摘要
目前在取心钻探工程中，仍然存在破碎地层取心率低、取心钻效低等问题。本文根据岩性和破碎成因对破碎地层进行了分类，可分为坚硬破碎、软弱破碎、脆性破碎和松散破碎；分析了破碎地层取心时易发生的问题：岩心冲蚀、堵心、磨心、丢心。认为造成破碎地区取心问题的主要原因为，坚硬破碎为岩心碎涨体积增加导致岩心管堵塞，松散破碎为冲洗液对岩心的冲蚀；软弱破碎和脆性破碎则是碎涨和冲蚀二者都有，并且钻速较高堵心不易发现。破碎地层提高采取率的应对措施：低钻压、低转速、低泵压和高性能水基聚合物冲洗液取心工艺；防冲蚀内外阶梯侧喷式取心钻头、复合式岩心爪、双管单动绳索取心器。相关技术在河北省唐山市宋家营南综合气调查ZG1孔煤层取心进行了应用，煤系地层整体取心率达到了98.77%。该工艺对破碎地层钻探取心具有一定的参考借鉴意义。
随着技术进步，地面物理探测技术有了很大发展，对于地下情况探测越来越准确，但是仍然不能完全取代钻探取心。钻探工作中取出的岩心是最直观的实物，是各种物探和理论分析计算的最终验证。目前取心工作仍然面临一些困难，钻遇破碎地层往往存在取心率低、取心钻效低等问题。工程技术人员在此问题上做了很多研究，提出了多种解决方
破碎地层因岩性和破碎成因的不同，可分为多种类型（详见
| 分 类 | 特 点 | 破碎原因 | 地层岩性 | 典型岩石 |
|---|---|---|---|---|
| 坚硬破碎 | 块体坚硬，裂隙发育 | 地质构造运动 | 变质岩、火成岩 | 花岗岩 |
| 软弱破碎 | 整体强度低，有软弱夹层 | 地质构造运动 | 沉积岩 | 砂岩、泥岩 |
| 松散破碎 | 强度极低，孔隙发育 | 半成岩、不成岩 | 沉积岩 | 砂砾石 |
| 脆性破碎 | 强度较低，脆性 | 脆性物含量高，孔隙发育 | 沉积岩 | 煤层 |
坚硬地层裂隙发育、破碎，取心钻进时岩石碎涨，堵心后岩心磨损导致取心率
破碎地层取心顺利与否涉及孔壁稳定性、岩心的冲刷、堵心磨心、岩心的卡取等方面。保持孔壁的稳定性，防止钻进期间孔壁失稳，掉块、坍塌引起的卡钻，是钻取岩心的前提；在取心钻进时岩心与孔壁分离过程中，减少钻进破岩对岩心的影响，防止冲洗液冲蚀岩心；岩心装入岩心内管的过程中防止岩心堵塞，岩心堵塞之后能立即发现，防止将岩心磨掉；钻取岩心后，进行割心使进入内管的岩心与下部地层分离，提钻卡取岩心，防止已经进入岩心管的岩心滑落。整个取心过程中包含复杂的物理力学化学耦合作用。
对于完整性地层，其连续性好，孔壁破坏失稳可以使用经典静力学理论来解释，取心形成井眼过程中伴随原岩应力的重新分布，在应力场演变过程中，局部应力超过岩石的峰值强度，则岩石发生破坏，破坏范围延深的一定程度，孔壁失稳发生掉块或坍塌，造成卡钻。但是由于完整性地层孔壁失稳通常存在裂隙的亚临界扩展过程，起扩展速率显著低于岩石断裂速率，因此完整性地层，孔壁和岩心往往是较为完整的，易于取出完整岩心。
对于破碎地层，由于大量天然节理裂隙和软弱结构面的存在，将地层岩石切割成独立的小块，呈现出高度离散化的特点，整体力学特性受摩擦系数影响严重。破碎地层发育大量小尺度天然裂缝和胶结强度低的弱结构面，在细观尺度上，摩擦系数决定着岩块接触面的抗剪切滑移强度和应力的传递路径与效率。宏观上，摩擦系数是控制破碎地层离散块体间接触力网络的优势方位、结构复杂度和非均匀性等的关键参数。
钻孔底部岩层面初始暴露时，由三向原岩应力状态，变为平面二向应力状态。经历第一次应力卸载过程，切屑齿接触岩石并逐渐加压直至局部压强超过其承载能力，岩层经历局部应力集中和破坏卸载过程。初始暴露的面积越大、切削齿直径越大，应力卸载、加载再卸载的影响范围就越大，对岩心的破坏就越严重。冲洗液滤液在静液柱压力和喷射冲击压力下，沿岩心裂隙面侵蚀进入岩心内部，导致岩心内聚力和内摩擦角降低，体积膨胀。加之破碎地层本身孔隙度高、强度低，还可能伴生油、气等因素，岩心极易破碎。破碎地层的井周岩体完整性变差，在井眼尺度上已具有离散介质特征，维持孔壁稳定的地质环境明显恶化。同时，破碎地层孔壁对井眼轨迹、压力波动、钻柱碰撞摩擦和冲洗液冲刷等外部作用力的响应更为迅速直接，工程因素诱发孔壁失稳的风险显著增大。
