湖南永顺永页2井破碎地层取心问题分析与处理对策

何焘，张绍和*，王文彬，张鑫鑫，刘磊磊，肖金成，何红生，郭军

（1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；3.湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014；4.湖南省地质新能源勘探开发工程技术研究中心，湖南 长沙 410014）

钻探工程的施工难点往往都发生在复杂地层或破碎地层，庄生明和罗光强等人在复杂的汶川地震断裂带采用螺杆马达+液动锤+半合管取心钻进工艺进行取心，但堵心问题依然突出［1］。在陕西省凤县坪坎镇勘查区进行钻探工作时，因为岩层松软、破碎，常导致粘钻事故的发生［2］。湘西北地区同样因为地形构造复杂，钻进难度大，钻遇破碎地层时，各种问题的发生，使得岩心采取非常困难。而破碎、软弱地层难取心的现状，已成为钻探界的一大技术难题［3-5］。针对破碎地层取心难题，张国丽和罗军提出了一种GW180-101型破碎地层工具，利用其隐蔽式双割心机构，配以高速极硬取心钻头进行取心［6］。李新昌和李剑等人则采用了胜利R-8120型取心工具，利用其具有伸缩功能的加压割心机构，确保了松散破碎地层的取心收获率［7］。上述的方法能够在软弱破碎地层取得一定效果，但岩心过于破碎时，内管的保存及收集岩心效果不好，经过冲洗液的冲刷后，岩屑易流失，且所获取的岩心不能够代表原始岩层。

在永页2井（湖南永顺页岩气2井）的基础上，根据实际钻进过程中获取的不同地层的岩心，得到了钻遇地层的岩性及成分，针对新滩组和龙马溪组层段岩心采取率不足等问题，拟采用一种新型囊袋多节捆绑式绳索取心钻具，利用其独特的囊袋结构和超前侧喷钻头，保证取心率的同时，还避免了冲洗液的影响。

1 区域构造特征

永页2井是湖南省页岩气开发有限公司布署在湘鄂西褶冲带桑植-石门复向斜青安坪向斜轴部的1口资料井，井口位于湖南省永顺县石堤镇冷水村。永顺区块位于中扬子台褶带与江南隆起相接地带，中扬子台褶带属于较稳定地块，江南隆起则较为活跃。如图1所示，受印支-燕山期构造运动控制，勘查区内断裂与褶皱构造发育较多。

图1 勘查区构造区划图Fig.1 Structural zoning map of the exploration area

工区经历了多期次构造运动，各期次的构造行迹也显得纷繁复杂。尤其是在燕山Ⅲ幕、Ⅳ幕陆内拉张作用下，挤压应力产生逆掩、逆冲推覆构造，后期同时发育一些规模不大的张性断裂，并沿早期断裂带产生压扭性作用，使工区内断裂更显复杂［8］。

2 钻遇地层岩性

本次实钻目的层井段在445.05～1523.11 m，主要钻遇了新滩组和龙马溪组。从图2可以看出，钻遇地层上部岩性为青灰色至灰色粉砂质页岩，发育水平层理。中部岩性为深灰色粉砂质页岩及页岩夹少量深灰色泥质粉砂岩，裂隙较发育，层面间见数条不规则微裂缝，局部断面具擦痕。底部岩性为灰黑色至黑色页岩，发育水平层理，产较多笔石化石。

图2 钻遇地层岩心Fig.2 Cores from drilled formation

3 钻探工艺流程

3.1 钻孔设计及质量要求

永页2井设计井深为1553.0 m，根据设计要求确定在1553.0 m完结，完钻层位于上奥陶统宝塔组。

在一开直井段时（0～19.9 m）先采用Ø146 mm扩孔钻头和Ø127 mm表层套管，配合进行扩孔，而后再用Ø96 mm金刚石钻头进行深层钻进，主要采用钻铤加压，轻压吊打钻进，保证了一开直井段的防斜打直及井身质量。二开井段（20.00～1553.00 m）使用TXB-1800型钻机，无液压系统，依靠钻机自重给压，钻机机械转速较慢，钻效较低，而后更改为XY-6N型液压钻机，并采用全压钻进以提高钻速。在1000.00～1553.00 m时，由于井斜偏大，逐步采取控制钻压钻进，保证了钻头的合理使用，也加快了施工进度，防止井斜进一步加大。具体井身结构见图3。

图3 永页2井井身结构Fig.3 Structure of Well Yongye-2

其他质量要求如下：

（1）全孔取心，设计要求岩心采取率≥90%，60 mm≤岩心直径≤63.5 mm。

（2）设计要求最大孔斜≤5°，全角变化率≤2°/30 m。

3.2 冲洗液的使用

该井一开使用膨润土低固相环保钻进液体系配浆开钻，针对一开上部地层比较疏松的特点，为了加强防垮塌、防漏失能力，开钻前配置密度为1.06 g/cm3充分遇水化24 h的膨润土浆5 m3，以及浓度为0.5%～1%的KPAM溶液4 m3，钻井液粘度为70 s。在实际的钻井施工过程中无垮塌、无漏失现象发生，较好地保证了钻井进度和施工安全。

二开采用低固相甲基聚合物钻井液体系，替换掉一开钻井液，井深22.80 m时加入CMC、KPAM、土粉，并采取顶替方式洗井，使钻井液密度保持在1.06 g/m3，粘度41 s。二开前期钻井液密度控制在1.13 g/cm3以内，粘度41 s左右，随着井深的逐步增加，钻井液密度维持在1.06～1.13 g/cm3，粘度上升到42 s，既稳定井壁不发生垮塌，也保证了钻井液的携砂能力，确保了钻井顺利进行。二开井段是本井的目的层，钻至井深445.05 m龙马溪组时，加入了2%降失水剂（CMC、PAC-141）、2%护壁剂（FT-1、广谱护壁剂），进入目的层1545.00～1553.00 m后，由安全生产负责人调整好钻井液各项性能参数，严格控制泥浆的无用固相含量和含砂量，含砂量始终保持在0.03%左右。

