第十章 钻井取心
第一节 取心方式和取心工具的选择 ........................................................................................... 2
一．取心方式的选择 ............................................................................................................... 2 二．取心工具的选择 ............................................................................................................... 3 第二节 取心钻头的选择 ............................................................................................................... 4
一．全刚石取心钻头的优点 ................................................................................................... 5 二．全刚石取心钻头的分类 ................................................................................................... 5 三．国内生产的金刚石取心钻头种类 ................................................................................... 6 四．取心钻头的结构和影响其预期性能的因素 ................................................................... 7 五．取心钻头的选择 ............................................................................................................... 8 第三节 取心工具 ........................................................................................................................... 11
一．常规取心工具 ................................................................................................................. 11 二．特殊取心工具 ................................................................................................................. 17 第四节 钻井取心工艺 ................................................................................................................. 24
一．取心原则 ......................................................................................................................... 24 二．取心的要求 ..................................................................................................................... 24 三．取心前的准备 ................................................................................................................. 25 四．对钻井液性能的要求 ..................................................................................................... 25 五．取心操作程序 ................................................................................................................. 25 六．取心故障分析 ................................................................................................................. 28 七．高温高压井取心 ............................................................................................................. 30 第五节 取心工具检修内容及标准 ............................................................................................. 31
一．取心工具质量检查与标准 ............................................................................................. 31 二．取心辅助工具 ................................................................................................................. 32 三．取心工具报废标准 ......................................................................................................... 32 参 考 资 料 ............................................................................................................................. 32
本章着重介绍取心方式、工具和钻头的选择，取心工具技术规范，取心质量标准，取心施工程序，取心钻进参数及故障分析，取心工具检修内容及标准，高温高压井取心和特殊取心工具等内容。
第一节 取心方式和取心工具的选择
取心方式有常规取心和特殊取心两类：常规取心对岩心无特殊的要求，所用的工具简单，工艺不复杂，成本低；而特殊取心取出的岩心不受钻井液污染，疏松地层岩心规矩、完整并能保持其出筒前的形状，岩心能保持其地层原始状态，但其装备和工艺比较复杂、施工难度大、成本高。因此，取心的方式应根据取心的目的、油气藏类型和勘探开发阶段的不同条件来确定。在取心方式已定的情况下，要根据取心井眼大小、井段深浅、地层岩石软硬与胶结情况来选择相应的取心工具与取心钻头。
一．取心方式的选择
1．常规取心
对岩心无任何特殊要求的取心称为常规取心。常规取心是取心作业中最大量、最常见的，无论是什么油气藏，在勘探阶段或开发阶段都要进行大量的常规取心。 （1）主要目的：
①发现油气层，了解含油气情况与储集特征，并确定油气层岩性、物性、厚度、面积等基础数据。
②建立地层剖面，研究岩相及生、储特征。 ③了解岩性与电性关系。 （2）常规取心方式： ①一般短筒取心，是指取心钻进中途不接单根的常规取心。它的工具只含有一节岩心筒，结构简单。它在整个取心作业中所占的比例最大，在任何地层条件下均可进行。
②中、长筒取心，是指钻进中途要接单根的取心。它的工具必须含有多节岩心筒，通常只有当地层岩石的胶结性与可钻性较好时，才进行中、长筒取心。中、长筒取心的目的是在保证岩心收获率较高的前提下，尽可能提高取心的单筒进尺，以大幅度提高取心收获率，降低取心成本。 2．特殊取心
对岩心有一定特殊要求的钻井取心称为特殊取心。它多用在油田开发阶段，通常有下列几种方式：
（1）油基钻井液取心，是指在油基钻井液条件下进行的取心。对储量较大的砂泥岩油气藏，在开发之前一般都要进行这种取心，其目的是取得不受钻井液自由水污染的岩心，以求获得较为准确的储层原始含油饱和度资料，为合理制定油田开发方案提供依据。由于油基钻井液不失水，性能稳定，流动性和润滑性都很好，因而岩心不存在吸水膨胀或剥落的问题，也不易断裂或磨损，取出的岩心规矩、完整、成柱性好、收获率高。
（2）密闭取心，是指以注水方式开采的砂岩油田，在开发过程中为检查油田注水开发效果，了解地下油层水洗情况及油水动态，以制定合理的开发调整方案，采用密闭取心工具与密闭液，在水基钻井液条件下取出几乎不受钻井液自由水污染的岩心。由于油基钻井液取心成本高，在密闭取心质量指标有保证的前提下，密闭取心可代替油基钻井液取心。
（3）海绵取心，是指内岩心筒装有特制海绵衬管的取心。采用预饱和的海绵衬管，在水基钻井液条件下，能取得含油饱和度相当准确的岩心。这是国外近年来发展起来的一种取心，工艺结构不太复杂，但成本高，适用于中硬～硬地层。
（4）保压密闭取心，是指在砂岩油田的开发后期，为了准确求得当时井底条件下储层流体饱和度、储层压力、相对湿度及储层情况等资料，为了制定合理的开发调整方案，提高油田最终采收率，采用保压密闭取心工具与密闭液，在水基钻井液条件下，钻取保持储层流体完整性的岩心。也就是钻取不受钻井液自由水污染并保持当时井底条件下储层压力的岩心。这种取心装备与工艺比较复杂，成本高，适用于具有成岩性的软、中硬及硬地层。 （5）疏松砂岩保形取心，是指在疏松砂岩地层中保持岩心原始（出筒前）形状的取心。因为在疏松砂岩地层，由于岩心强度低，不成柱，岩心出筒后就往往自成一堆散砂，岩心物性资料无法获得。因此，保持岩心原有形状，避免人为破坏，就成为保形取心的技术关键。目前，多级双瓣组合式岩心筒、橡皮筒、玻璃钢内筒以及复合材料衬筒，均可满足保形取心的要求，但唯有多级双瓣组合式岩心筒成本低，使用方便。
