取岩心

岩心是油田上寶貴的基礎資料。通過對岩心的觀察研究，可以直接地瞭解地下岩層的巖性、物性和含油、氣、水產狀特徵。

在油田勘探過程中，岩心是發現油氣層和研究地層、生油層、儲油層、蓋層、構造等的重要資料。油田投入開發後，要通過岩心進一步研究和認識油層沉積特徵，儲層的物性、孔隙結構、潤濕性、相對滲透率、巖相特徵，油層物理模擬和油層水淹規律；認識和掌握不同開發階段、不同含水階段油層水淹特徵，搞清剩餘油分佈，為油田開發方案設計，層系、井網調整和加密井提供科學依據。因此，從發現油田鑽第一口井開始至油田開採終止，都離不開岩心。

在20世紀50年代，國外一些地質學家稱岩心是地質人員的“麪包”，意思是地質人員離不開岩心，沒有岩心，對地下情況就不瞭解。在科學發達的今天，儘管探測地下地質情況的各種新技術、新方法不斷出現，但是，這些都是間接的。所以，岩心的作用是各種間接的探測方法（如地球物理方法等）所不能代替的。

岩心資料是最直觀地反映地下岩層特徵及其含油、氣、水特徵的第一手資料。取心的目的是，通過對岩心的觀察分析、研究解決以下主要問題：

1)瞭解巖性和巖相特徵。結合重礦物、粒度和薄片鑑定及其它測試技術分析，判斷沉積環境。

2)研究古生物化石及其分佈特徵，確定地層時代，進行地層對比。

3)通過對岩心的觀察、分析可以發現油、氣層，並對岩心的含油、氣、水產狀進行觀察描述。

4)研究生油層特徵及生油各項指標。

5)清楚油層分佈，合理劃分油層組、砂岩組和小層。

6)研究儲集層的儲油物性（孔隙度、滲透率、含油飽和度），建立儲集層物性參數圖版，確定和劃分有效厚度和隔層標準，為儲量計算和油田開發方案設計提供可靠資料。

7)研究儲集層的“四性”（巖性、物性、電性、含油性）關係，進行定性和定量解釋。

8)研究地層產狀、地層接觸關係、裂隙、溶洞及斷層發育情況等。

9)檢查開發效果，研究不同開發階段油層的水洗特徵和水淹層的驅油效率。研究水淹層的巖電關係，進行定性和定量解釋。瞭解開發過程中所必需的其他資料數據。

10)為鑽井過程中的鑽井液、可鑽性及採油過程中的壓裂、酸化等，提供岩石的物理和化學資料。 ^[1] 

取心鑽進有以下3個環節，一是環狀破碎井底岩石，形成岩心（圓柱體）；二是保護岩心：鑽進取心時，對已形成的岩心要加以保護，避免循環的鑽井液沖蝕岩心及鑽柱轉動的機械碰撞、損壞岩心；三是取出岩心：在鑽進取心到一定長度後（通常為一個單根長度，也可以進行長筒取心達幾十米甚至百米），要從所形成岩心的底部割斷並夾緊，在起鑽時隨鑽具一同提升到地面。

取心鑽進時，以上3個環節都應做好，任一環節處理不當，輕則會得不到應有數量（長度）的岩心，嚴重時會導致取心失敗，取不出岩心。為了完成以上3個環節，取心工具一般由取心鑽頭、內、外岩心筒、岩心爪、扶正器和懸掛裝置等部件組成。

取心鑽頭是環狀破碎井底岩石，在中心部位形成岩心柱的關鍵工具。岩心收穫率的大小、鑽進快慢都與鑽頭質量和選擇有關。取心鑽頭的結構設計要有利於形成岩心並提高岩心收穫率。鑽頭的切削元件要對稱分佈，其耐磨性應一致，以免在鑽進時鑽頭髮生歪斜，從而破壞及折斷岩心。鑽頭外緣與中心孔應同心，鑽頭水眼位置應使射流不直射岩心處並減少搜流對岩心的沖蝕。鑽頭的內腔應能使岩心形成後很快經岩心爪進入岩心筒而被保護起來，同時割心時儘量靠近岩心根部，以減少井底殘留岩心。取心鑽頭根據破巖方式可分為切削型、微切削型和研磨型3類：

