摘要
为有效解决松辽盆地南部油气田储集层取心钻头选型困难、机械钻速低和岩心收获率不稳定等难题，在分析取心井段地质特征、XRD元素组分占比、地层可钻性的基础上，开展了取心筒和岩心爪比选、取心钻头选型和个性化取心钻头的研制，同时优选取心钻具组合和优化取心参数，完善不同储集层取心工艺技术配套。比选后的取心工具配合新型取心钻头在多口井的取心实践中，取得了平均岩心收获率>98.98%、最高机械钻速达到6.03 m/h的效果。系列取心钻头优选和配套关键技术的应用解决了目前松辽盆地南部储集层取心的技术难题，可为后续取心提供可靠的参考和技术支持。
松辽盆地是叠置在古生代褶皱基底上，长约750 km、宽330~370 km呈菱形的大型中、新生代陆相沉积盆地。松辽盆地南部（以下简称松南）系指松辽平原嫩江、松花江及拉林河以南盆地部分，地跨吉林、辽宁、内蒙古三省（区
根据烃源岩发育和生储盖层垂向分布特征，松南油气成藏组合划分为浅部、中部和深部3套成藏组合，各区块油气层埋深差别较大。
浅部油气藏组合是以泉头组2段、泉头组3段及上覆河流相、浅水湖相的砂岩地层为储集层，湖相泥岩为盖层的成藏组合，埋深200~1500 m。浅部砂岩储集层埋藏浅、物性好、孔隙度>10%。地层可钻性级值3~
中部油气藏组合是以登娄库组和泉头组1段扇三角洲、三角洲相砂岩为储集层，浅水湖相泥岩为盖层的成藏组合，此油藏组合埋深变化较大，一般埋深在1500~2500 m，登娄库组最大埋深为2900 m，中部储集层以含砾中粗砂岩、中细砂岩为主，孔隙度8%~22%，全岩X衍射定量分析表明，石英含量56%~61%、粘土含量<5%（见
深部油气藏组合是以火石岭组、沙河子组、营城组深湖—半深湖相沉积岩为烃源岩和盖层，水下扇、扇三角洲砂体为储层构成的近烃源自生自储式成藏组合，为油气田主力油气层，也是主要取心层位。此油藏组合埋深>1600 m，一般在2500 m以深，有部分区块火石岭组缺失（如DB14井）或钻井未揭
部分预探井为确认地层，在基底地层进行钻井取心，以确定所钻地层岩性和层位。基底岩性一般为前震旦系花岗片麻岩、云母长石石英片岩、石英片麻岩、千枚岩等，牙轮和PDC适用岩石的可钻性级值均普遍大于10。基岩取心较少，基岩的强度高、研磨性强、可钻性差，常规PDC取心钻头易崩齿、先期损坏，所以一般选择孕镶齿或天然金刚石取心钻头，但机械钻速偏低，平均不足1 m/h。
复杂地层取心钻进时，岩心卡堵主要发生在2个位置，一是取心钻头内台阶与内筒下端卡簧（岩心爪）及轴向间隙之间；二是岩心与内筒之间的某一位
经比选，使用适合于大斜度井、定向井取心作业的DJQ172-101型取心筒，该取心筒在常规川7-5取心筒的基础上加以改进。改进的方式是在内筒与连接套之间安放了滚珠支承节（见
图1 内筒支承节
Fig.1 Inner barrel bearing joint
松南油气田营城组及以下地层成柱性较好，使用常规的摩擦式弹簧卡箍岩心爪可以确保岩心收获率。但是龙凤山区块营城组的松散砾岩取心，地层胶结差、岩心破碎，起钻过程中岩心易掉落，造成岩心收获率和岩心对位率低。
此类地层取心选用与川式取心筒相配合的卡板岩心爪（见
图2 卡板岩心爪
Fig.2 Core lifter with the snap-gauge
根据理论计算和从下部钻具组合稳定性考
在松南区块上部二开井段Ø311.2 mm井眼内取心，使用常规的Ø215.9 mm取心钻头配合Ø172 mm取心筒取心时，由于井眼尺寸与取心工具外径之间的间隙较大，在引心时易导致岩心卡箍在内筒下部的缩径接头内歪斜，形成卡心，引发磨心。根据实钻经验，推荐使用的取心钻具组合为：Ø215.9 mm取心钻头+Ø172 mm DJQ172-101取心筒+Ø165 mm螺旋钻铤1根+Ø298 mm稳定器+Ø165 mm螺旋钻铤（9~12）根+Ø127 mm加重钻杆9根+Ø127 mm钻杆，确保取心钻具组合在井眼内居中度，引心工程参数为：钻压10~20 kN、转盘转速60 r/min、排量18~20 L/s。引心进尺1.00 m以上，再使用正常的取心参数取心，可以避免引心时的卡心和磨心，达到取心进尺多和岩心收获率高的效果。
根据取心层位地质特征和可钻性级值优选了不同型号的系列取心钻头，解决常规储集层的取心技术难题。针对极难钻地层研制的个性化PDC取心钻头，解决了极难钻地层取心机械钻速低的问题，形成了松南油气田取心钻头系列。
