花頁7井取心工具優選分析

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（江蘇揚州 225261）2.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院（江蘇揚州 225000）

0 引言

花頁7井是江蘇油田部署在高郵凹陷內坡帶花莊構造區塊的一口預探井，設計井深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造帶，據鄰井花2 井、花X28 井、花頁1HF 井揭示，該區阜二段油藏品質較好，油氣顯示活躍。

根據地質設計，該井要求全井長筒連續取心288 m，其中阜二段設計取心280 m，為江蘇油田首口針對阜二段地層全井段連續取心的頁巖油井。同時，由于取心井段地層破碎，易發生堵心、磨心等現象，導致單趟平均取心進尺較少，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

高郵凹陷花莊地區上白堊統-新生界地層發育齊全，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]。區域地層南傾北抬，Ny 與E2s、E2d 與E1f 之間為區域不整合，E1f2泥頁巖裂縫發育。

高郵凹陷深凹內坡帶E1f2泥頁巖厚度240～280 m，頂部和底部均發育較穩定的泥巖隔層，自上而下細分為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從上至下呈向好趨勢，設計為全系統取心。

1.2 取心難點

根據鄰井花頁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，巖心在入筒后易產生應力釋放，呈不規則分布，易堵心[5]。

2）該段巖心高角度縫、層理縫、層間剪切縫較為發育，部分小的巖心錯位易導致內筒卡，巖心入筒阻力大，易造成進心困難、磨心、堵心等復雜情況，影響取心進尺[6]。

3）該段地層巖性非均質性較強，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

根據現場施工情況，本井累計取心45 次，總進尺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，進尺299.56 m，心長279.35 m，平均單次進尺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，從灰色泥巖轉至灰黑色泥巖，總體呈現塊狀構造，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，塊狀構造，裂縫發育，帶有高角度縫和垂直裂縫；②段巖心：深灰色泥巖，塊狀構造，裂縫不發育；③段巖心：深灰色泥巖，塊狀構造，裂縫發育，見多條高角度縫貫穿巖心；④段巖心：深灰色泥巖，塊狀構造，裂縫不發育；⑤段巖心：深灰色泥巖，塊狀構造，上部發育高角度縫，下部裂縫不發育。

3 取心鉆頭對比

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

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合作用下連續吃入剪切巖石，以達到破碎巖石、形成巖心的目的，其切削齒尺寸和齒形、空間結構參數和水力結構都直接影響著取心鉆進的鉆速和穩定性，進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，布齒密度和數量就主要與刀翼數量有關，隨著刀翼數量增加，鉆頭攻擊性和機械鉆速降低，穩定性則逐漸提高，可鉆性較好的軟地層切削深度大、機械鉆速高、對切削齒的損害小，通常采用較少的刀翼數量，而硬地層可鉆性差、機械鉆速低，對鉆頭切削齒的損害也相應增大，通常采用較多的刀翼數和切削齒數量。

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

根據表1 數據可知，從刀翼數量上，六刀翼鉆頭平均收獲率最高，平均單趟進尺和平均機械鉆速相對穩定，綜合指標表現最穩定；四刀翼鉆頭平均單趟進尺和平均機械鉆速最高，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尺、收獲率和機械鉆速上均不占優勢。根據地層情況，花莊區塊阜二段易破碎泥頁巖大多為中軟至中硬地層，四刀翼鉆頭刀翼數量少,穩定性較差，對破碎地層沖擊較大，易造成巖心破碎，影響取心收獲率；八刀翼鉆頭穩定性較好，但切削能力和機械鉆速無法滿足地層要求；相比之下，六刀翼鉆頭刀翼數量和鉆時適中，取心時相對平穩，不易反復切削，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低于平均值，應用效果較差，此處不再納入統計。

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

綜上，針對花莊區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巖心筒，其中外筒的作用是傳遞鉆壓扭矩，帶動鉆頭旋轉和保護內筒，以及在鉆進過程中維持泥漿循環；內筒的作用是儲存和保護巖心[8]。

