复杂地层取心钻进堵心原因分析及其预防措施

2019-01-18李鑫淼王志刚孙建华张永勤

钻探工程 2018年12期

李鑫淼，李宽，梁健，尹浩，王志刚，孙建华，张永勤

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000)

0 引言

复杂地层是指在成因、构造运动等多种地质作用的综合影响下，形成的节理、片理、松散、破碎、裂隙发育、软硬互层、水敏性强、漏失严重的地层[1-6]，通常地层胶结性、稳定性极差，遇水易膨胀、溶解、剥落，易出现坍塌、掉块、缩径等孔内问题。复杂地层取心钻进时极易出现堵心，起钻时岩心易脱落，岩心采取率普遍偏低。复杂地层钻进时，地质岩心钻探常用的取心钻具包括单动双管取心钻具、单动三管取心钻具等，石油钻井常用的取心工具包括自锁式取心工具、加压式取心工具、加压及自锁双作用式取心工具等[7-8]，上述钻具下部均为双管结构，堵心主要发生在岩心与钻头及内管之间，堵心造成回次进尺短，取心频率高，严重影响取心钻进效率，增加劳动强度及施工成本，钻进过程中若未能及时发现堵心，极易导致磨心，使岩心直径减小，甚至丢心，堵心严重时还会损伤取心钻具。因此，需对堵心问题进行深入分析，为钻具结构、取心工艺的优化找到突破口，有效预防堵心发生，最终提高复杂地层回次进尺长度及取心钻进效率。

1 易堵心地层特征

查阅了大量以往钻孔(井)取心施工文献资料，发现堵心发生的频率很高，笔者将取心施工中易发生堵心的典型钻孔(井)的地层岩性及特征等关键信息进行了整理(见表1)，通过对比分析，发现在泥岩、页岩、砂岩、灰岩、砾岩、煤层等不同地层取心钻进时，均发生过不同程度的堵心，部分钻孔(井)堵心严重，且出现频率较高，可见堵心是复杂地层取心钻进时的一个共性问题。另外，从岩心采取的情况来看，取心地层虽然不同，但出现堵心的地层特征有极大的相似之处，地层表现出裂隙发育、松散软弱、破碎严重等特征，均难以形成柱状岩心，岩心多呈碎块或片状，且形状不规则，有些水敏性地层，岩心易发生水化作用，导致岩心吸水膨胀，在多种原因共同作用下导致堵心。

2 堵心原因分析

复杂地层取心钻进时，钻具堵心主要发生在两个位置，一是取心钻头内台阶与内管下端卡簧(岩心爪)及轴向间隙之间；二是岩心与内管之间的某一位置。

表1 易堵心地层的岩性及特征

堵心主要是由于破碎地层产生的岩心外形不规则，同时岩心在钻具的振动作用下开裂、破碎，产生堆积并挤实，加之岩心进入内管速度过缓，给堵心的发生提供了时间；另外，泥岩、页岩、煤层等水敏地层钻进时，岩心吸水膨胀，也是发生堵心的原因之一。卡簧(岩心爪)及轴向间隙之间易堵心，主要是由于此处产生台阶，为堵心提供了便利条件，同时卡簧(岩心爪)内表面设计有增大摩擦力的浅槽或者花纹，破碎、不规则岩心经过此处时阻力大，容易卡住并挤死；内管中间的某一位置易出现堵心，主要是由于内管较长，孔径小，内表面通常不做加工处理，保留管材出厂时的表面质量，表面粗糙度值较大，破碎、膨胀岩心入管时阻力大，同时内管壁薄且长，使用过程中易发生弯曲，使堵心更易发生，不同位置堵心情况如图1所示。

图1 堵心示意图

3 堵心预防措施

3.1 取心钻头优化

根据复杂地层岩性选取适合的取心钻头类型，合理优化钻进参数，根据地层情况摸索出最适宜钻速，有效降低堵心发生的机率，使回次进尺长度达到最优，同时也有助于提高岩心采取率。对于松散、破碎、水敏性地层取心钻进时，钻头宜进行隔液设计[22]，采用底喷或侧喷式水路设计。复杂地层取心时，采用阶梯式全隔液钻头[10]，可有效减轻冲洗液对岩心的冲蚀作用，尽量保证岩心的柱状外形，防止在树心的过程中冲散岩心，同时可避免水敏性地层岩心过早发生水化膨胀，造成入心困难，预防堵心过早发生，进而减少提下钻频率，提高回次进尺长度及取心钻进效率。

3.2 取心钻具优化

3.2.1 堵心提示装置

复杂地层取心钻进时，应能及时发现堵心，防止堵心后继续钻进，造成磨心，使真实地质资料丢失。为避免上述情况发生，可在取心钻具中增加可靠的堵心提示装置[23]。其原理是利用堵心时内管受力并上移，带动阀体运动，最终实现钻具内部某一位置冲洗液过流通道截面积的减小，从而使泥浆泵压力升高，操作人员可从泥浆泵压力表读数的变化判断是否发生堵心，起到直观的提示作用。少数情况下，压力升高也有可能是孔壁缩径、坍塌等原因引起，但只要压力升高到堵心提示装置的设定值，便需立即取心，切不可凭经验继续钻进，防止出现磨心或丢心。