目前松南油气田钻井施工，大部分使用“螺杆+PDC钻头”的模式，由于探井的地质资料相对较少，取心钻头PDC齿的尺寸和个性化选择主要依据是全面钻进的PDC齿尺寸减小1级来选择。因为PDC齿尺寸不同，其曲率大小不同，在相同钻压下，曲率半径小的齿产生的点载荷越高，PDC齿吃入地层的能力越强；在相同的吃入深度下，曲率半径越大的齿，破碎岩石的体积越大。取心钻进时钻压和钻头转速都明显低于全面钻进时的参数，因此需要更高点载荷尺寸的切削齿，才能获得更高的机械钻速。
切削齿排布优化上，采用NCS布齿结构或副切削齿设计，形成不同曲率、不同层次的切削结构，提高钻头的受力均衡性及工作稳定性，防止PDC切削齿的加速磨损；同时，优化切削齿后倾角设计，在相同的钻压和扭矩下，后倾角越小的钻头，钻进速度越
根据全岩X衍射定量分析数据和实钻资料证明，松南油气田取心的储集层石英和长石含量高、粘土含量相对较低，为硅质不分散硬脆性地层，取心钻头无泥包现象。因此取心钻头的选型主要依据储层沉积环境、物性、可钻性、充填物的岩性来选择。参见
泉头组的储集层以细砂和粉砂岩为主，物性条件较好，结合岩石可钻性级值3~4，选择16 mm齿、6刀翼、高负前角设计的取心钻头，如GC506T
登娄库组的储集层以含砾细砂岩和泥质粉砂岩为主，储层物性相对一致，钙质和泥质夹层少，结合岩石可钻性级值6~8，选择13 mm齿、6刀翼、中负前角设计的取心钻头，如GC406T、MC13124型。
营城组、沙河子组和火石岭组的储集层以中砂岩、砾岩、粗砂岩和火山岩为主，岩性一般较粗，钙质夹层多、泥质含量低，结合岩石可钻性级值7~10，选择8 mm齿、8刀翼、低负前角设计的取心钻头，如GC315、GC315M、GC315M-Ⅱ型取心钻头。
取心层位主要以营城组1段Ⅰ亚段的灰黑色泥岩和泥质粉砂岩为主，含粉砂质泥岩条带，岩性致密。梨页1井泥页岩取心时，结合地层特点，借鉴南方非常规页岩气取心经验，选用成熟的GC315M型取心钻头连续取心10回次，取心进尺180.34 m，岩心长180.34 m，岩心收获率100%，平均机械钻速3.54 m/h。
基岩取心地层，岩性为前震旦系花岗片麻岩、云母长石石英片岩、石英片麻岩、千枚岩为主，岩石可钻性级值>10。选用8 mm齿、12刀翼、低负前角设计的取心钻头GC315M-Ⅲ或新研制的G506-BZ（异型奔驰齿和进口PDC混布）型取心钻头，2口井共取心3回次，取心进尺18.30 m，岩心长18.30 m，岩心收获率100%，平均机械钻速2.01 m/h，远高于早期使用孕镶取心钻头的机械钻速（0.40~0.70 m/h）。
营城组、火石岭组和基岩地层岩石硬度高，可钻性极差，以往在该段取心时都是采用孕镶取心钻头或天然金刚石取心钻头，机械钻速慢、取心周期长，导致岩心长时间在钻井液中浸泡，容易被污染及水化散碎。针对上述问题，研发设计了一种适用于基岩地层取心的PDC钻头（见
图3 G506-BZ取心钻头
Fig.3 G506-BZ coring bit
梨8井是松辽盆地东南隆起区断陷的一口预探井，在该井Ø311.2 mm井眼登娄库组取心过程中，使用Ø215.9 mm取心钻头+Ø172 mm DJQ172-101取心筒＋Ø165.1mm钻铤×8根＋Ø127 mm加重钻杆×10根＋Ø127 mm钻杆的钻具组合，由于卡心，取心进尺只有2.04 m，分析认为是取心筒与井眼环隙偏大、下部钻具居中度差导致的卡心。因此，改用钻具组合为：Ø215.9 mm取心钻头+Ø172 mm DJQ172-101取心筒+Ø165 mm钻铤×1根+Ø298 mm稳定器+Ø165 mm螺旋钻铤（9~12）根+Ø127 mm加重钻杆×9根+Ø127 mm钻杆，连续2回次取心，进尺17.00 m，岩心长17.00 m，岩心收获率100%。
在殷东1井Ø311.2 mm井眼井斜22.5°的井况下，使用上述钻具组合进行双筒取心，取心井段2270.02~2284.76 m，进尺14.74 m，岩心长14.74 m，岩心收获率100%。
部署在松南区块的十屋17井沙河子组、火石岭组和东深2井营城组试验奔驰齿G506-BZ取心钻头配合DJQ172-101取心筒取心4回次，取心进尺32.00 m，岩心长32.00 m，岩心收获率100%，机械钻速稳定。与优选前取心数据相比，G506-BZ取心钻头效果明显，见
