浅谈松散砂砾岩地层钻井取芯工艺

张士超

（大庆油田钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163000）

1 概述

在油田勘探阶段，为了准确对储量进行评估，需要开展各种分析化验工作，获取准确的储量评估参数。根据储量评估结果，制定合理开发方案。岩芯是地层中最直接的实物资料，可以对岩芯样品进行含油分析、微观物理、薄片分析等，获取储层岩性、物性、电性、含油气性、可压性等参数，实现对储层的精细评价，准确计算区块储量，以便制定合理的开发方案。由此可见，岩芯样品对于油田勘探的重要性。浅层松散砂砾岩地层由于胶结性差、矿物颗粒松散、孔隙大、含水多、含大颗粒砾石等，取芯过程中易碎，取芯效果不好，岩芯收获率难以保证。开展取芯工艺技术研究，开发浅层松散砂砾岩地层取芯工艺技术，对于保障取芯收获率，达到取芯效果具有重要意义。

2 浅层松散、砂砾岩地层取芯技术现状

2.1 浅层松散砂砾地层取芯面临的问题

取芯施工实践表明，浅层松散砂砾岩地层由于胶结性差、矿物颗粒松散、孔隙大、含水多、含大颗粒砾石等，取芯过程中易碎，取芯效果不好，岩芯收获率难以保证。导致松散砂砾岩地层取芯难的原因有以下几种：①松散砂砾岩地层取芯不易成型，水泥强度太低。②如果岩芯胶结性不好，同时岩芯中含有较多泥质成分时，由于泥质成分中含有粘土矿物，容易水化膨胀，岩芯易变形，在钻井液冲刷下，岩芯易破碎、易塌陷，导致取芯困难。③由于松散砂砾岩地层胶结性差，岩芯样品易碎，在取芯钻井过程中振动，会导致岩芯样品破碎。④取芯结束后上提过程中，受到应力的影响，岩芯很容易破碎，取出来的岩芯不成型，无法选择完整岩芯。综上所述，虽然目前各种常规岩芯钻探技术相对成熟，但我国目前采用的常规岩芯钻探技术能够满足常规地层取芯岩芯钻探的技术指标和规范，地层胶结良好，岩芯质量较好。对于松散地层，由于胶结差，岩芯很容易破碎，取出来的岩芯不成型，达不到取芯目的[1]。因此，在取芯过程中，对于松散地层取芯仍然是一个难题。

2.2 浅层松散层状砂砾岩取芯现状

在某油田致密油气藏取芯过程中，下明代馆陶组岩石结构以砾岩砂岩和砂砾岩为主；砾石一般为3～80mm，较大的为80～110mm，分布不均。由于表层砂砾岩中含有砾石、砂质、泥质成分，成分非均质性强，胶结性差，在取芯过程中，砾石受到挤压及搅动，导致破碎岩石进入井眼环空，影响了机械钻速。此外，破碎的砾石可能会进入取芯内筒，形成后续的岩芯，无法穿透岩芯管而被钻出[2]。最后，砂岩在井筒内分布不均匀，会堵塞取芯筒，导致取芯收获率降低。

2.3 取芯影响因素分析

松散砂砾岩岩芯钻探过程中，影响采收率等技术指标的因素较多。据分析，主要有以下几点：①松散岩屑中的砾石会堵塞取芯筒，且不易发现堵塞，从而影响收获率；②地层松散，岩芯承载力低；③钻井取芯过程中，在机械破碎及振动影响下，岩芯会破碎；④岩芯出筒时，由于岩芯受力状态发生改变，岩芯柱状会发生改变从而破碎。

3 浅层松散、砂砾岩地层取芯突破

3.1 影响收获率的原因

在钻井取芯过程中，对于松散地层取芯一直难以有好的效果，松散地层岩芯柱状能力差甚至无柱状地层，严重地影响了取芯收获，主要表现在以下几个方面：①岩芯在钻进过程中被泥浆侵蚀；②由于岩芯较为松散，钻进过程中少量岩石碎屑会流失到取芯筒外；③取芯达到一定程度后，进水管芯在自重作用下塌陷，后期难以入芯、甚至不入管，有时会出现粒顶碾压和堵塞现象，进一步降低了粒收率。④由于岩芯较为松散，破碎的颗粒会堵塞取芯筒，导致取芯收获率降低。⑤由于松散地层机械钻速较快，纵使发生取芯筒堵塞，钻进过程中也很难发现异常，不能及时处理，影响了取芯收获率。