3.2.2 取心钻具内管

内管起到容纳岩心的关键作用，与岩心的接触最为密切，内管性能不佳极易出现堵心。首先内管应具有良好的抗弯性能，防止在取心过程中弯曲，减轻岩心入管阻力，预防复杂地层发生堵心，有助于提高回次进尺长度。为防止内管弯曲，地表取心时严禁敲击内管，现场宜配备液压或水力出心设备，对内管起到有效保护。取心钻具及内管配件摆放要平整，钻具入孔前要仔细检查内管是否发生弯曲，出现弯曲应及时更换，以免影响复杂地层取心效果。其次，内管内表面可进行涂层减阻处理，以有效预防复杂地层堵心。内管涂覆减阻主要目的是降低内管内表面的摩擦系数，使岩心入管时的阻力尽可能小，预防堵心，提高岩心采取率[24]。目前在耐磨、减阻方面应用较多、性能较好的涂层材料包括钨合金、聚四氟乙烯、类金刚石碳等。涂层制备工艺包括电镀、热喷涂、粘结等。内管减阻涂层主要是利用涂层摩擦系数小的特性，除此之外所选涂层还应具有良好的耐磨性、防腐蚀性、不粘性，附着能力要强，以提高涂层的使用寿命，同时使岩心更容易入管。深孔取心时涂层还应具有良好的耐高温性能。另外，可采用多层衬管差动式设计解堵[15]，发生堵心时，岩心带动第一层衬管剪切销钉并上移，可通过钻压的变化判断是否解堵，合理利用钻具内部空间设计多层衬管，可有效预防堵心。

3.2.3 单动机构

取心钻具内管应设计性能可靠的单动机构。单动性能不良，取心钻进时内管会跟随外管转动，此类转动为公转加自转的复合运动，加之钻具的振动，加速复杂地层岩心的破碎，使破碎、不规则岩心堆积、挤压，导致岩心入管阻力逐渐增大，直至出现堵心。内管跟转还会造成内管与岩心之间、岩心碎块之间的相互磨损，影响岩心采取率，降低内管的使用寿命。提高单动机构的可靠性可从以下几方面入手，首先，可在钻具下部增设可靠的内管扶正装置，回转阻力要小，提高内管与单动机构之间的同心度，进而提高轴承的滚动效果，同时可使岩心更易入管；其次，可设置二级单动，用以分担内管不对中所带来的位置偏差，进而提高单动的可靠性，有效预防或减轻内管跟转；另外，每一回次取心时，应检查单动轴承的磨损情况，发现问题及时更换，避免单动失效出现堵心及磨心。

3.2.4 割心机构

复杂地层取心钻进，钻具割心通常采用卡簧、拦簧、岩心爪及其组合形式。这些割心的关键零件在与内管连接好后，应尽量保证整体内表面平顺，避免出现台阶及槽等复杂形状，降低岩心入管阻力。或者将上述割心零件采用隐藏式设计[15]，以降低岩心与割心零件间出现堵心的机率，同时要尽量减小割心机构与钻头内台阶之间的轴向间隙，防止在间隙处出现岩心卡堵。

3.3 冲洗液性能优化

冲洗液的主要功能包括清洁孔底、携带和悬浮岩屑、冷却钻头、润滑钻具、保护孔壁等。复杂地层取心钻进时，冲洗液应能够快速地将产生的岩屑、岩粉带离孔底，保持孔底清洁，防止岩屑重复研磨，钻速降低，增加岩心受冲刷时间。在泥岩、页岩、煤层等水敏性地层钻进时，冲洗液应具有良好的水化作用抑制性能[25]，滤失量要小，防止水敏性地层孔壁缩径、剥落的同时，抑制岩心吸水膨胀、开裂、变粗，有效预防取心钻进时发生堵心。水敏性地层钻进时可采用滤失量小的钾基冲洗液[26-27]、LBM冲洗液[28]等。

3.4 取心钻进工艺优化

根据以往钻进情况，从取心钻进开始到发生堵心，时间间隔长短不一，但均是岩心入管阻力逐渐积累、增大导致的。合理预防堵心可有效降低提钻取心的频率，提高取心钻进效率。复杂地层钻进，堵心应以预防为主，要时刻掌握地层和岩性的变化情况，有邻井资料参考最好，以便有针对性地制定取心钻进工艺。树心时要采用低钻压、低转速、小泵量，有利于保持取心钻具的稳定性，便于引导岩心入管。正常钻进取心时，钻压、转速、泵量均应根据地层变化做出相应调整。与坚硬完整地层相比，松软地层钻进时应选用低钻压，当钻进效率较高时，应适当降低转速。在破碎、裂隙发育、软硬不均的地层中钻进时，应适当减小钻压，由于钻具振动强烈，转速应适当降低。泵量应根据不同地层钻进速度进行调整，硬地层钻进时泵量可适当增加，松散、易冲蚀地层钻进时，泵量应适当降低，防止冲散岩心，采用隔液钻头钻进时，泵量可适当提高。钻进时注意观察进尺情况及岩屑上返量，进尺变缓、岩屑上返量增加时，应注意分析是否为堵心原因造成的，同时观察钻压、转速等钻进参数的变化。发生堵心时，不可继续钻进，应立即提钻取心，防止岩心磨损量增大。割心时尽量选择岩心成柱性好的地层，防止岩心脱落，同时便于下一回次取心钻进时树心。取心时提钻速度不宜过快，防止强烈的抽汲作用使岩心脱落。冲洗液应及时回灌，保持孔壁稳定。总之，复杂地层取心钻进时，钻进参数应匹配合理，具体地层具体分析，通过不断的摸索，总结出一套与所钻复杂地层相适宜的取心钻进工艺，进而有效地预防堵心的发生。