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

4.1 取心筒型號對比

在江蘇工區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，內壁厚、剛性強，內筒上部連接懸掛接頭，底部坐于底軸承上，可以強制內筒居中，穩定性更強，適應不同井斜的井，但由于剛性強，對井筒要求高，處理復雜難度大；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，保護內筒和巖心，其結構簡單、便于保養，使用壽命也更長，但內筒居中效果不好，易產生堵心、卡心現象。

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

根據表3 數據可知，勝利Y-8100 型取心筒平均單趟進尺更高，平均機械鉆速快，但取心收獲率低；蘇Ⅲ取心筒雖單趟進尺和機械鉆速低于Y-8100 型取心筒，但平均收獲率更高。經分析，勝利Y-8100型取心筒對井筒要求低，更易適應不同井徑，取心筒不易受外力變形，因而單趟進尺高、機械鉆速快，但由于內筒居中較差，取心過程中內筒振動較為嚴重，易導致巖心破碎發生堵心，造成收獲率偏低。相比之下，蘇Ⅲ型取心筒內筒坐于底軸承上，具有較強的穩定性，可有效保證內筒與鉆頭始終處于同一中心線，巖心更易進入內筒，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 取心內筒材質對比

內筒材質對內筒強度和進心阻力有著重要影響。內筒常用材質有鋼制和鋁合金，保形取心還可采用取心襯筒[9-10]?；? 井取心先后采用了鋁合金、鋼制和不銹鋼內筒，其中不銹鋼內筒使用次數較少且效果較差，此處不再進行分析，鋼制和鋁合金內筒使用效果見表4。

表4 不同材質取心內筒使用效果

根據表4數據可知，鋼制內筒在平均單趟進尺、平均機械鉆速、平均收獲率上均高于鋁合金內筒。從材質特性來看，鋼制內筒具有優秀的抗沖擊性能，在取心作業過程中可有效保護巖心的完整性，進而保障取心收獲率；鋁合金內筒內壁光滑、進心阻力小，同時便于組裝和運輸，但強度和硬度均低于鋼制內筒，在取心過程中易產生變形、錯位造成卡心，影響取心質量。在花頁7井實際使用過程中，曾2次出現鋁合金內筒變形、錯位，導致鉆進時進心困難，影響出心，耽誤施工時效。

綜上，鋁合金內筒可減少進心阻力，但強度低，易發生變形，影響取心進尺，同時耽誤時效，后續取心施工中建議采用鋼制內筒。

5 取心鉆具組合優選

從取心鉆頭的分析可知，鉆頭切削能力隨著刀翼數量的增加而下降，隨齒徑增大而增強，其中刀翼數量的多少起主要作用，在刀翼數量相同的情況下，齒徑8 mm 的鉆頭更能確保取心鉆進過程的穩定性。對于花莊區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、破壞性大，易造成巖心進一步破碎，影響收獲率；而八刀翼鉆頭切削能力較弱，導致機械鉆速偏低。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 型取心筒平均機械鉆速和平均單趟進尺低，但由于其內筒坐于底軸承上，可保證取心過程中內筒與鉆頭始終處于同一中心線，具有較強的穩定性，有效防止因內筒振動導致的巖心破碎和堵心，取心收獲率更高。同時配備強度高、不易變形的鋼制內筒，可進一步提高取心收獲率。

根據上述分析，得到最優取心鉆具組合：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，累計進尺180.47 m，累計心長169.42 m，平均收獲率93.88%，平均單趟進尺7.55 m，平均機械鉆速達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，以提高鉆進過程穩定性，增強對易破碎性地層適應性，同時配合使用強度較高的鋼制內筒，降低內筒變形可能，提高進尺。

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

4）后續可進一步加強對取心內筒的研究工作，研制具有較高強度和內壁光滑度的內筒，在保證安全和穩定性的前提下提高取心進尺和收獲率。