松软泥砂地层取心钻具的设计及应用

陈云龙，阮海龙，朱慈广，欧阳志勇，李春

(1. 北京探矿工程研究所，北京 100083；2. 山西省地质工程勘察院，太原 030024)

0 引言

目前，常规单动双管钻具在陆地钻心钻探方面已得到了广泛应用，岩心采取率高，施工质量好。但对于破碎、易蚀等复杂地层，常规单动双管钻具往往难以达到取心要求[1,2]。破碎、易蚀地层种类多而复杂，需要具体情况具体分析，一种取心钻具很难通用在所有破碎、易蚀等复杂地层上，比如松软泥砂地层。当然，也有针对松软地层研制的超前单动双管取心钻具，并取得了一定的效果，但是所获岩心质量及采取率未能达到现场实际要求。因此，需要针对性地研制一种适应松软泥砂地层的取心钻具，解决该类地层岩心采取率低的难题，也为以后该类地层钻探取心工具选型提供参考依据。

1 地层情况及取心难度分析

根据山西省地质工程勘察院现场前期实钻资料，地层情况大致为一碰即碎的松软泥砂地层，取心难度很大。现场主要使用了两种取心钻具，常规及超前单动双管钻具。常规单动双管钻具几乎无法获取岩心，超前单动双管钻具平均岩心采取率为33%。岩心丢失严重，严重影响岩心采取率及质量。笔者根据地层特点从岩心堵塞、冲蚀等方面进行了分析，具体如下：

(1)常规单动双管钻具方面，钻进取心过程中冲洗液对岩心冲蚀大，岩心在进入取心内筒前就已被冲蚀，无法形成完整岩心。即使有少量的岩心进入内筒，也会因为卡簧无法卡住松散的岩心造成岩心丢失。

(2)超前单动双管钻具方面，根据现场描述，取心钻具经常会出现钻进0.3 m左右就会出现钻压有所升高，但是泥浆泵压力还是很稳定的情况。因此，大致可以判断取心过程中岩心在取心内筒中出现了堆积、堵塞的情况。这是因为取心过程中随着岩心进入取心筒中高度增加，筒内的岩心与取心筒内壁的摩擦阻力增加，当总摩阻力达到一定数值时，取心筒下部的岩层受力达到极限状态，不再进入取心筒内。进入取心筒的岩心像“瓶塞”一样阻止下部的岩层进入岩心筒，就出现了“桩效应”[3]。对于松软泥砂地层来说，由于岩层本身相对松散，产生“桩效应”后机械钻速变化很小，不易被发现，容易造成岩心丢失。

2 取心钻具设计方案

笔者通过对上述地层条件和取心难度分析，总结出了岩心堵塞、冲蚀扰动以及丢失三个导致岩心采取率低的主要因素，针对这三个因素开展技术攻关，提出了这类松软泥砂地层取心钻具设计方案。

2.1 取心钻具关键技术设计

2.1.1 防岩心堵塞技术攻关

针对岩心堵塞的问题，可采取射流方式来缓解，通过延迟产生“桩效应”的时间来解决。

(1)射流机构

射流原理如图1所示。当流体Q1在v1的高速下进入特殊形状容腔，会在容腔喉部(a处)形成负压，对周围流体形成抽吸作用，最终携带被吸入的流体Q2以v2的速度混合成流体Q3从出口流出。a处负压越大，射流效果越好。

图1 射流原理图

笔者优化设计了射流机构的水力参数。射流机构设计如图2所示。泥浆泵排出的高压冲洗液通过射流机构时，会形成如图2中箭头所示的流向。在钻具内筒中形成真空吸力以诱导内筒中的冲洗液向上流动，给内筒中岩心一个上浮力，减少岩心进入取样内筒阻力。有效缓解岩心在取心筒中的堵塞，提高岩心的采取率。同时，阻隔泥浆倒灌取样内筒，不会对进入取心内筒的岩心造成扰动。

图2 射流机构设计图

(2)取心内筒

产生“桩效应”临界条件为

s=3d/μk

(1)

式中：s为样品长度临界值；d为取样筒内径，m；μk为砂层与取样筒内壁间的摩擦系数。

由于取心直径已有要求，因此，根据式(1)通过减小岩样层与取样筒内壁间的摩擦系数延迟产生“桩效应”的时间来增加取样长度，从而达到提高取心率的目的。因此，采用耐磨减阻镀层防堵取样内筒[4]，该内筒内壁光滑(表面粗糙度≤0.4 μm)，其硬度接近硬质合金的硬度，可以同时满足减少岩样堵塞提高岩心采取率及增加取样内筒使用寿命的要求。

2.1.2 防岩心冲蚀扰动技术攻关

针对岩心冲蚀扰动的问题，可采取超前压入提前保护底部岩层以及避免冲洗液直接冲刷底部岩层的方式辅助内筒单动来解决。

(1)内筒超前管鞋及底喷钻头

内筒采用管鞋超前设计。管鞋超前就意味着内筒最前端管鞋具有“吃入”地层的能力，否则将会影响整体钻进取心效率。因此，将以往取心钻具中的卡簧座进行优化设计，使其既能放置岩心卡取工具又能高效“吃入”地层。

