花頁7井取心工具優(yōu)選分析

王艷玲，付成林

1.中石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司（江蘇揚(yáng)州 225261）2.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院（江蘇揚(yáng)州 225000）

0 引言

花頁7井是江蘇油田部署在高郵凹陷內(nèi)坡帶花莊構(gòu)造區(qū)塊的一口預(yù)探井，設(shè)計井深4 275 m，主要目的是勘探阜二段Ⅱ、Ⅲ亞段，兼勘探Ⅳ、Ⅴ亞段頁巖含油性，落實深層頁巖油產(chǎn)能，明確勘探前景。該井位于高郵凹陷中東部，西與沙埝油田相鄰，北與瓦莊油田相鄰，處于較有利含油氣構(gòu)造帶，據(jù)鄰井花2 井、花X28 井、花頁1HF 井揭示，該區(qū)阜二段油藏品質(zhì)較好，油氣顯示活躍。

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計，該井要求全井長筒連續(xù)取心288 m，其中阜二段設(shè)計取心280 m，為江蘇油田首口針對阜二段地層全井段連續(xù)取心的頁巖油井。同時，由于取心井段地層破碎，易發(fā)生堵心、磨心等現(xiàn)象，導(dǎo)致單趟平均取心進(jìn)尺較少，取心效率低，取心難度大。

1 地層特點及取心難點

1.1 地層特點

高郵凹陷花莊地區(qū)上白堊統(tǒng)-新生界地層發(fā)育齊全，本井自上而下鉆遇地層依次為東臺組（Qd），鹽城組（Ny），三垛組（E2s），戴南組（E2d），阜寧組四段（E1f4）、三段（E1f3）、二段（E1f2）、一段（E1f1）[1-2]。區(qū)域地層南傾北抬，Ny 與E2s、E2d 與E1f 之間為區(qū)域不整合，E1f2泥頁巖裂縫發(fā)育。

高郵凹陷深凹內(nèi)坡帶E1f2泥頁巖厚度240～280 m，頂部和底部均發(fā)育較穩(wěn)定的泥巖隔層，自上而下細(xì)分為Ⅰ（泥脖子）、Ⅱ（王八蓋）、Ⅲ（七尖峰）、Ⅳ（四尖峰）、Ⅴ（山字形）5個亞段，E1f2泥頁巖儲層孔隙品質(zhì)從上至下呈向好趨勢，設(shè)計為全系統(tǒng)取心。

1.2 取心難點

根據(jù)鄰井花頁1 井、花101 井、銅頁1 井等多口井在阜寧組的取心資料分析，目前在阜二段取心主要存在以下技術(shù)難點[3-4]：

1）該段地層巖性脆性礦物含量高，地層易破碎，巖心在入筒后易產(chǎn)生應(yīng)力釋放，呈不規(guī)則分布，易堵心[5]。

2）該段巖心高角度縫、層理縫、層間剪切縫較為發(fā)育，部分小的巖心錯位易導(dǎo)致內(nèi)筒卡，巖心入筒阻力大，易造成進(jìn)心困難、磨心、堵心等復(fù)雜情況，影響取心進(jìn)尺[6]。

3）該段地層巖性非均質(zhì)性較強(qiáng)，不同井深之間的礦物組分含量差異大，取心過程中層間差異大，鉆時波動大，影響取心鉆速。

2 取心概況

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，本井累計取心45 次，總進(jìn)尺301.61 m，巖心總長281.16 m，平均巖心收獲率93.22%；其中阜四段取心1 次，取心井段3 384.37～3 386.42 m，小計1筒，進(jìn)尺2.05 m，心長1.81 m，收獲率88.29%；阜二段取心44 次，取心井段3 970.03～4 032.5 m、4 034.01～4 271.1 m，小計83 筒，進(jìn)尺299.56 m，心長279.35 m，平均單次進(jìn)尺6.81 m/次，平均收獲率93.25%。

花頁7 井阜二段取出的巖心以泥巖為主，隨深度增加顏色逐漸加深，從灰色泥巖轉(zhuǎn)至灰黑色泥巖，總體呈現(xiàn)塊狀構(gòu)造，存在多條高角度縫、垂直縫交錯和水平縫交錯，部分取出巖心如圖1所示。

