花页7井取心工具优选分析

王艳玲，付成林

1.中石化华东石油工程有限公司江苏钻井公司（江苏扬州 225261）2.中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院（江苏扬州 225000）

0 引言

花页7井是江苏油田部署在高邮凹陷内坡带花庄构造区块的一口预探井，设计井深4 275 m，主要目的是勘探阜二段Ⅱ、Ⅲ亚段，兼勘探Ⅳ、Ⅴ亚段页岩含油性，落实深层页岩油产能，明确勘探前景。该井位于高邮凹陷中东部，西与沙埝油田相邻，北与瓦庄油田相邻，处于较有利含油气构造带，据邻井花2 井、花X28 井、花页1HF 井揭示，该区阜二段油藏品质较好，油气显示活跃。

根据地质设计，该井要求全井长筒连续取心288 m，其中阜二段设计取心280 m，为江苏油田首口针对阜二段地层全井段连续取心的页岩油井。同时，由于取心井段地层破碎，易发生堵心、磨心等现象，导致单趟平均取心进尺较少，取心效率低，取心难度大。

1 地层特点及取心难点

1.1 地层特点

高邮凹陷花庄地区上白垩统-新生界地层发育齐全，本井自上而下钻遇地层依次为东台组（Qd），盐城组（Ny），三垛组（E2s），戴南组（E2d），阜宁组四段（E1f4）、三段（E1f3）、二段（E1f2）、一段（E1f1）[1-2]。区域地层南倾北抬，Ny 与E2s、E2d 与E1f 之间为区域不整合，E1f2泥页岩裂缝发育。

高邮凹陷深凹内坡带E1f2泥页岩厚度240～280 m，顶部和底部均发育较稳定的泥岩隔层，自上而下细分为Ⅰ（泥脖子）、Ⅱ（王八盖）、Ⅲ（七尖峰）、Ⅳ（四尖峰）、Ⅴ（山字形）5个亚段，E1f2泥页岩储层孔隙品质从上至下呈向好趋势，设计为全系统取心。

1.2 取心难点

根据邻井花页1 井、花101 井、铜页1 井等多口井在阜宁组的取心资料分析，目前在阜二段取心主要存在以下技术难点[3-4]：

1）该段地层岩性脆性矿物含量高，地层易破碎，岩心在入筒后易产生应力释放，呈不规则分布，易堵心[5]。

2）该段岩心高角度缝、层理缝、层间剪切缝较为发育，部分小的岩心错位易导致内筒卡，岩心入筒阻力大，易造成进心困难、磨心、堵心等复杂情况，影响取心进尺[6]。

3）该段地层岩性非均质性较强，不同井深之间的矿物组分含量差异大，取心过程中层间差异大，钻时波动大，影响取心钻速。

2 取心概况

根据现场施工情况，本井累计取心45 次，总进尺301.61 m，岩心总长281.16 m，平均岩心收获率93.22%；其中阜四段取心1 次，取心井段3 384.37～3 386.42 m，小计1筒，进尺2.05 m，心长1.81 m，收获率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，小计83 筒，进尺299.56 m，心长279.35 m，平均单次进尺6.81 m/次，平均收获率93.25%。

花页7 井阜二段取出的岩心以泥岩为主，随深度增加颜色逐渐加深，从灰色泥岩转至灰黑色泥岩，总体呈现块状构造，存在多条高角度缝、垂直缝交错和水平缝交错，部分取出岩心如图1所示。

图1 花页7井阜二段部分岩心

图1中，①段岩心：深灰色泥岩，块状构造，裂缝发育，带有高角度缝和垂直裂缝；②段岩心：深灰色泥岩，块状构造，裂缝不发育；③段岩心：深灰色泥岩，块状构造，裂缝发育，见多条高角度缝贯穿岩心；④段岩心：深灰色泥岩，块状构造，裂缝不发育；⑤段岩心：深灰色泥岩，块状构造，上部发育高角度缝，下部裂缝不发育。

3 取心钻头对比

取心钻头是破碎岩石、形成岩心的关键工具，取心钻头的选择合理与否将直接影响取心质量与效率[7]，选择适应性更强的取心钻头可以有效提高取心速度和收获率，带来更好的经济效益。