龙凤山区块部分营城组地层松散、胶结差，岩心比较破碎，起钻过程中岩心易掉落，造成岩心收获率低。针对这一问题，北220-1井营城组取心使用卡板岩心爪，较使用弹簧卡箍岩心爪的北210-2井取心岩心收获率有大幅提高，见
（1）根据储集层地质特征和可钻性级值，优选了不同型号的系列取心钻头以及取心筒，优化了取心钻具组合，解决了松南油气田常规储集层的取心技术难题。
（2）松南油气田部分胶结弱、成柱性差、松散砾岩层、岩心破碎层位取心，使用卡板岩心爪可以保证岩心收获率达到98%以上。
（3）新研制的G506-BZ取心钻头，可以大幅度提高火山岩和基岩的机械钻速，配合川式系列取心工具取心可以获取高岩心收获率和高质量的岩心资料。
参考文献（References）
郭巍，于文祥，刘招君，等.松辽盆地南部埋藏史［J］.吉林大学学报（地球科学版），2009，39（3）：353-360. [百度学术]
GUO Wei， YU Wenxiang， LIU Zhaojun， et al. The burial histoty of the southern Songliao Basin［J］. Journal of Jilin University（ Earth Science Edition）， 2009，39（3）：353-360. [百度学术]
穆国臣，陈晓峰，王雪.松南地区深井钻井提速难点与对策［J］.石油钻探技术，2011，39（6）：19-22. [百度学术]
MU Guochen， CHEN Xiaofeng， WANG Xue. Difficulties and applied technical strategy in deep well drilling in Songnan Area［J］. Protruleum Drilling Techniques， 2011，39（6）：19-22. [百度学术]
巢贵业.松南地区火山岩水平井优快钻井技术［J］.石油钻探技术，2013，41（6）：62-67. [百度学术]
CHAO Guiye. Optimized horizontal well drilling technologies for volcanic formation in Songnan Area［J］. Protruleum Drilling Techniques， 2013，41（6）：62-67. [百度学术]
俞凯，刘伟，沈阿平，等.松辽盆地长岭断陷火山岩气藏勘探开发实践［M］.北京：中国石化出版社，2014. [百度学术]
YU Kai， LIU Wei， SHEN Aping， et al. Exploration and Development of Volcanic Gas Reservoirs in Changling Fault Depression in Songliao Basin［M］. Beijing： Sinopec Press， 2014. [百度学术]
陈安明，张进双，白彬珍，等.松辽盆地深井钻井技术难点与对策［J］.石油钻探技术，2011，39（4）：119-122. [百度学术]
CHEN Anming， ZHANG Jinshuang， BAI Binzhen， et al. The drilling problem and countermeasurees of deep well in Songnan Area［J］. Protruleum Drilling Techniques， 2011，39（4）：119-122. [百度学术]
苗长盛，徐文，刘玉虎，等．松辽盆地南部火山岩储层特征［J］．吉林大学学报（地球科学版），2020，50（2）：635-643. [百度学术]
MIAO Changsheng， XU Wen， LIU Yuhu， et al. Characteristics of volcanic reserviors in southern Songliao Basin［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2020，50（2）：635-643. [百度学术]