（6）定向取心，是指在油气藏的勘探开发过程中，为直观了解储层的构造参数，全面掌握地质构造的复杂性及其变化，制定出经济合理的勘探开发方案，采用定向取心技术以取出能反映地层倾角、倾向、走向等构造参数的岩心。定向取心只适用于岩心成柱性较好的地层。
二．取心工具的选择
取心钻头的主要功用是形成岩心，而取心工具的主要功用则是保护岩心和取出岩心。显然没有合适的取心工具就不可能高质量地取好岩心。根据割心方式，目前国内外的取心工具基本上可分为加压式、自锁式和砂卡式三类。割心时，下放钻具，岩心爪靠钻压和内筒下滑冲击力收缩变形，包住、卡断或扭断岩心的取心工具称为加压式取心工具。割心时上提钻具，岩心抓靠自身的弹性力或它与岩心之间的摩擦力收缩变形，卡紧并拔断岩心的取心工具称为自锁式取心工具。割心时，钻具不动，因没有岩心抓，只能靠形状大小不同的石子（砂子），在液力作用下将岩心根部卡紧、扭断或拔断岩心的取心工具称为砂卡式取心工具。需要特别指出的是，经过30多年来的生产实践证明，加压式取心工具是我国特有的，是用于松散、松软地层的简单而有效的取心工具，不仅岩心收获率高，而且使用方便，成本低。通常在取心方式确定以后，就要根据井眼大小、井段深浅、岩石软硬与胶结情况以及其他特殊的要求来选择取心工具。
1．取心长度的选择
一次取心的长度是根据地层情况、钻头寿命、目的层厚度和能获得满足地质要求的较高岩心收获率来决定的。目的层较薄，一次取心长度可以短些，反之，可以长些；岩石较硬、倾角较小、交错变化的层数较少、岩心成柱性较好的地层，一次取心长度可以长些，反之，可以短些。在正常情况下，井愈深，泵压愈高，地层愈硬，岩心直径愈小，一次取心的长度应该更短些。总之，只要在能满足地质要求的岩心收获率前提下，都可以考虑长些，但取心长度一般不能超过内岩心筒有效长度的95％。 2．不同井深条件下取心工具的选择 浅井取心由于起下钻速度快，可以选用短筒取心工具。短筒取心工具一般只有一节岩心筒，在取心钻进中不需要接单根。由于它结构简单，在整个钻井取心工作中，占的比例最大。 深井取心，随着井深的增加，取心作业越来越困难。若取心地层的岩石胶结性与可钻性比较好，应尽可能采用中、长筒取心，以提高单筒取心进尺和岩心收获率，降低取心成本；若取心地层岩性松散，胶结性不好，应采用短筒取心，以提高岩心收获率。
3．根据地层岩性选择取心工具
根据地层岩性选择合适的取心工具，对取心工作的好坏是具有决定意义的。一般说来，无论什么取心方式，在松散、松软地层中应选用加压式取心工具，而在中硬～硬地层以及岩心成柱性较好的软地层中应选用自锁式取心工具，在这个大前提下再考虑岩心筒的长度问题。当地层易破碎时，应选用外返孔取心工具。当取心井段为水平井眼时，应选用水平井取心工具。当井深，裸眼稳定，岩心成柱性好，对岩心直径要求不大时，可选用绳索式取心工具。
4．根据取心方式选择取心工具 由地质设计要求确定的取心方式，有常规和特殊取心方式两类。可供选择的常规取心工具不仅包括一般的加压式与自锁式取心工具，而且还包括自锁式中的外返孔取心工具、水平井取心工具和绳索取心工具等。可供选择的特殊取心工具不仅包括加压式与自锁式的油基钻井液取心工具、密闭取心工具和保形取心工具，而且还包括自锁式的保压密闭取心工具、海绵取心工具和定向取心工具等。无论什么取心方式，都要根据取心地层的岩性软硬与胶结情况、井眼大小与深浅选择相应的取心工具。不同条件下取心方式、取心工具与取心钻头的选择，可参考表10－1。
第二节 取心钻头的选择
取心钻头是钻进地层、形成岩心的关键工具。岩心形成快与慢、好与坏，都直接影响收
获率的高低。因此，取心钻头选择合理与否，将直接影响取心的质量与收获率。目前，国内外钻井取心均广泛使用金刚石取心钻头。
一．全刚石取心钻头的优点
1．金刚石取心钻头使用效果好，特别是胎体式金刚石取心钻头，能保证钻头出刃均匀。金刚石耐磨，胎体耐冲蚀，因而钻进平稳，速度快，收获率高，使用寿命长，综合经济效益好。
2．金刚石取心钻头适用范围广。从极软至极硬地层，均有与之相适应的各种系列的金刚石取心钻头供选择，完全能满足各种条件下取心的需要。 3．胎体金刚石取心钻头成型容易，加工简便，成品率高。
二．全刚石取心钻头的分类
根据破岩的方式，取心钻头可分为三类： 1．切削型钻头
这种钻头以切削作用为主要破岩方式，钻头多为钢体结构，如图10－1所示。工作面呈阶梯刮刀式，镶硬质合金或聚晶人造金刚石，刀片均匀分布在一个同心圆的环形面上。为了提高切削效率，根据岩石可钻性的不同，刀片具有不同的切削角。钻头的刀片与钻头体焊接牢固，刀片的底刃面与钻头中心线相垂直。另外，钻头的岩心入口离岩心爪近，使岩心一形成就很快进入内筒内而被保护起来。适用干中、软地层取心。
2．微切削型取心钻头
这种钻头（如图10－2）以微切削地层为主要破岩方式。钻头多为胎体结构，工作面呈单锥曲面、双锥曲面、抛物线曲面等多种曲面，表镶天然金刚石、人造聚晶金刚石复合片。适用于各种中硬、硬地层取心，钻进速度中等，钻进平稳，岩心收获率高。