PDC 取心钻头作为切削型钻头，主要通过切削齿在钻压和扭矩联合作用下连续吃入剪切岩石，以达到破碎岩石、形成岩心的目的，其切削齿尺寸和齿形、空间结构参数和水力结构都直接影响着取心钻进的钻速和稳定性，进而影响钻头的破岩效果。通常小切削齿尺寸适用于硬地层，大切削齿尺寸适用于软地层，而在钻头切削齿尺寸和冠部形状确定后，布齿密度和数量就主要与刀翼数量有关，随着刀翼数量增加，钻头攻击性和机械钻速降低，稳定性则逐渐提高，可钻性较好的软地层切削深度大、机械钻速高、对切削齿的损害小，通常采用较少的刀翼数量，而硬地层可钻性差、机械钻速低，对钻头切削齿的损害也相应增大，通常采用较多的刀翼数和切削齿数量。

花页7井取心先后采用了四刀翼、六刀翼、八刀翼3 种钻头，包含9 种不同的型号，不同刀翼数量和型号的取心钻头使用效果见表1、表2。

表1 不同刀翼数量取心钻头使用效果

表2 不同型号取心钻头使用效果

根据表1 数据可知，从刀翼数量上，六刀翼钻头平均收获率最高，平均单趟进尺和平均机械钻速相对稳定，综合指标表现最稳定；四刀翼钻头平均单趟进尺和平均机械钻速最高，但平均收获率最低；而相比于其他两种，八刀翼钻头在取心进尺、收获率和机械钻速上均不占优势。根据地层情况，花庄区块阜二段易破碎泥页岩大多为中软至中硬地层，四刀翼钻头刀翼数量少,稳定性较差，对破碎地层冲击较大，易造成岩心破碎，影响取心收获率；八刀翼钻头稳定性较好，但切削能力和机械钻速无法满足地层要求；相比之下，六刀翼钻头刀翼数量和钻时适中，取心时相对平稳，不易反复切削，从而保证收获率。

从钻头型号上，表2中PMC-164-8101b、PMC037-8100b 和PSC135-8101 只使用过1 次，参考意义不大，且存在两种或两种以上指标低于平均值，应用效果较差，此处不再纳入统计。

根据表2，戴比特FLC1604G 四刀翼16 mm 齿钻头平均单趟进尺较低，胜利PSC-164-8101 四刀翼16 mm 齿钻头平均收获率较低，应用效果较差，相比之下，戴比特和川克六刀翼8 mm齿钻头应用次数最多，效果也较好。从不同型号钻头所对应的刀翼齿径来看，刀翼齿径越大，对地层切削能力越强，机械钻速也更高，但更易造成岩心破碎导致堵心。因此，对于阜二段中软至中硬破碎地层，为防止岩心破碎、提高取心进尺和收获率，适合采用小齿径取心钻头。

综上，针对花庄区块阜二段易破碎泥页岩地层，采用戴比特和川克六刀翼8 mm 齿径取心钻头，可提高工作稳定性，有利于岩心成形，更适用于阜二段破碎地层取心。

4 取心筒对比

取心筒包括外岩心筒和内岩心筒，其中外筒的作用是传递钻压扭矩，带动钻头旋转和保护内筒，以及在钻进过程中维持泥浆循环；内筒的作用是储存和保护岩心[8]。

取心钻进作业过程中，内筒是否居中十分重要。若内筒不居中，内外筒接触后外筒的振动将传递给内筒，造成重复抖动使岩心磨损，严重时会震碎岩心导致内筒堵塞，影响进心；此外，内筒不居中还会使内筒弯曲，改变进心轨迹，增大岩心与内筒之间的阻力，进而降低取心收获率。为保证内筒居中，通常在内外筒连接处使用内筒扶正接头，以减少内筒的摆动和弯曲，维持内筒稳定性。

4.1 取心筒型号对比

在江苏工区常用取心筒型号有苏Ⅲ型和胜利Y-8100型取心筒。苏Ⅲ型取心筒本体外径178 mm，内壁厚、刚性强，内筒上部连接悬挂接头，底部坐于底轴承上，可以强制内筒居中，稳定性更强，适应不同井斜的井，但由于刚性强，对井筒要求高，处理复杂难度大；胜利Y-8100 型取心筒本体外径172 mm，外径相对较小，对井筒要求不高，可灵活选择使用衬筒，保护内筒和岩心，其结构简单、便于保养，使用寿命也更长，但内筒居中效果不好，易产生堵心、卡心现象。

