螺杆取芯技术在深井破碎地层中的应用

吕殿臣

（天津地热勘查开发设计院，天津300250）

天津市东丽区某井设计深度4100m，位于潘庄凸起构造区，地层以白云岩为主，地层裂隙发育且具有晶体杂质填充，岩石沿裂隙纹理易破碎。由3500m定深取芯6回次，每钻进100m取芯进尺4m，取芯累计进尺不小于24m。完整地层取芯率达到70%以上，破碎地层取芯率大于40%。在取芯过程中钻具稍有弯曲导致岩芯在钻头处断掉，造成堵芯。通过使用螺杆提高转数，加快钻头切入地层速度，使得岩石能够在较短的时间进入取芯筒。同时，取芯钻进的过程中尽量减小横向作用力和钻柱的离心力，最终取芯效果和质量显著提高，这种深井取芯钻具组合，不仅提高了复杂地层的岩芯采取率，而且在深井取芯钻进中还能维护破碎地层的稳定。

1 取芯概况

1.1 取芯工具

取芯工具采用ø152.4mm孕镶金刚石取芯钻头（图1）和ø139mmKT140取芯筒（图2），取芯筒上部和ø127mm螺杆钻具（图3）相连接。取芯筒由内筒和外筒组成，内岩芯筒的作用是存储及保护岩芯，取芯时岩芯顺利进入内筒，防止泥浆冲刷岩芯；为了有效保护岩芯，其采用悬挂式滚动轴承装置将内筒挂在外筒的顶部，取芯钻进时内筒不转。外筒的作用是承受钻压、传递扭矩带动钻头旋转及保护内岩芯筒，形成环状岩芯柱。

图1 孕镶金刚石取芯钻头

图2 KT140取芯筒

图3 螺杆钻具

ø152.4mm取芯钻头+ø139mm取芯筒+接头+ø127mm螺杆+ø121mm钻铤+ø89mm钻杆+变径接头+ø127mm钻杆+方钻杆。

1.2 取芯参数

钻进参数：钻压10～40kN，转速40r/min，排量14.75L/s，泵压8.5～10MPa，扭矩140～190N·m。

泥浆性能：密度1.03～1.07g/cm3，粘度30～45s，失水14～22mL，pH7～10。

2 取芯工艺

2.1 钻前准备工作

调整泥浆，使泥浆性能稳定、井眼畅通，井下无缩径，无垮塌，无沉砂，起下钻通畅无阻，能顺利下钻到底，密度按设计要求，粘度、切力适当。井口检查螺杆钻具是否正常使用，保证在取芯钻进中地面设备与钻具不发生问题。

2.2 下钻

下钻前保养好取芯筒，更换新的岩芯爪，调整内筒至钻头内台阶面间隙，保证悬挂总成和内筒上各道扣用链钳上紧扣，保证内筒转动灵活。钻头在地面手动带紧扣后，在井口用液气大钳高速带紧扣；岩芯筒入井时，必须在井口卡好安全卡瓦，防止滑脱落井。组装好的取芯外筒在井口用大钳逐一紧扣，并放入内筒检查装配间隙，调整间隙1～2cm。严格控制下放速度，以防水眼堵塞。下钻操作要平稳，不得猛放、猛刹。复杂井段，起下钻速度应控制，严防顿钻。中途遇阻以冲为主，少划或不划眼，严重遇阻改用牙轮钻头通井划眼至畅通为止。下钻距井底一个单根高度，开泵循环，下放钻具清洗井底。不允许用取芯钻头划眼。下钻遇阻不得超过2t，经上下活动不能下入时应开泵循环泥浆，用一冲二通的方法往下冲，禁止强行划眼通过。

2.3 取芯钻进

下钻钻头离井底20～30m开泵，同进空转钻具，把外筒的泥饼等杂物甩掉，然后缓慢下放，冲洗井底。如不遇阻探井底方入，否则开泵冲划眼到底，然后开泵90冲循环15min，观察泵压变化，待设备、泥浆一切正常，方可卸方钻杆投球、小排量40冲送球到位。投球到位后下放开始树芯，参数：钻压10～20kN，转速40～70r/min，排量14.75L/s，树芯进尺0.5m。取芯钻进参数：钻压30～40kN，转速40～70r/min，排量14.75L/s。树芯至取芯过渡过程中，开始时应用10～30kN钻压，钻进0.1～0.3m后缓慢加压至正常钻压，必须逐渐加大钻压(12～15min内完成)。取芯钻进时操作，送钻均匀，不得溜钻、中途停泵及提钻等。随时注意泵压变化及岩屑出情况，分析井下情况，恰当掌握钻头使用时间。

2.4 割芯操作

钻完取芯进尺4m后停止送钻（不停泵），保持原转速旋转10min左右待悬重恢复后，上提钻具。直接上提钻具1.5～2.5m，悬重上升100～200kN后突然下降，说明岩芯已被割断，可起钻。割芯时若上提无拉力，应下放至原方入，转动2～3圈，上提0.1～0.3m，磨芯10～20min，重复2～3次方可起钻。若发现岩芯抽筒时，应缓慢下放钻具，停泵套芯，再继续钻进0.2～0.3m，磨芯起钻。

3 取芯成果

本井段共计取芯6回次，取芯段地层岩性均为蓟县系雾迷山组一二段，可钻性较差，地层裂隙较多，破碎严重。累计进尺24.10m，岩芯有效长度为18.70m，取芯率为77.59%，采用螺杆取芯相对于常规取芯技术能够达到满意的效果，大大地提高了取芯率。见表1、图4、图5。

图4 常规取芯成果

图5 螺杆取芯成果

表1 取芯成果表

4 结语

综上所述，深井破碎地层取芯技术，堵芯是目前难以解决的取芯技术难题。本工程施工采用螺杆钻具取芯，和常规取芯技术相比，很好地避免取芯钻头和钻具的旋转和振动，保护本就破碎的岩芯，使其成为柱状顺利进入取芯筒，大大提高采取率，提高工作效率。该项目顺利完工，为该类问题取得了丰富的经验，对此类地层的深井取芯难题提供了参考和借鉴作用。