螺桿取芯技術在深井破碎地層中的應用

呂殿臣

（天津地熱勘查開發設計院，天津300250）

天津市東麗區某井設計深度4100m，位于潘莊凸起構造區，地層以白云巖為主，地層裂隙發育且具有晶體雜質填充，巖石沿裂隙紋理易破碎。由3500m定深取芯6回次，每鉆進100m取芯進尺4m，取芯累計進尺不小于24m。完整地層取芯率達到70%以上，破碎地層取芯率大于40%。在取芯過程中鉆具稍有彎曲導致巖芯在鉆頭處斷掉，造成堵芯。通過使用螺桿提高轉數，加快鉆頭切入地層速度，使得巖石能夠在較短的時間進入取芯筒。同時，取芯鉆進的過程中盡量減小橫向作用力和鉆柱的離心力，最終取芯效果和質量顯著提高，這種深井取芯鉆具組合，不僅提高了復雜地層的巖芯采取率，而且在深井取芯鉆進中還能維護破碎地層的穩定。

1 取芯概況

1.1 取芯工具

取芯工具采用?152.4mm孕鑲金剛石取芯鉆頭（圖1）和?139mmKT140取芯筒（圖2），取芯筒上部和?127mm螺桿鉆具（圖3）相連接。取芯筒由內筒和外筒組成，內巖芯筒的作用是存儲及保護巖芯，取芯時巖芯順利進入內筒，防止泥漿沖刷巖芯；為了有效保護巖芯，其采用懸掛式滾動軸承裝置將內筒掛在外筒的頂部，取芯鉆進時內筒不轉。外筒的作用是承受鉆壓、傳遞扭矩帶動鉆頭旋轉及保護內巖芯筒，形成環狀巖芯柱。

圖1 孕鑲金剛石取芯鉆頭

圖2 KT140取芯筒

圖3 螺桿鉆具

?152.4mm取芯鉆頭+?139mm取芯筒+接頭+?127mm螺桿+?121mm鉆鋌+?89mm鉆桿+變徑接頭+?127mm鉆桿+方鉆桿。

1.2 取芯參數

鉆進參數：鉆壓10～40kN，轉速40r/min，排量14.75L/s，泵壓8.5～10MPa，扭矩140～190N·m。

泥漿性能：密度1.03～1.07g/cm3，粘度30～45s，失水14～22mL，pH7～10。

2 取芯工藝

2.1 鉆前準備工作

調整泥漿，使泥漿性能穩定、井眼暢通，井下無縮徑，無垮塌，無沉砂，起下鉆通暢無阻，能順利下鉆到底，密度按設計要求，粘度、切力適當。井口檢查螺桿鉆具是否正常使用，保證在取芯鉆進中地面設備與鉆具不發生問題。

2.2 下鉆

下鉆前保養好取芯筒，更換新的巖芯爪，調整內筒至鉆頭內臺階面間隙，保證懸掛總成和內筒上各道扣用鏈鉗上緊扣，保證內筒轉動靈活。鉆頭在地面手動帶緊扣后，在井口用液氣大鉗高速帶緊扣；巖芯筒入井時，必須在井口卡好安全卡瓦，防止滑脫落井。組裝好的取芯外筒在井口用大鉗逐一緊扣，并放入內筒檢查裝配間隙，調整間隙1～2cm。嚴格控制下放速度，以防水眼堵塞。下鉆操作要平穩，不得猛放、猛剎。復雜井段，起下鉆速度應控制，嚴防頓鉆。中途遇阻以沖為主，少劃或不劃眼，嚴重遇阻改用牙輪鉆頭通井劃眼至暢通為止。下鉆距井底一個單根高度，開泵循環，下放鉆具清洗井底。不允許用取芯鉆頭劃眼。下鉆遇阻不得超過2t，經上下活動不能下入時應開泵循環泥漿，用一沖二通的方法往下沖，禁止強行劃眼通過。

2.3 取芯鉆進

下鉆鉆頭離井底20～30m開泵，同進空轉鉆具，把外筒的泥餅等雜物甩掉，然后緩慢下放，沖洗井底。如不遇阻探井底方入，否則開泵沖劃眼到底，然后開泵90沖循環15min，觀察泵壓變化，待設備、泥漿一切正常，方可卸方鉆桿投球、小排量40沖送球到位。投球到位后下放開始樹芯，參數：鉆壓10～20kN，轉速40～70r/min，排量14.75L/s，樹芯進尺0.5m。取芯鉆進參數：鉆壓30～40kN，轉速40～70r/min，排量14.75L/s。樹芯至取芯過渡過程中，開始時應用10～30kN鉆壓，鉆進0.1～0.3m后緩慢加壓至正常鉆壓，必須逐漸加大鉆壓(12～15min內完成)。取芯鉆進時操作，送鉆均勻，不得溜鉆、中途停泵及提鉆等。隨時注意泵壓變化及巖屑出情況，分析井下情況，恰當掌握鉆頭使用時間。

2.4 割芯操作

鉆完取芯進尺4m后停止送鉆（不停泵），保持原轉速旋轉10min左右待懸重恢復后，上提鉆具。直接上提鉆具1.5～2.5m，懸重上升100～200kN后突然下降，說明巖芯已被割斷，可起鉆。割芯時若上提無拉力，應下放至原方入，轉動2～3圈，上提0.1～0.3m，磨芯10～20min，重復2～3次方可起鉆。若發現巖芯抽筒時，應緩慢下放鉆具，停泵套芯，再繼續鉆進0.2～0.3m，磨芯起鉆。

3 取芯成果

本井段共計取芯6回次，取芯段地層巖性均為薊縣系霧迷山組一二段，可鉆性較差，地層裂隙較多，破碎嚴重。累計進尺24.10m，巖芯有效長度為18.70m，取芯率為77.59%，采用螺桿取芯相對于常規取芯技術能夠達到滿意的效果，大大地提高了取芯率。見表1、圖4、圖5。

圖4 常規取芯成果

圖5 螺桿取芯成果

表1 取芯成果表

4 結語

綜上所述，深井破碎地層取芯技術，堵芯是目前難以解決的取芯技術難題。本工程施工采用螺桿鉆具取芯，和常規取芯技術相比，很好地避免取芯鉆頭和鉆具的旋轉和振動，保護本就破碎的巖芯，使其成為柱狀順利進入取芯筒，大大提高采取率，提高工作效率。該項目順利完工，為該類問題取得了豐富的經驗，對此類地層的深井取芯難題提供了參考和借鑒作用。