李鑫淼，李宽，梁健，等.复杂地层取心钻进堵心原因分析及其预防措施［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（12）：12-15. [百度学术]
LI Xinmiao， LI Kuan， LIANG Jian， et al. Core jamming causes and prevention in drilling difficult formation［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2018，45（12）：12-15. [百度学术]
段绪林，卓云，郝世东，等.对破碎地层取心预防磨心的认识与建议［J］.钻采工艺，2019，42（1）：99-100. [百度学术]
DUAN Xulin， ZHUO Yun， HAO Shidong， et al. Understanding and suggestions on preventing coring from fractured stratum ［J］. Drilling & Production Technology， 2019，42（1）：99-100. [百度学术]
施山山，闫家，李宽，等.破碎地层取心钻具研究现状及展望［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（7）：56-61. [百度学术]
SHI Shanshan， YAN Jia， LI Kuan， et al. Research status and prospects of coring tools for broken formation［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2020，47（7）：56-61． [百度学术]
曹华庆，高长斌.非常规龙马溪组和牛蹄塘组页岩取心技术［J］．油气藏评价与开发，2018，8（2）：80-84. [百度学术]
CAO Huaqing， GAO Changbin. Shale coring technology in Longmaxi Formation and Niutitang Formation of unconventional shale gas field［J］. Oil and Gas Reservoir Evaluation and Development， 2018，8（2）：80-84. [百度学术]
蒋应政.多用取芯工具［J］.石油钻探技术，1991，19（4）：12-15. [百度学术]
JIANG Yingzheng. Multi‑purpose coring tool［J］. Protruleum Drilling Techniques， 1991，19（4）：12-15. [百度学术]
梁海明，裴学文，赵波.页岩地层取心技术研究及现场应用［J］.石油钻探技术，2016，44（1）：39-43. [百度学术]
LIANG Haiming， PEI Xuewen， ZHAO Bo. Research and field application of shale formation coring technology［J］. Protruleum Drilling Techniques， 2016，44（1）：39-43. [百度学术]
姜伟.水平井及大斜度井下部钻具组合的弹性稳定性［J］.石油机械，1995，23（11）：32-37. [百度学术]
JIANG Wei. Elastic stability of drilling assembly in horizontal well and downhole with high inclination［J］. China Petroleum Machinery， 1995，23（11）：32-37. [百度学术]
李子丰，梁尔国.钻柱力学研究现状及进展［J］.石油钻采工艺，2008，30（2）：1-9. [百度学术]
LI Zifeng， LIANG Erguo. Research status and progress of drill string mechanics［J］. Oil Drilling & Production Technique， 2008，30（2）：1-9. [百度学术]
