长筒取芯技术在松科三井泉头组地层的应用

李春林，程百慧，张绍先，张洪君

（1.大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413；2.大庆钻探工程公司钻井三公司，黑龙江 大庆 163413）

1 概述

松科三井是松辽盆地国际大陆科学钻探工程的最后一口井，该井补全了白垩纪陆相地质资料，对全面认识白垩纪温室气候时期陆地气候环境变化、陆地环境下大量有机质的埋藏过程和大规模陆相烃源岩的形成机制具有重要意义，二开取芯设计要求取全泉头组，岩芯收获率不低于95%。根据德深区块取芯井史资料分析，松科三井泉头组取芯有以下难点，一是二开裸眼段长，青山口组井壁易失稳，下钻时极易损坏取芯工具及岩芯爪；二是泉头组以大套的紫红色、灰绿色泥岩沉积为主，质硬性脆易破碎，易堵芯、掉芯[1-8]；三是大段连续取芯井眼轨迹控制难度大。针对以上难点，通过取芯工具、钻头、工艺措施的完善优化，形成一套硬脆破碎地层长筒取芯工艺技术，为松科三井泉头组取芯提供可靠的技术保障。

2 长筒取芯工具优化与改进

2.1 结构原理

取芯工具主要由安全接头总成、悬挂总成、内筒扶正系统、内外筒总成、取芯钻头及中、下节工具总成组成，如图1所示。取芯工具由内外双筒组成，外筒的作用是为取芯钻头切削破岩传递钻压和扭矩，内筒悬挂于外筒内部，外筒和内筒之间的环空间隙构成取芯钻进时钻井液循环通道。取芯前需循环钻井液清洗井底和内筒，钻井液通过内筒、内外筒之间的环空，最后流经取芯钻头再由井眼环空返出井筒，将井底的沉砂清洗干净。开始取芯时，从井口向钻具内投入一颗钢球，当钢球坐落到悬挂总成的球座时，内筒上部的通道即被封堵，此时内外筒的环空是钻井液唯一循环通道。当取芯工具的外筒带动取芯钻头旋转钻进时，经取芯钻头切削成柱状的岩芯克服岩芯爪的摩擦力进入内筒。取芯钻进结束后缓慢上提钻具，由于岩芯爪与岩芯之间有摩擦力，使得岩芯带动岩芯爪沿卡箍座的锥形面滑动并抱紧岩芯，最后将岩芯拔断。

2.2 技术参数

取芯工具总长28.5m，外筒规格∅180mm×∅144mm，内筒规格∅127mm×∅108.62mm，可取岩芯直径∅101mm，可取岩芯长度27m，取芯钻头规格∅215.9mm×∅101.6mm。

2.3 技术特点

2.3.1 增强内筒扶正以提高内筒运转稳定性，降低堵芯发生几率

保持内筒居中和稳定是实现长筒取芯的必要条件[9-10]。长筒取芯时，由于内筒长度增加，导致整体刚性降低，容易发生弯曲，岩芯进筒阻力增大，同时内筒的灵活性受到影响，容易受外筒带动而发生旋转，这些问题会造成岩芯的机械性损害，进一步导致堵芯情况的发生。因此长筒取芯时有必要配备内筒扶正机构（如图2所示）。扶正机构由上接头、滚柱、滚柱轴和下接头组成。四点内筒扶正机构能够使内外筒保持良好的同轴度，提高内筒整体刚性，防止内筒弯曲和倾斜，有利于长筒取芯顺利进行。由于内外筒之间环空间隙小，扶正机构采用六翼滚柱扶正设计，不影响钻井液循环，同时扶正效果好，滚柱轴承减小了内外筒之间的摩阻，降低了堵芯风险。

图2 内筒扶正结构示意图

2.3.2 研制堵芯报警系统，有效预防堵芯后磨芯的发生

在硬脆破碎地层取芯，或取芯钻遇裂缝时，堵芯风险较大，堵芯在判断上有一定的难度。堵芯后会导致磨芯，导致地质资料损失。为解决上述问题，研制了堵芯报警机构，如图3所示。工作原理为发生堵芯后岩芯会在内筒或岩芯爪处堆积，对内筒产生向上的推力，随着钻头继续钻入地层，推力逐渐增大，直至推动滑套克服弹簧力向上移动并遮挡部分钻井液通道，导致泵压升高，以此可以初步判断为堵芯；此时上提钻具，如果泵压降低，则可进一步确认为堵芯。堵芯后继而会导致磨芯，磨芯与地层硬度有关，堵芯报警机构可针对不同硬度的地层预先设置弹簧力，适用于不同硬度的地层。

图3 堵芯报警系统示意图

2.3.3 优化设计安全接头，满足事故处理要求

安全接头的作用是当发生卡钻时倒开安全接头的梯形螺纹后提出内筒和岩芯[11-13]，首先确保地质资料不会损失，余下外筒和其它部分可再通过打捞作业进行处理。安全接头的上接头和下接头之间采用梯形螺纹连接，通过“○”型密封圈密封，中间相隔摩擦环，摩擦环悬挂在上接头上。梯形螺纹抗拉强度高，卸扣扭矩小，所以梯形螺纹是工具抗反扭矩最薄弱点，倒扣时也最容易从此处倒开；同时下入匹配的打捞工具时梯形螺纹容易对扣，又具有足够的抗拉强度供打捞操作，安全接头总成结构如图4所示。

