對破碎地層取心預防磨心的認識與建議

段緒林， 卓 云， 郝世東， 馮 果

(中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司)

鉆井取心是獲得地層原始標本的唯一途徑，是了解地層巖性和儲層特性資料的最直接最可靠的手段。因此，鉆井中將取心收獲率的高低作為評價取心效果的唯一標準[1]。實踐表明 ，磨心是由于堵心、卡心后仍繼續鉆進引起的，磨心將使取心收獲率降低，嚴重時甚至損壞取心工具，引起井下復雜。如足201井龍馬溪組其中一筒取心進尺9 m，由于頁巖有機碳高，巖石破碎，出現嚴重磨心，使縮徑套被磨損，出井無巖心，巖心爪也掉于井底，使井下復雜化。因此為提高取心收獲率，對磨心的早期發現極其重要。

一、磨心形成的原因

1.堵心卡心引起磨心

正常取心，取心鉆頭會產生一定的波動扭矩，由于取心工具內筒上部采用軸承懸掛，下部無支撐，波動扭矩勢必會降低內筒穩定性，使內筒中破碎巖心失穩，碎巖心容易塞入巖心柱和巖心筒內壁之間,增大巖心進筒阻力。在取心鉆進過程中，鉆具的晃動加速了碎巖心的塞人，當堵塞阻力大于巖心柱的抗壓力，巖心破碎，不能繼續進入巖心筒，形成堵心[2]；高鉆壓易導致取心筒彎曲，取心筒彎曲后，將導致巖心柱的彎曲，扭曲的巖心將使得巖心人筒困難并易堵心[3]。堵心的嚴重程度取決于巖石的破碎度和鉆進參數的匹配度。受井斜、鉆壓、轉速等多方面的影響，內筒難以居中，鉆遇裂縫發育巖石，破碎巖心進入內筒困難，卡于巖心爪處，巖心進入內筒的通道被堵塞，形成卡心。

不論是堵心或卡心發生后，都會造成進心通道被堵塞，此時就有部分乃至全部鉆壓轉換為內筒與取心鉆頭喉部處巖心的摩擦力，當摩擦力大于內筒和內筒中巖心重量之和時，必然促使內筒上頂，但內筒上行受到懸掛軸承下端面限制，摩擦力就會直接作用在懸掛軸承上，使軸承運轉不靈活，迫使內筒跟隨外筒轉動，讓取心鉆頭喉部處的巖心與縮徑套和內筒中的巖心產生相互磨損，形成磨心。使巖心資料丟失。

2.懸掛軸承不靈活引起磨心

(1)取心工具入井前，未對懸掛軸承進行檢查、清洗、保養，在取心鉆進時軸承運轉不靈活，使內筒跟隨外筒轉動，引起磨心。

(2)懸掛軸承允許少量鉆井液通過，用于冷卻潤滑軸承，若鉆井液性能差，大量鉆屑會在軸承中堆積，使軸承發卡，內外筒同時轉動，引起磨心。

3.軸向間隙過小引起磨心

(1)縮徑套與取心鉆頭內臺階間隙調整過小，特別是采用川5、川6取心工具取心，施加鉆壓過大，外筒在高鉆壓作用下，壓縮距增加，使處于內筒下端的縮徑套與取心鉆頭內臺階接觸，內筒跟隨外筒轉動。

(2)取心鉆遇裂縫發育巖石，部分細小巖心在縮徑套與鉆頭喉部間不能被水馬力及時沖出鉆頭外，由于軸向間隙過小，細小巖心會卡于間隙處，使外筒帶動內筒跟隨轉動，引起磨心。

二、磨心的危害

1.降低巖心收獲率

不論是堵心、卡心，還是懸掛軸承不靈活引起的磨心，都會使取心鉆頭喉部處的巖心與內筒中的巖心和縮徑套產生對磨，磨心速度取決于鉆壓和巖心的破碎度。由于縮徑套與取心鉆頭喉部處巖心的相互對磨，將使巖心收獲率降低；當縮徑套最下端的喇叭口被磨損后，一旦上提鉆具，巖心爪會在上部巖心重力作用下掉井，內筒中的巖心有部分乃至全部掉于井底，不僅降低取心收獲率，還會使地質資料丟失。