花页7 井阜二段44 次取心中先后使用胜利Y-8100型和苏Ⅲ型取心筒，其使用情况见表3。

表3 苏Ⅲ型和胜利Y-8100型取心筒取心效果

根据表3 数据可知，胜利Y-8100 型取心筒平均单趟进尺更高，平均机械钻速快，但取心收获率低；苏Ⅲ取心筒虽单趟进尺和机械钻速低于Y-8100 型取心筒，但平均收获率更高。经分析，胜利Y-8100型取心筒对井筒要求低，更易适应不同井径，取心筒不易受外力变形，因而单趟进尺高、机械钻速快，但由于内筒居中较差，取心过程中内筒振动较为严重，易导致岩心破碎发生堵心，造成收获率偏低。相比之下，苏Ⅲ型取心筒内筒坐于底轴承上，具有较强的稳定性，可有效保证内筒与钻头始终处于同一中心线，岩心更易进入内筒，防止了偏磨和碰撞岩心，从而提高了取心收获率。从保证收获率的角度，苏Ⅲ型取心筒相比胜利Y-8100型取心筒更适用于破碎性泥页岩地层。

4.2 取心内筒材质对比

内筒材质对内筒强度和进心阻力有着重要影响。内筒常用材质有钢制和铝合金，保形取心还可采用取心衬筒[9-10]。花页7 井取心先后采用了铝合金、钢制和不锈钢内筒，其中不锈钢内筒使用次数较少且效果较差，此处不再进行分析，钢制和铝合金内筒使用效果见表4。

表4 不同材质取心内筒使用效果

根据表4数据可知，钢制内筒在平均单趟进尺、平均机械钻速、平均收获率上均高于铝合金内筒。从材质特性来看，钢制内筒具有优秀的抗冲击性能，在取心作业过程中可有效保护岩心的完整性，进而保障取心收获率；铝合金内筒内壁光滑、进心阻力小，同时便于组装和运输，但强度和硬度均低于钢制内筒，在取心过程中易产生变形、错位造成卡心，影响取心质量。在花页7井实际使用过程中，曾2次出现铝合金内筒变形、错位，导致钻进时进心困难，影响出心，耽误施工时效。

综上，铝合金内筒可减少进心阻力，但强度低，易发生变形，影响取心进尺，同时耽误时效，后续取心施工中建议采用钢制内筒。

5 取心钻具组合优选

从取心钻头的分析可知，钻头切削能力随着刀翼数量的增加而下降，随齿径增大而增强，其中刀翼数量的多少起主要作用，在刀翼数量相同的情况下，齿径8 mm 的钻头更能确保取心钻进过程的稳定性。对于花庄区块阜二段易破碎地层取心，四刀翼钻头对地层切削能力更强、破坏性大，易造成岩心进一步破碎，影响收获率；而八刀翼钻头切削能力较弱，导致机械钻速偏低。因此，戴比特六刀翼（FLC0806G）或川克六刀翼（LS1663）8 mm 齿径取心钻头更适用于花庄区块阜二段易破碎地层。

从上文取心筒的分析可知，虽然苏Ⅲ取心筒相比胜利Y-8100 型取心筒平均机械钻速和平均单趟进尺低，但由于其内筒坐于底轴承上，可保证取心过程中内筒与钻头始终处于同一中心线，具有较强的稳定性，有效防止因内筒振动导致的岩心破碎和堵心，取心收获率更高。同时配备强度高、不易变形的钢制内筒，可进一步提高取心收获率。

根据上述分析，得到最优取心钻具组合：戴比特六刀翼（FLC0806G）或川克六刀翼（LS1663）8 mm 齿径取心钻头+苏Ⅲ型取心筒+钢制取心内筒。在花页7 井阜二段44 次取心过程中，该钻具组合共完成25 次取心，累计进尺180.47 m，累计心长169.42 m，平均收获率93.88%，平均单趟进尺7.55 m，平均机械钻速达3.05 m/h，使用效果良好，见表5。

表5 花页7井不同取心钻具组合使用效果

6 结论与建议

1）针对硬、脆、碎性泥页岩地层取心，建议使用类似戴比特FLC0806G 或川克LS1663 六刀翼8 mm齿径的取心钻头，该类型PDC 取心钻头齿径小、刀翼宽能提高钻头工作稳定性，利于岩心成形。

2）推荐使用有通用底轴承的苏Ⅲ型取心筒，以提高钻进过程稳定性，增强对易破碎性地层适应性，同时配合使用强度较高的钢制内筒，降低内筒变形可能，提高进尺。

3）对于苏北盆地阜二段破碎地层取心，优先选择戴比特/川克六刀翼取心钻头+苏Ⅲ型取心筒+钢制内筒取心工具组合，该组合稳定性强，有利于提高取心进尺和收获率。

4）后续可进一步加强对取心内筒的研究工作，研制具有较高强度和内壁光滑度的内筒，在保证安全和稳定性的前提下提高取心进尺和收获率。