圖1 花頁7井阜二段部分巖心

圖1中，①段巖心：深灰色泥巖，塊狀構(gòu)造，裂縫發(fā)育，帶有高角度縫和垂直裂縫；②段巖心：深灰色泥巖，塊狀構(gòu)造，裂縫不發(fā)育；③段巖心：深灰色泥巖，塊狀構(gòu)造，裂縫發(fā)育，見多條高角度縫貫穿巖心；④段巖心：深灰色泥巖，塊狀構(gòu)造，裂縫不發(fā)育；⑤段巖心：深灰色泥巖，塊狀構(gòu)造，上部發(fā)育高角度縫，下部裂縫不發(fā)育。

3 取心鉆頭對比

取心鉆頭是破碎巖石、形成巖心的關(guān)鍵工具，取心鉆頭的選擇合理與否將直接影響取心質(zhì)量與效率[7]，選擇適應(yīng)性更強(qiáng)的取心鉆頭可以有效提高取心速度和收獲率，帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。

PDC 取心鉆頭作為切削型鉆頭，主要通過切削齒在鉆壓和扭矩聯(lián)合作用下連續(xù)吃入剪切巖石，以達(dá)到破碎巖石、形成巖心的目的，其切削齒尺寸和齒形、空間結(jié)構(gòu)參數(shù)和水力結(jié)構(gòu)都直接影響著取心鉆進(jìn)的鉆速和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響鉆頭的破巖效果。通常小切削齒尺寸適用于硬地層，大切削齒尺寸適用于軟地層，而在鉆頭切削齒尺寸和冠部形狀確定后，布齒密度和數(shù)量就主要與刀翼數(shù)量有關(guān)，隨著刀翼數(shù)量增加，鉆頭攻擊性和機(jī)械鉆速降低，穩(wěn)定性則逐漸提高，可鉆性較好的軟地層切削深度大、機(jī)械鉆速高、對切削齒的損害小，通常采用較少的刀翼數(shù)量，而硬地層可鉆性差、機(jī)械鉆速低，對鉆頭切削齒的損害也相應(yīng)增大，通常采用較多的刀翼數(shù)和切削齒數(shù)量。

花頁7井取心先后采用了四刀翼、六刀翼、八刀翼3 種鉆頭，包含9 種不同的型號，不同刀翼數(shù)量和型號的取心鉆頭使用效果見表1、表2。

表1 不同刀翼數(shù)量取心鉆頭使用效果

表2 不同型號取心鉆頭使用效果

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可知，從刀翼數(shù)量上，六刀翼鉆頭平均收獲率最高，平均單趟進(jìn)尺和平均機(jī)械鉆速相對穩(wěn)定，綜合指標(biāo)表現(xiàn)最穩(wěn)定；四刀翼鉆頭平均單趟進(jìn)尺和平均機(jī)械鉆速最高，但平均收獲率最低；而相比于其他兩種，八刀翼鉆頭在取心進(jìn)尺、收獲率和機(jī)械鉆速上均不占優(yōu)勢。根據(jù)地層情況，花莊區(qū)塊阜二段易破碎泥頁巖大多為中軟至中硬地層，四刀翼鉆頭刀翼數(shù)量少,穩(wěn)定性較差，對破碎地層沖擊較大，易造成巖心破碎，影響取心收獲率；八刀翼鉆頭穩(wěn)定性較好，但切削能力和機(jī)械鉆速無法滿足地層要求；相比之下，六刀翼鉆頭刀翼數(shù)量和鉆時適中，取心時相對平穩(wěn)，不易反復(fù)切削，從而保證收獲率。

從鉆頭型號上，表2中PMC-164-8101b、PMC037-8100b 和PSC135-8101 只使用過1 次，參考意義不大，且存在兩種或兩種以上指標(biāo)低于平均值，應(yīng)用效果較差，此處不再納入統(tǒng)計。

根據(jù)表2，戴比特FLC1604G 四刀翼16 mm 齒鉆頭平均單趟進(jìn)尺較低，勝利PSC-164-8101 四刀翼16 mm 齒鉆頭平均收獲率較低，應(yīng)用效果較差，相比之下，戴比特和川克六刀翼8 mm齒鉆頭應(yīng)用次數(shù)最多，效果也較好。從不同型號鉆頭所對應(yīng)的刀翼齒徑來看，刀翼齒徑越大，對地層切削能力越強(qiáng)，機(jī)械鉆速也更高，但更易造成巖心破碎導(dǎo)致堵心。因此，對于阜二段中軟至中硬破碎地層，為防止巖心破碎、提高取心進(jìn)尺和收獲率，適合采用小齒徑取心鉆頭。