采取“三低”即低钻压、低转速、低泵压和高性能冲洗液技术。低转速，减少岩心内筒摆动，保持岩心原始构造状态，减轻碎涨，防止堵心；低泵压减少取心钻头的水力压降，满足安全钻进的同时，减少对岩心的冲蚀；低钻压，及时控制取心机械钻速，又减少取心筒的压屈，使取心筒处于悬直状态，利于岩心顺利进入内筒。高性能冲洗液，低失水、强护壁、强润滑，高携岩能力。
强度低的破碎地层，岩心极易由于冲洗液的冲刷而丢失，因此选用内外阶梯侧喷式钻头，如
图1 阶梯式侧喷和底喷PDC钻头
Fig.1 Stepped side‑injection and bottom‑injection PDC bit
箍式岩心爪与弹簧片式岩心爪配合使用（如
图2 复合式岩心爪总成
Fig.2 Compoound core claw assembly
工作区处于开平向斜西南端的东南翼，整体呈现由东南向西北倾伏的背斜形态，该背斜西南翼较陡，倾角一般在15°~25°之间变化，东北翼较缓，倾角一般在15°~20°之间变化；区内发育有老母庙向斜，东北翼较缓。断裂构造较发育，落差较大。
ZG1钻孔为煤田取心孔，位于开平向斜南端，区域内地层发育较全，太古界、元古界、古生界及新生界均有出露。太古界、元古界出露在开平煤田以北及北东；古生界主要出露在唐山市附近，开平煤田北部及东北部均有较大面积出露，第三系分布较广，第四系遍布全区域。煤系地层属晚古生代石炭—二叠纪含煤建造。煤系基底为寒武—奥陶系煤系，上覆地层为二叠系上、下统及新生界第三系和第四系，不整合沉积于各系地层之上。
ZG1钻孔上部第四系地层厚达562 m，岩性松散且有流沙层，易垮塌，新近系地层裂隙发育易漏失，易缩径，因此采用二开钻孔结构，煤系地层上部下入地质套管，起到护壁作用，保障取煤作业安全。钻孔结构数据见
| 开次 | 钻头尺寸/mm | 孔深/m | 套管直径/mm | 套管壁厚/mm | 套管下深/m | 水泥返深 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 一开 | 152.4 | 959 | 114.0 | 6.0 | 0~959 | 地面 |
| 二开 | 98.0 | 1500.18 | 裸眼 | |||
ZG1钻孔施工使用HXY-8B型钻机，该型钻机兼具立轴回转和转盘回转的特点；使用机械传动，立轴回转，液压给进，转速适用范围宽，钻压控制精准，主要技术参数见
| 性 能 | 参 数 |
|---|---|
| 钻进深度/m | 1000~3200 |
| 钻杆直径/mm | 50、60、71、89、114 |
| 立轴行程/mm | 800 |
| 立轴最大起重力/kN | 300 |
| 立轴最大加压力/kN | 141 |
| 卷扬机最大提升力/kN | 125 |
| 钻机质量/kg | 6000 |
其他钻探设备配套主要有钻塔、泥浆泵、振动筛、电机等，详见
| 序 号 | 设备名称 | 参 数 | 件/套 |
|---|---|---|---|
| 1 | 钻塔 | SG18 | 1 |
| 2 | 钻机 | HXY-8B | 1 |
| 3 | 泥浆泵 | NBB260/7 | 1 |
| 4 | 泥浆泵 | BW300/12 | 1 |
| 5 | 振动筛 | 15 kW | 1 |
| 6 | 搅拌机 | 5 kW | 1 |
| 7 | Ø89 mm拧管机 | SQ-114/8 | 1 |
| 8 | 钻机电机 | 75 kW | 1 |
| 9 | 泥浆泵电机 | 45 kW | 1 |
| 10 | 备用发电机 | 150 kW | 1 |
| 11 | 测斜仪 | KXP-3D | 1 |
ZG1孔于2023年5月开钻，7月12日一开完钻。一开直径152.4 mm，一开完钻孔深959 m；随后进行了裸眼测井及下套管作业，下套管下至孔深563 m遇阻，提出全部套管使用原钻具通井，8月1日扫孔通井至孔底，最后使用Ø148 mm扶正器通井、套管通井，孔内畅通无阻力后于8月8日顺利下入Ø114 mm套管至孔深959 m处，次日完成固井；候凝期间更换取心钻具、整理井场。