4 岩心采取技术难点和改进措施

从图4可以看出，孔深在1041.00～1055.76 m时，构造作用明显，裂隙发育，1041.00 m处见一条宽约1 mm、长约5 cm的水平裂隙，少量泥质充填，1051.00～1052.00 m处，见7条宽1～1.5 mm、长2～5 cm的不规则穿插裂隙，少量泥质充填或无充填。由于碎屑矿石较多，取心困难，最低的岩心采取率79%，且岩心非常破碎。

图4 1049～1055 m处破碎岩心Fig.4 Broken cores from 1049m to 1055m

目前，已有众多专家针对破碎地层取心提出相关解决方法［9-15］。根据现场实际情况，采用了一种新型囊袋多节捆绑式绳索取心钻具［16］进行取心，这种新型钻具适用于风化程度高、易冲蚀、软弱破碎等地层，能够有效地提高岩心采取率。

从图5中可以知道，该钻具是在传统绳索取心钻具上增加了多节捆绑式囊袋总成结构，包括多节捆绑式囊袋总成和超前侧喷式钻头。多节捆绑式囊袋总成结构同普通的绳索取心钻具内管相同，设置有单向阀、泄水网以及卡簧装置。其中，单向阀与囊袋顶部采用过盈配合并箍紧，囊袋底部则固定于卡簧处。钻具单向阀内的泄水网能够过滤掉随冲洗液一同流进的碎屑颗粒，这些碎屑颗粒一旦留存于钻具中，会对钻具本身产生极大的磨损。

图5 囊袋多节捆绑式绳索取心钻具结构示意Fig.5 Structure of the bladder wireline core drilling tool

内管总成中的囊袋部分是整个新型钻具的核心部分，起收集岩心、保护岩心的作用。因此，囊袋本身厚度不易过厚，且应该具备足够的拉伸强度和耐磨性。目前，囊袋薄膜是采用线型低密度聚乙烯和高密度聚乙烯共同混合的材料加工而成，兼具了二者的高抗穿透性、易拉伸性和易加工的特性。超前侧喷钻头由常规钻头部分和超前齿部分构成，主要起改变水流流向的作用，其设计为阶梯状，通过变径钢体周围的斜水眼，将冲洗液导流至钻头底唇面，随着唇面上的水口和水槽改变冲洗液的流向。

在钻进施工时，利用囊袋的自动收缩，束牢岩心，不让岩心滑落，同时，在钻具的冲击力下，不断向更深的地层伸展，让岩心充满囊袋。当岩心充满囊袋时，囊袋下部的橡皮箍筋圈将囊袋箍紧，泵压立即升高，并对地面设备及时做出提醒。其原理不同于传统的取心钻具，纯粹的利用岩心管机械式的裹挟岩心。普通的岩心管较难获取软弱冲蚀性的岩心，但可伸缩性囊袋能够将这些水土岩石的混合物全部包住，并由橡皮箍紧束牢，大大减少了岩心的丢失。

囊袋多节捆绑式绳索取心钻具常搭配超前侧喷式钻头（见图6），该钻头能够在钻进过程中，改变冲洗液的流向，避免其冲刷内管中的岩心，同时囊袋本身也具有对岩心的一个保护作用，能够隔离冲洗液。这既提高了岩心的取心率，也保证了岩心的保真度。

图6 超前侧喷式钻头Fig.6 Pilot side jet drill bit

采用新型钻具进行钻进后，不同深度岩层的取心率如表1所示。

表1 新型钻具在不同深度的岩心采取率Table 1 Core recovery of the new drilling tool at different depths

新型钻具得到运用以后，实际效果表明，岩心采取率得到较大提高，由原来最低79%，提高至90%以上，且岩心因为囊袋的保护和超前侧喷式钻头的改流效果，真实还原了地层特征，减少了岩心的破碎（参见图7）。

图7 新型钻具岩心采取效果Fig.7 Cores taken with the new core drilling tool

5 结语

（1）湖南永顺勘查区经历了多期次构造运动，钻遇地层裂隙发育，碎屑矿石较多。因而在实际的钻井工程中，一开和二开阶段分别使用低固相环保钻井液体系和甲基聚合物钻井液体系，避免了垮塌、漏失等现象。此外，在两井段中也分别采用了钻铤加压，轻压吊打钻进和逐步钻进稳控井斜的钻进方式，尤其针对井斜较大井段，使得其最大孔斜≤5°，保证了施工的顺利进行。

（2）孔深在1041.00～1055.76 m时，由于岩层破碎，工程取心效果不佳，所取岩心完整度不够。此次工程采用了囊状多节捆绑式绳索取心钻具，囊袋多节捆绑式绳索取心钻具具有独特的多节捆绑式囊袋总成结构，且钻具本身常搭配超前侧喷式钻头进行使用。囊袋本身可以保护岩心，使得岩心具有保真性；超前侧喷式钻头则通过钢体变径处均匀分布由内向外的斜水口提前改变了水流流向，防止岩心被冲刷。工程实践证明，囊袋多节捆绑式绳索取心钻具能够在破碎地层中提高岩心的取心率，取心率由原来的79%提升至90%以上。