除了以上情况，岩石样品中砾石含量也影响取芯效果，对于少量的砾石样品，当砾石颗粒直径较小时，在取芯过程中，砾石会进入岩芯管，对取芯钻头影响不大，岩芯收获率有保障。对于砾石直径较大的情况（通常直径大于50mm），砾石受到积压，会堵塞爪，堵塞核芯。

由于地层较为松散，继续钻速快，对于少量砾石的影响，钻井参数变化不明显，很难及时发现，导致不能及时采取措施改善取芯状况，导致后期需要通过削磨方式解堵，使得取芯收获率降低。

对于砾石较多的情况，由于砾石颗粒直径差异较大，胶结性较差，导致钻头钻进时受力不均匀，钻具会发生抖动，钻进状态不稳定，由于振动较大，进一步导致松散岩芯破碎，形成颗粒较多，颗粒在掉落到井底，被反复研磨成细碎颗粒，导致取芯量减少。此外，较粗的砾石颗粒会堵塞岩芯爪，影响收获率。最后，大的砾石颗粒可能会导致钻井工程异常情况出现。

3.2 改善措施

基于以上分析，为解决钻芯新技术勘探过程中松散地层钻芯难的问题，可采取以下几个方面的措施：

(1) 加强对已开采砾石的评价。堵塞岩芯钻进井的位置在2 段包含砾石之间，但与砾石直径的大小不同，在井中保证砾石中的取芯率是一个很大的困难。偶尔的碎石间隔有多种情况，当砾石直径较小时，不超过5cm，在岩芯钻进过程中，岩芯钻头在井底基本能保持稳定，对取芯率基本没有影响。如果砾石直径大于5cm，钻孔底部的砾石受力不均匀，取芯工具容易晃动。同时，钻孔岩芯钻探段岩性为粘土质胶结、松散，导致砾石在井底滚动，使岩芯难以磨削。在现场，松散砂岩封堵后，钻孔时间等参数没有明显变化，评估难度大，失去取芯的最佳机会，封堵后造成磨削，导致采收率低。对于砾石砂砾岩层段，砾石直径不一，基本无胶结现象。钻芯时，钻头切削地层，受力极不均匀，钻芯工具晃动重击，碎砾石破碎后碎石滚磨，岩芯基本不形成，容易造成岩芯穿，难入桶，易卡芯。因此，在取芯时，要密切注意各种参数的变化。

（2）降低岩芯承压。当岩芯具有良好的柱状能力时，取芯易于成型且能保持稳定，使芯顺利进入管道，芯运行稳定，易成型，但承压能力差。在岩芯钻孔中，当材料达到一定程度时，下岩芯不足以克服上岩芯的自重。此外，由于岩芯承载能力低，进入筒体的松散砂岩实测长度由于自身重量的压缩而比实际长度短。铝合金的内径为110mm，钻头的内径为100mm，相应的后长减少也降低了钻芯的收获率。岩芯承载力不足是岩芯钻探作业的另一大难点，因此在岩芯钻探过程中应采用岩芯材料控制等方法，降低衬管中岩芯的承压，减少岩芯堵塞的可能性，提高核芯的收获率。

(3)提高刀具工作的稳定性。在实际钻井操作中，几乎没有绝对垂直的钻孔。另外，在进行岩芯钻孔时，工具的内外圆柱上的压力会不同，这意味着内外圆柱不会在同一轴上产生周期。随着岩芯工具的旋转，内外圆柱之间的摩擦阻力会大大增加，往往超过内圆柱与岩芯柱之间的摩擦阻力，使内圆柱开始旋转并对岩芯产生作用力。严重时会出现铁芯断裂，影响成芯率等技术指标。为保证内筒的稳定性，将钻具定芯装置置于岩芯钻具顶部，可有效提高岩芯钻具的稳定性，提高内筒岩芯的强度和芯的延展性，有利于提高取芯的技术指标。