綜上，針對花莊區(qū)塊阜二段易破碎泥頁巖地層，采用戴比特和川克六刀翼8 mm 齒徑取心鉆頭，可提高工作穩(wěn)定性，有利于巖心成形，更適用于阜二段破碎地層取心。

4 取心筒對比

取心筒包括外巖心筒和內(nèi)巖心筒，其中外筒的作用是傳遞鉆壓扭矩，帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)和保護(hù)內(nèi)筒，以及在鉆進(jìn)過程中維持泥漿循環(huán)；內(nèi)筒的作用是儲存和保護(hù)巖心[8]。

取心鉆進(jìn)作業(yè)過程中，內(nèi)筒是否居中十分重要。若內(nèi)筒不居中，內(nèi)外筒接觸后外筒的振動將傳遞給內(nèi)筒，造成重復(fù)抖動使巖心磨損，嚴(yán)重時會震碎巖心導(dǎo)致內(nèi)筒堵塞，影響進(jìn)心；此外，內(nèi)筒不居中還會使內(nèi)筒彎曲，改變進(jìn)心軌跡，增大巖心與內(nèi)筒之間的阻力，進(jìn)而降低取心收獲率。為保證內(nèi)筒居中，通常在內(nèi)外筒連接處使用內(nèi)筒扶正接頭，以減少內(nèi)筒的擺動和彎曲，維持內(nèi)筒穩(wěn)定性。

4.1 取心筒型號對比

在江蘇工區(qū)常用取心筒型號有蘇Ⅲ型和勝利Y-8100型取心筒。蘇Ⅲ型取心筒本體外徑178 mm，內(nèi)壁厚、剛性強(qiáng)，內(nèi)筒上部連接懸掛接頭，底部坐于底軸承上，可以強(qiáng)制內(nèi)筒居中，穩(wěn)定性更強(qiáng)，適應(yīng)不同井斜的井，但由于剛性強(qiáng)，對井筒要求高，處理復(fù)雜難度大；勝利Y-8100 型取心筒本體外徑172 mm，外徑相對較小，對井筒要求不高，可靈活選擇使用襯筒，保護(hù)內(nèi)筒和巖心，其結(jié)構(gòu)簡單、便于保養(yǎng)，使用壽命也更長，但內(nèi)筒居中效果不好，易產(chǎn)生堵心、卡心現(xiàn)象。

花頁7 井阜二段44 次取心中先后使用勝利Y-8100型和蘇Ⅲ型取心筒，其使用情況見表3。

表3 蘇Ⅲ型和勝利Y-8100型取心筒取心效果

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)可知，勝利Y-8100 型取心筒平均單趟進(jìn)尺更高，平均機(jī)械鉆速快，但取心收獲率低；蘇Ⅲ取心筒雖單趟進(jìn)尺和機(jī)械鉆速低于Y-8100 型取心筒，但平均收獲率更高。經(jīng)分析，勝利Y-8100型取心筒對井筒要求低，更易適應(yīng)不同井徑，取心筒不易受外力變形，因而單趟進(jìn)尺高、機(jī)械鉆速快，但由于內(nèi)筒居中較差，取心過程中內(nèi)筒振動較為嚴(yán)重，易導(dǎo)致巖心破碎發(fā)生堵心，造成收獲率偏低。相比之下，蘇Ⅲ型取心筒內(nèi)筒坐于底軸承上，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可有效保證內(nèi)筒與鉆頭始終處于同一中心線，巖心更易進(jìn)入內(nèi)筒，防止了偏磨和碰撞巖心，從而提高了取心收獲率。從保證收獲率的角度，蘇Ⅲ型取心筒相比勝利Y-8100型取心筒更適用于破碎性泥頁巖地層。

4.2 取心內(nèi)筒材質(zhì)對比

內(nèi)筒材質(zhì)對內(nèi)筒強(qiáng)度和進(jìn)心阻力有著重要影響。內(nèi)筒常用材質(zhì)有鋼制和鋁合金，保形取心還可采用取心襯筒[9-10]。花頁7 井取心先后采用了鋁合金、鋼制和不銹鋼內(nèi)筒，其中不銹鋼內(nèi)筒使用次數(shù)較少且效果較差，此處不再進(jìn)行分析，鋼制和鋁合金內(nèi)筒使用效果見表4。