（1）切削型取心鑽頭以切削方式破碎地層。主要包括刮刀和PDC鑽頭。

（2）微切削型取心鑽頭以切削、研磨同時作用方式破碎地層。這類鑽頭多為各種聚晶金剛石與胎體燒結成一體的結構。

（3）研磨型取心鑽頭。主要以研磨方式破碎地層。有表鑲或孕鑲天然金剛石與聚晶金剛石兩種。

除地質構造的鑽探使用單岩心筒取心外，石油鑽井常用的岩心筒都是由內筒和外筒（雙筒）組成。

內岩心筒的作用是存儲及保護岩心。取心時為了使岩心順利進入內筒，應使筒內液體及時排出，為了防止鑽井液沖刷岩心，應阻擋循環鑽井液衝入內岩心筒，為此，在內岩心筒上端裝有分水接頭與回壓閥總成。此外，為了有效保護岩心，要求在取心鑽進時內筒不轉，一般將內筒掛在外筒的頂部，採用了懸掛式滾動軸承裝置。取心工藝要求內岩心筒無彎曲變形、內壁光滑、管壁要薄，但要有足夠的強度和剛性。

外岩心筒的作用是取心鑽進時承受鑽壓、傳遞扭矩而帶動鑽頭旋轉並保護內岩心筒。因此，要求外岩心筒強度大，無彎曲變形，常用14~25mm的優質厚壁鋼材（如35CrMo,30CrMnSi）加工製成。內、外岩心筒的長度一般為5~13m左右。在較硬的緻密岩層中取心，若鑽頭進尺較多時，內、外岩心筒可長一些，例如四川地區常用的中筒取心工具，其岩心筒長度一般為12~13m。在鬆軟地層取心，雖然鑽頭能鑽更多的進尺，但由於岩心強度低、易於破碎，為了提高岩心收穫率，其內、外岩心筒長度宜短一些，一般為5~8m。對於破碎地層取心，內、外岩心筒的長度也應短些。在鑽頭進尺較多又能有效保護岩心時，內、外岩心筒長度可儘量長一些，這樣可以大大減少取心起下鑽次數，符合高效低耗的要求，特別在深部地層取心時，採用長筒取心工藝減少了起下鑽次數後，可大大降低取心費用。我國自己設計，製造的長筒取心工具一次可取心145.42m。此外，長筒取心工具內、外岩心筒的連接過去多用方型扣，採用帶錐度的粗扣連接後，不僅便於操作，而且還增加了連接強度，使用效果較好。回壓閥是裝在內岩心筒上端的一個單流閥，其作用如前所述。對回壓閥結構有所改進。例如有的油田在取心下鑽時只裝回壓閥球座，下完鑽後可通過大排量循環鑽井液，這樣既清洗內筒又可將井底沖洗乾淨。鑽井液循環後，開始取心鑽進前才將閥鋼球投入，使用效果良好。

岩心爪的作用是割取岩心和承託已割取的岩心柱。因此，要求岩心爪要有良好的彈性，割心時能卡得牢。既要允許岩心順利進入內岩心筒而不會遭受破壞，還要能有效地從根部割斷岩心。此外，岩心爪要具有足夠的強度，堅固耐用，在鑽進與割心時不會發生斷裂與破壞，並能在起鑽時可靠地托住岩心。常用的岩心爪有卡箍式、卡板式、卡瓦式等幾種結構。

（1）卡箍式岩心爪：它的形狀如圓箍，圓箍上開有數道缺口，把它分為許多瓣，每瓣內車有數圈卡牙，卡箍的外壁呈截錐狀，與縮徑套配合使用。縮徑套有同樣錐面。岩心爪沿縮徑爪座（縮徑套）移動時，其爪牙收縮卡緊岩心。卡箍式（一把抓）岩心爪缺口寬，瓣少，卡牙圈數少，適用於軟地層取心；如圖5-3(b)所示，卡箍式岩心爪缺口窄，瓣多，卡牙圈數多，適用於中硬地層取心。

（2）卡瓦式岩心爪：適用於中硬、硬地層取心。它由掛套、銷軸、卡瓦彈簧及卡瓦片組成。卡瓦片可依賴扭簧力量使其張開。鑽進時緊貼鑽頭內壁。割心時，在外力作用下使岩心爪沿鑽頭內壁向下移動，卡瓦片收縮包緊岩心。

（3）卡板式岩心爪：適用於中硬地層、硬地層取心，一般和其他岩心爪複合使用。其結構由外座、扭簧及片狀卡板組成。

外筒扶正器可保持外岩心筒和鑽頭工作穩定，並有利於防斜。過去由於怕卡鑽而不敢使用外筒扶正器，致使岩心收穫率很低。根據國外介紹及國內實踐證明：使用外筒扶正器能提高取心工具的穩定性，是增加鑽頭壽命及提高岩心收穫率的有效措施，特別對於硬地層取心其效果更加明顯。具體使用時，一般在鑽頭上邊帶一個扶正器，中筒、長筒取心工具最好在每節外筒上均帶一個扶正器。扶正器外徑一般比鑽頭外徑小V_l6in為宜。國外資料介紹有的甚至採用與鑽頭外徑一樣大的方稜螺旋外岩心筒，岩心收穫率極高。但在複雜井段取心，也應注意安全。