钻头采用底喷隔水设计。钻头底部采用特殊隔水装置，使内筒超前管鞋与钻头间的隔水间隙通水阻力加大。只有少部分的冲洗液流经此隔水面至钻头底唇面冷却内筒超前管鞋和起润滑作用，不冲蚀岩心根部，有利于岩心的形成；大部分冲洗液经钻头底喷眼流至井底，冷却钻头后进行循环。内筒超前管鞋及底喷钻头配合如图3所示。

图3 内筒超前管鞋及底喷钻头配合示意图

(2)单动机构

主要是为了使内筒不跟随外筒转动，内筒超前管鞋在不回转的情况下先压入地层，减小先期对底部岩层的破坏。同时，有效阻止冲洗液对底部岩层的冲刷，有利于岩心的形成。另外，岩心进入内筒之后，减少内筒与岩心摩擦以及保持岩心原状，延长取心内筒使用寿命。

2.1.3 防岩心丢失技术攻关

针对岩心丢失的问题，鉴于这类松软泥砂地层，卡簧几乎已失去原有功效，改用爪簧代替(如图4所示)。另外，也可通过上述射流方式产生真空吸力来减少岩样掉落风险。

2.2 取心钻具结构

通过突破上述关键技术，研制设计了内筒超前底喷单动双管钻具(型号：TK-NCC01，以下用型号简称)，结构如图5所示。

1.外管接头；2.单动机构；3.射流机构；4.外筒；5.内筒；6.扩孔器；7.内筒短接；8.内筒超前管鞋；9.钻头图5 内筒超前底喷单动双管钻具结构示意图

3 现场使用情况

3.1 钻进设备及钻进工艺

3.1.1 钻进设备

试验采用XY-1地质岩心钻机，配备∅50 mm常用地质钻杆；BW-250型柱塞式泥浆泵，多挡变速变量，可根据地层实际情况选择需要的泵量；我单位的TK-NCC01型钻具(取心筒长度2 m)。

3.1.2 钻进工艺

针对这种不易成心的松软泥砂地层，转速控制在100 r/min左右；钻压5～10 kN；泥浆泵排量52 L/min，泵压0.5～2.0 MPa；泥浆密度1.1 g/cm3。

3.2 取心钻具使用情况

钻至目的层后，取心钻具下入试验井，钻具到达井底后，循环泥浆，开始正常钻进取心。试验钻进2.0 m，钻压一直稳定在6 kN左右，泵压稳定在1.0 MPa左右，直至钻完一回次。钻进取心进尺2.0 m，采获岩心长度1.66 m，岩心采取率83%。为了减少偶然性，现场决定再进行两回次的试验，钻进取心过程一样，采获岩心长度分别为1.76 m与1.71 m，岩心采取率分别为88.0%与85.5%。现场获取的岩心样品如图6、7、8所示，取心钻具使用情况对比见表1。

图6 原有超前单动双管钻具获取的岩心样品

图7 TK-NCC01型钻具获取的岩心样品

图8 TK-NCC01型钻具获取的岩心样品

综上，对比两种不同取心钻具所获取的岩心样品质量以及表1所示的岩心采取率，TK-NCC01型钻具的优势极为明显，表现为以下两点：①岩心质量方面，原有超前单动双管钻具获取的岩心较松散；而TK-NCC01型钻具所获取的岩心相对比较完整，而且从图8左图可以看出，岩心样品扰动很小，基本保持了岩心原状。②在同区域相同地层中TK-NCC01型钻具岩心采取率远高于超前单动双管钻具，总进尺6 m，获得岩心5.13 m，平均岩心采取率为85.5%。较超前单动双管钻具增加了52.5%，提高了159%。

表1 取心钻具使用情况对比表

通过此次试验发现，对于松软泥砂地层，使用TK-NCC01型钻具极大地提高了岩心采取率，保证了岩心质量。基本满足现场对于岩心质量及采取率的要求，试验效果令人满意。

4 结论

(1)对于这种松软泥砂地层，钻进取心过程中产生 “桩效应”的可能性很大。一旦产生，取心过程中很不易发现而继续钻进，最终产生岩样的丢失，影响岩心质量及采取率。

(2)针对实际地层取心难点，结合现场对于岩心质量及采取率的要求，在以往科研的基础上，有针对性地进行了结构与功能优化。TK-NCC01型钻具很好的实现了松软泥砂地层高质量钻进取心要求，解决了松软泥砂类地层岩心采取率低的难题，为以后在该类地层钻进取心钻具选型提供了更多的选择。

(3)TK-NCC01型钻具回次进尺长度可达2 m，在保证较高岩心采取率的同时提高了钻进取心效率，能有效的控制钻井成本，取得较好的经济效益。

(4)文中所述钻进取心工艺针对性较强，其它区域类似地层钻进取心可将之作为参考，但最终还是得根据现场实际情况选择最合理的钻进取心工艺。