表4 不同材質(zhì)取心內(nèi)筒使用效果

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知，鋼制內(nèi)筒在平均單趟進(jìn)尺、平均機(jī)械鉆速、平均收獲率上均高于鋁合金內(nèi)筒。從材質(zhì)特性來看，鋼制內(nèi)筒具有優(yōu)秀的抗沖擊性能，在取心作業(yè)過程中可有效保護(hù)巖心的完整性，進(jìn)而保障取心收獲率；鋁合金內(nèi)筒內(nèi)壁光滑、進(jìn)心阻力小，同時便于組裝和運輸，但強(qiáng)度和硬度均低于鋼制內(nèi)筒，在取心過程中易產(chǎn)生變形、錯位造成卡心，影響取心質(zhì)量。在花頁7井實際使用過程中，曾2次出現(xiàn)鋁合金內(nèi)筒變形、錯位，導(dǎo)致鉆進(jìn)時進(jìn)心困難，影響出心，耽誤施工時效。

綜上，鋁合金內(nèi)筒可減少進(jìn)心阻力，但強(qiáng)度低，易發(fā)生變形，影響取心進(jìn)尺，同時耽誤時效，后續(xù)取心施工中建議采用鋼制內(nèi)筒。

5 取心鉆具組合優(yōu)選

從取心鉆頭的分析可知，鉆頭切削能力隨著刀翼數(shù)量的增加而下降，隨齒徑增大而增強(qiáng)，其中刀翼數(shù)量的多少起主要作用，在刀翼數(shù)量相同的情況下，齒徑8 mm 的鉆頭更能確保取心鉆進(jìn)過程的穩(wěn)定性。對于花莊區(qū)塊阜二段易破碎地層取心，四刀翼鉆頭對地層切削能力更強(qiáng)、破壞性大，易造成巖心進(jìn)一步破碎，影響收獲率；而八刀翼鉆頭切削能力較弱，導(dǎo)致機(jī)械鉆速偏低。因此，戴比特六刀翼（FLC0806G）或川克六刀翼（LS1663）8 mm 齒徑取心鉆頭更適用于花莊區(qū)塊阜二段易破碎地層。

從上文取心筒的分析可知，雖然蘇Ⅲ取心筒相比勝利Y-8100 型取心筒平均機(jī)械鉆速和平均單趟進(jìn)尺低，但由于其內(nèi)筒坐于底軸承上，可保證取心過程中內(nèi)筒與鉆頭始終處于同一中心線，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，有效防止因內(nèi)筒振動導(dǎo)致的巖心破碎和堵心，取心收獲率更高。同時配備強(qiáng)度高、不易變形的鋼制內(nèi)筒，可進(jìn)一步提高取心收獲率。

根據(jù)上述分析，得到最優(yōu)取心鉆具組合：戴比特六刀翼（FLC0806G）或川克六刀翼（LS1663）8 mm 齒徑取心鉆頭+蘇Ⅲ型取心筒+鋼制取心內(nèi)筒。在花頁7 井阜二段44 次取心過程中，該鉆具組合共完成25 次取心，累計進(jìn)尺180.47 m，累計心長169.42 m，平均收獲率93.88%，平均單趟進(jìn)尺7.55 m，平均機(jī)械鉆速達(dá)3.05 m/h，使用效果良好，見表5。

表5 花頁7井不同取心鉆具組合使用效果

6 結(jié)論與建議

1）針對硬、脆、碎性泥頁巖地層取心，建議使用類似戴比特FLC0806G 或川克LS1663 六刀翼8 mm齒徑的取心鉆頭，該類型PDC 取心鉆頭齒徑小、刀翼寬能提高鉆頭工作穩(wěn)定性，利于巖心成形。

2）推薦使用有通用底軸承的蘇Ⅲ型取心筒，以提高鉆進(jìn)過程穩(wěn)定性，增強(qiáng)對易破碎性地層適應(yīng)性，同時配合使用強(qiáng)度較高的鋼制內(nèi)筒，降低內(nèi)筒變形可能，提高進(jìn)尺。

3）對于蘇北盆地阜二段破碎地層取心，優(yōu)先選擇戴比特/川克六刀翼取心鉆頭+蘇Ⅲ型取心筒+鋼制內(nèi)筒取心工具組合，該組合穩(wěn)定性強(qiáng)，有利于提高取心進(jìn)尺和收獲率。

4）后續(xù)可進(jìn)一步加強(qiáng)對取心內(nèi)筒的研究工作，研制具有較高強(qiáng)度和內(nèi)壁光滑度的內(nèi)筒，在保證安全和穩(wěn)定性的前提下提高取心進(jìn)尺和收獲率。