h、最高機械鉆速6.03 m/h的應用效果。

5 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)儲集層地質(zhì)特征和可鉆性級值，優(yōu)選了不同型號的系列取心鉆頭以及取心筒，優(yōu)化了取心鉆具組合，解決了松南油氣田常規(guī)儲集層的取心技術(shù)難題。

（2）松南油氣田部分膠結(jié)弱、成柱性差、松散礫巖層、巖心破碎層位取心，使用卡板巖心爪可以保證巖心收獲率達到98%以上。

（3）新研制的G506-BZ取心鉆頭，可以大幅度提高火山巖和基巖的機械鉆速，配合川式系列取心工具取心可以獲取高巖心收獲率和高質(zhì)量的巖心資料。