2.巖心質量差

堵心后引起的磨心，將使內筒中不成柱狀的巖心在摩擦力作用下，巖心相互擠壓，形成碎塊緊密集聚于內筒中，使巖心出筒非常困難，需要榔頭猛力敲打內筒加厚部位才能抖出巖心，出筒巖心極為破碎，使破損巖心失去分析利用價值。

3.損壞取心工具

磨心開始后，施加在取心鉆頭上的鉆壓絕大部分轉移至內筒上，內筒會在壓力長時間作用下彎曲變形，損壞懸掛軸承，使縮徑套、巖心爪不能再次使用。

4.增長取心周期

磨心產生無效取心進尺，鉆速低，將使取心周期增加，提高鉆井成本。

三、磨心的預防

分析總結正常取心、堵心、卡心、磨心的參數變化特點，結合在多個構造破碎地層取心經驗，摸索總結出一套預防磨心提高取心收獲率的技術。

1.取心工具入井檢查

(1)內外筒不彎曲，不變形。

(2)懸掛軸承清潔，潤滑脂涂抹均勻，使其運轉靈活。軸承間隙不超過3 mm。

(3)根據所取地層巖石發育度，合理調整縮徑套與取心鉆頭內臺階的縱向間隙。

(4)左右搬動巖心筒，轉動靈活。

2.根據取心鉆進參數變化分析判斷

堵心、卡心后取心鉆井參數變化有很大區別。正常取心鉆進時，應記錄好各項原始鉆井參數，以便于出現堵心、卡心時作出準確判斷。

(1)堵心是由于內筒受工具穩定性的影響，內筒中破碎巖心失穩，碎巖心掉于巖心柱與內筒環空之間后，將增大巖心進入內筒阻力，施加在取心鉆頭上的鉆壓就有部分乃至全部消耗在內筒與巖心的摩擦阻力上，此時機械鉆速會逐步降低，持續送鉆鉆壓漲幅較大，同時由于鉆頭承受的壓力減小，扭矩得到降低。

所以判斷堵心的方法采用三逐步原則：①機械鉆速逐步降低；②鉆壓逐步上漲；③扭矩逐步下降。堵心可分為輕度、中度、重度三種情況，輕度堵心只會降低機械鉆速，仍可繼續取心鉆進；中度堵心不僅會降低機械鉆速，還會使內筒中巖心擠碎不成形。重度堵心會直接導致磨心。

(2)卡心是由于受井斜、鉆壓、轉速等多方面的影響，內筒難以居中，裂縫發育巖石被取心鉆頭切削后，結構發生變化，受泵壓和工具穩定性的雙重影響，細小巖心脫離巖心柱，大的塊狀巖心將發生偏移、錯位，被強行擠入縮徑套后，卡于巖心爪處，巖心通道被完全堵塞。

部分細巖心脫離巖心柱，必然會停留在縮徑套與鉆頭喉部之間，減小鉆井液流道面積，使立壓快速上升，同時由于碎巖心卡于巖心爪處，堵塞了巖心通道，大部分鉆壓從取心鉆頭上快速轉移至縮徑套處，鉆壓必然快速上漲，扭矩會快速下降，所以卡心的判斷依據就是三快速原則：①立壓快速上升；②鉆壓快速上漲；③扭矩快速下降。卡心比堵心的后果要嚴重得多，卡心后繼續鉆進，將直接導致磨心。

(3)磨心速度肯定比取心速度慢，最重要的一點就是，鉆壓從取心鉆頭轉移至縮徑套與取心鉆頭喉部的巖心之間，此時取心鉆頭受到的作用力極小，扭矩回到空轉扭矩狀態，所以判斷磨心的依據就是鉆速變慢，扭矩趨于平穩，其它參數無變化。

四、應用效果

新的預防磨心技術在高石梯、磨溪構造的燈影組、龍王廟組等破碎地層取心應用，獲得了較高的取心收獲率(表1)，這套新的技術已得到廣泛推廣使用。

表1 新技術取得的結果

五、結論及建議

(1)懸掛軸承運轉靈活，優質的鉆井液性能，是保證正常取心的首要條件。

(2)仔細分析對比正常取心、堵心、卡心、磨心的參數變化特點，發現鉆速、立壓、扭矩等參數出現異常時，立即采取措施，在巖心被磨損之前將取心工具提離井底。能大幅提高巖心質量和取心收獲率。

(3)建議深化研究，在現有基礎上提高取心工具內筒穩定性，減少堵心、卡心幾率，從而在保障收獲率的基礎上提高取心效率。