图4 安全接头总成示意图

2.3.4 研制专用井下投球机构，满足现场井控要求

松科三井位于德深区块，地层压力高，井控要求钻具接内防喷工具，因此不能在井口投球。针对这个问题，设计了井下投球机构，结构如图5所示。投球机构主要由本体、滑套、弹簧等零件组成，其工作原理是通过提高泵排量，增大钻井液对滑套的冲力，直至推动滑套克服弹簧力下行到位后，预先埋在本体壁孔里的钢球进入钻具后落入球座，即完成了投球动作。

图5 井下投球机构示意图

3 取芯钻头优选

应用专用地层分析软件对该区块临井测井数据（声波、伽马值）进行分析，判断出地层抗压强度、硬度、研磨性系数和地层可钻性级别[14-15]，综合考虑机速、寿命等因素，最终确定PDC取芯钻头，具体参数如表1所示。

表1 取芯钻头规格参数

4 工艺措施

4.1 施工参数

硬脆易破碎泥岩地层，钻压过大、转速过高、钻速过快、扭矩过大都易引起堵芯甚至磨芯，发生堵芯将大幅度影响取芯效率。因此，根据泉头组泥岩特性，采用低钻压、低转速、高排量“两低一高”的取芯参数，控制钻速、控制扭矩“双控”的方式施工，钻速控制在6min/m以上，扭矩不高于8kN·m。取芯参数见表2。

表2 取芯参数

4.2 井斜防控

松科三井为三开井身结构，二开段设计取芯进尺960m（840～1800m），井斜要求不超过5°，大段连续取芯的井斜防控是一大难点，为了满足该井地质设计及工程设计要求，根据井斜实测数据，调节螺扶数量及位置，设计四种钻具组合，达到大段连续取芯的目的，钻具组合包括三节无螺扶：∅215.9mm取芯钻头×0.3m+∅180mm 取芯工具×28.5m +∅178mm 钻铤×9 根9.2m+∅165mm 钻铤×3 根9.2m+∅127mm 加重钻杆×15根+∅127mm钻杆；三节单螺扶：∅215.9mm取芯钻头×0.3m+∅180mm 取芯工具×10m+∅214mm 螺扶×0.5m+∅180mmm 取芯工具×19m +∅178mm 钻铤×9根9.2m+∅165mm 钻铤×3 根9.2m+∅127mm 加重钻杆×15根+∅127mm钻杆；三节双螺扶：∅215.9mm取芯钻头×0.3m+∅180mm取芯工具×18m+∅214mm螺扶+∅180mm取芯工具×10m+∅214mm螺扶+∅178mm钻铤×9 根9.2m+∅165mm 钻 铤×3 根9.2m+∅127mm加重钻杆×15根+∅127mm钻杆；三节四螺扶：∅215.9mm取芯钻头×0.3m+∅214mm螺扶+∅180mm取芯工具×10m+∅214mm 螺 扶+∅180mm 取 芯 工 具×8m+∅214mmm螺扶+∅180mm取芯工具×10m+∅214mmm螺扶+∅178mm 钻铤×9 根9.2m+∅165mm 钻铤×3 根9.2m+∅127mm加重钻杆×15根+∅127mm钻杆。

5 现场应用情况

松科三井泉头组共取芯40筒，岩性为大段紫红色、灰绿色泥岩与灰色粉砂岩不等厚互层，第27 筒部分岩芯如图6 所示，取芯井段839.75～1844.32m，进尺1004.57m，岩芯收获率98.56%，收获率高于设计要求，高质量完成泉头组取芯；平均单趟进尺25.11m，平均机械钻速3.78m/h，提前纸上钻井周期28d完成二开段取芯，高效率完成泉头组取芯。泉头组取芯共使用2只钻头，单只钻头累计进尺达891m，因外保径齿复合片损坏而报废，创松辽盆地北部单只取芯钻头进尺纪录。其中第19、33筒发生堵芯，堵芯报警机构预防了堵芯后造成磨芯。松科三井泉头组取芯单趟进尺与机械钻速见图7。

图6 第27筒部分岩芯

图7 单趟进尺与机械钻速图表

取芯参数结合多种钻具组合，采用“小钻压”吊打，井斜角度基本与理论计算值相近（理论井斜=1000m×0.091°/30m=3.03°，实际井斜3.76°），达到优质井的要求，井斜变化详见表3。

表3 测深及井斜情况表

6 结论及认识

（1）“两低一高”取芯参数、“控压控速”施工方法、优化完善的长筒取芯工具及PDC取芯钻头，适用于松科三井泉头组地层取芯，机械钻速快，单趟进尺长，堵芯发生几率低，取芯效率高。

（2）增强内筒扶正可提高取芯工具运转稳定性，降低取芯工具旋转引起内筒摆动进而破坏岩芯柱，堵芯报警系统有效预防堵芯发现不及时造成磨芯，可有效提高取芯收获率。

（3）小钻压“吊打”配合钟摆钻具，可为大段长程连续取芯提供可靠保证，井斜防控效果佳。

（4）现场应用表明，硬脆破碎地层长筒取芯技术，优质、高效完成了松科三井泉头组取芯，为松辽盆地相似地层取芯提供了可靠依据，具有极高的推广价值。