2023年8月20日开始二开钻进，二开直径98 mm，使用S95绳索取心工具和Ø98 mm取心钻头进行连续取心作业。8月23日取心至孔深993.8 m下钻时发生卡钻事故，随后倒开钻具，使用反丝钻具打捞，于9月7日处理卡钻事故完成，继续绳索取心钻进，于10月23日钻进至孔深1500.18 m完钻。
地球物理测井曲线如
图3 煤层测井曲线
Fig.3 Coal seam logging curve
煤层埋深较大，主要煤层埋深>1200 m，原岩应力相对较大。因此煤层取心时，孔壁易失稳、易垮塌、易堵心、易冲蚀，且由于机械钻速较高，不易发现煤层岩心堵塞时的磨心、冲蚀等情况。往往煤层岩心采取率较低，达不到地质目的。
二开取心段钻具组合采用Ø98 mm取心钻头+Ø96 mm扶正器+Ø89 mm取心钻杆+Ø89 mm方钻杆。进入煤系地层后选用了阶梯式取心钻头，钻头使用前后如
图4 阶梯式取心钻头使用前后照片
Fig.4 Stepped coring bit before and after use
二开取心段选用了改进后的复合式岩心爪，如
图5 改进后的复合式岩心爪
Fig.5 Improved compound core claw
煤层取心时选用了较小的钻压：10~20 kN；较低的转速：20~30 r/min；较低的排量：10~15 L/s；泵压2~4.5 MPa。选用了高性能冲洗液，采取水基聚合物低固相冲洗液体系冲洗液，重点解决垮塌（岩层较破碎）、漏失（砂岩裂隙较多）、冲洗液泡沫多以及煤系地层煤层松散（粉煤）坍塌掉块等问题。冲洗液配方：水+纯碱0.3~0.5%+钠基膨润土1~3%，聚丙烯腈铵盐0.2~0.4%+聚丙烯酸钾0.2~0.4%+火碱0.02~0.04%+广谱护壁剂0.05~0.1%+随钻堵漏剂0.05~0.1%，冲洗液性能：密度1.04~1.07 kg/L、漏斗黏度24~28 s、失水量4~5 ml、泥饼厚度0.3~0.5 mm、含砂量0.2~0.5%。将聚合物类添加剂复配成胶液持续补充入井，勤处理、勤维护，防止泥岩井段、煤层井塌。取心过程中要注意观察岩心岩性、胶结性、破碎程度的变化，及时补充相关添加剂。
煤系地层整体取心率达到了98.77%，各煤层取心情况详见
| 煤层编号 | 进尺/m | 心长/m | 采取率/% |
|---|---|---|---|
| 5 | 1.62 | 1.48 | 91.36 |
| 6 | 0.9 | 0.83 | 92.22 |
| 7 | 0.80 | 0.80 | 100 |
| 8-1 | 0.4 | 0.42 | 100 |
| 8-2 | 0.60 | 0.60 | 100 |
| 8-3 | 0.36 | 0.36 | 100 |
| 煤线 | 0.30 | 0.30 | 100 |
| 9 | 2.95 | 2.81 | 95.25 |
| 10 | 0.67 | 0.67 | 100 |
| 11 | 0.30 | 0.30 | 100 |
| 12-1 | 4.77 | 4.47 | 93.71 |
| 12-2 | 3.19 | 3.19 | 100 |
| 12-3 | 2.75 | 2.75 | 100 |
| 12下 | 1.10 | 1.10 | 100 |
图6 ZG1孔煤层岩心
Fig.6 Coal seam core of ZG1 hole
（1）根据破碎地层的岩性和破碎成因进行分类，分为坚硬破碎、软弱破碎、松散砂砾及脆性破碎。
（2）提高破碎地层采取率可以从“三低一高”技术工艺、防冲蚀取心钻头、复合式岩心爪、双筒绳索取心器方面采取措施。
（3）ZG1钻孔煤层具有大埋深高原岩应力、低强度、脆性、裂隙发育的物理力学特点，是导致破碎地层取心率低的原因，联合使用内外阶梯式侧喷及底部大流道，小直径切削齿钻头与复合式岩心爪，双管单动绳索取心器在取心内筒涂抹黄油润滑；采用低钻压、低转速、低泵压和高性能水基聚合物冲洗液取心工艺，在煤系地层整体取心率达到了98.77%。
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