(4) 改进常规取芯技术，减少对出钢管芯部的损伤。当取芯时因芯柱应力状态变化及外力影响，由于胶结强度差使得松散的地层很容易破裂，这会减少岩石样品的选择面积，降低地质数据的完整性。为了解决这个问题，取芯工艺使用冷冻保形取芯来贴合铝合金衬里。同时，应考虑采用特殊的核心防护技术，减少堆芯支柱应力状态的变化和堆芯作业对堆芯的破坏，以达到修复堆芯损伤的目的。

（5）设计合理的井身结构。为了保证钻井取芯安全，在取芯前应该短起下钻，要正确处理起下钻过程中的遇卡情况。要保持井眼清洁，避免落物掉入井底，造成卡钻等。要确保钻井设备工作正常，需要加强对钻井设备的保养和维护，保证地面设备能够正常工作，确保各项仪器仪表工作正常，确保井下安全。要合理控制钻井液性能，确保钻井液具有较好的滤失性、钻井液密度合理，既能保证钻井液具有较好的携砂性，还能保证钻井液具有较好的润滑性。要确保钢球能够下入预定位置，要检查钻具和接头水眼。要准确判断投球位置，提前安排好人员做好割芯的准备。在下钻过程中，要控制下钻速度，切忌猛放、猛刹。在下钻过程中，要注意遇阻情况，遇阻摩阻不能超过4t，遇阻后可以循环钻井液，不能强行划眼下钻，防止划出新井眼。钻具下钻到底后，要缓慢开泵，开泵泵压不宜太高，防止导致剪切内筒销钉，钻头下放到井底后，需要校正一下井深，并上提下放测算摩阻大小，并做好记录。在钻井取芯过程中，钻压不宜过大，通常钻压应小于30kN，钻进一段时间后，需要将钻压增加到正常钻进水平。当地层岩性松散时，一开始就要使用正常钻压钻进。避免钻遇漏失层，出现放空现象。在送钻过程中，要求均匀送钻，不能溜钻。钻进取芯过程中，要求不能停泵，要求连续钻进，避免上提下放。在取芯过程中，要关注钻井工程参数变化，分析取芯情况，记录下取芯数据，同时要时刻关注工程参数变化情况，分析井下情况，避免出现工程复杂情况，保障顺利取芯。

在松散砂砾岩地层中，取芯钻进过程中，要时刻关注钻井工程参数变化情况，如扭矩变化，控制合理的取芯进尺，避免出现工程复杂情况。结合录井预测的地层情况及钻时数据，选择合理的位置进行割芯，保证井下安全，通常割芯位置在泥岩位置。在进行割芯时，可以将钻具上提一小段距离，同时要关泵，停止转盘。

针对松散砂砾岩取芯情况，设计的取芯工具性能可靠，能够显著提升岩芯收获率，适用于松散砂砾岩地层取芯作业。实践表明，砂砾岩颗粒的大小、砾石含量多少对取芯收获率影响较大，且松散砂砾岩地层中，钻头与地层接触不均匀，受力也不均匀，容易出现取芯工具的憋跳现象，长时间工作后取芯工具易损坏，需要更换新的取芯工具。

4 结束语

在油田勘探过程中，岩芯样品是重要的地层实物资料，含有丰富的储层信息。各油田也重视对岩芯样品的获取及保存，建立起了庞大的岩芯库，储层各类宝贵的岩芯资料，方便分析化验、开展详细的研究。岩芯样品对油田的重要性不言而喻，加强对岩芯样品的获取，改进取芯工艺具有重要意义。针对松散砂砾岩地层，取芯难度大，岩芯收获率难以保证，通过针对性开展技术研究，改进取芯工具，优化松散砂砾岩地层取芯工艺，明显改善了松散砂砾岩地层取芯效果，能够实现对松散砂砾岩地层连续取芯，保证了岩芯收获率。为保证取芯过程中井下安全，需要加强对钻井工程参数分析、控制合理取芯进尺、改善钻井液性能，在确保井下安全同时，提升钻井取芯效率。同时在出现异常情况时，采取合理措施，避免出现工程事故。总之，通过优化松散砂砾岩地层取芯工艺，保证取芯收获率，获取珍贵的岩芯资料，对于油田勘探开发具有重要意义。