內簡扶正器可保持內筒穩定，特別在長筒取心工具中更為重要。內筒扶正器可使鑽頭與內筒對中，岩心易於進入內岩心筒，但扶正器外徑要適宜，以免發生內筒隨外筒一起旋轉的現象。

鑽頭與外岩心筒。在鬆軟和易塌地層取心時，鑽頭與外岩心筒的直徑差不能太小，以免由於外岩心筒與井壁間隙太小而引起泵壓高，這不僅不利於清洗井底，還可能造成卡鑽等井下複雜情況。在易斜地層取心，若井下條件許可，應減小鑽頭與外岩心筒的間隙值，或加入一定數量的扶正器、擴大器，以利禾防斜。在硬及膠結較為緻密的中硬地層中取心，應根據井下情況儘可能選用外岩心筒較大的取心工具。

通常情況下，取心鑽頭外徑比全面鑽進用鑽頭外徑略小，但大於外岩心筒接頭外徑10~20mm。鑽頭內徑應比內岩心筒的內徑要小些，才能使岩心順利進人內岩心筒，但二者差值要適當，具體尺寸應根據不同地層巖性確定，一般比內岩心筒的內徑小3~10mm。

內、外岩心筒的間隙，應保證鑽井液順利流過，避免發生泵壓過髙的現象（特別是深井取心），一般以10~20mm間隙為宜。

岩心爪的最大內徑應稍大於或等於內岩心筒內徑，在易膨脹及破碎地層應稍大些，硬地層要小些。四川石油管理局鑽採工藝研究所製作的帶內槽整體卡箍式岩心爪，自由狀態下內徑比岩心略小2~3mm，卡箍張開時的內徑比自由狀態大5mm，收縮後又比其小5mm。此外，卡箍錐面與爪座內錐面吻合，內齒表面敷焊碳化鎢顆粒以增強其耐磨性，有利於卡心。這種岩心爪操作方便，割心時只需上提鑽具，卡箍收縮卡緊即可拔斷岩心，在硬地層及超深井中使用能取得很高的岩心收穫率。

鑽頭內台肩與岩心爪應有5~10mm間隙，沒有間隙或間隙很小時，內岩心筒將隨鑽頭轉動：間隙太大，岩心爪距並底太遠，則不利於保護岩心。

為了提高岩心收穫率，各生產企業合理確定各部件結構，把它們製造成與鑽進地層相適應的各種成套取心工具。下面介紹幾種現場常用的取心工具。

自鎖式取心工具是指利用岩心爪與岩心之間的摩擦力使岩心爪收縮卡心而實現割心的取心工具。

自鎖式取心工具是中硬至硬地層取心的基本工具，對岩心成柱性較好的軟地層也適應。自鎖式取心工具一般由取心鑽頭、岩心爪、岩心筒組合和安全接頭組成。岩心筒組合分為外筒組合與內筒組合，外簡組合包括外岩心筒、短節和穩定器，內筒組合包括縮徑套、短節、內岩心筒和懸掛總成。懸掛總成與安全接頭的外螺紋接頭相連，外筒組合與安全接頭的內螈紋接頭相連。岩心爪置於縮徑套之中。

由於自鎖式岩心爪具有較好的彈性和耐磨性，它的收縮與張開都屬於彈性變形，故可多次使用。因此，當長筒取心鑽井中途需要接單根時，便可通過“割心一接單根一頂開岩心爪一再取心鑽進”的辦法，實現連續取心。顯然，這就比鬆軟地層長筒取心工具的結構簡單多了。當取心工具遇卡時可從安全接頭處倒扣，將內筒組合和岩心一起提出地面，而後專門處理外筒組合。

長筒取心時，只需在短筒的基礎上，增加等長的內、外岩心筒，而不需任何其他的特殊裝置，因而結構簡單。

長筒連續取心的操作要點是“一提，二鎖，三衝，四壓”。一提是指“停轉、停泵後，緩慢上提鑽具割心”；二鎖是指“卸方鑽桿時要鎖住轉盤銷子，用旋繩卸扣，保證井下鑽具不轉動”；三衝是指“接完開泵循環，緩慢下放鑽具，沖洗井底3~5min”；四壓是指“用不低於15倍鑽壓的力靜壓井底，以頂松岩心爪，然後再微提起鑽具，輕壓起動轉盤，恢復取心鑽進”。

加壓式取心工具是指通過投球加壓迫使岩心爪收縮卡心而實現割心的取心工具，通常適用於鬆軟或破碎性地層取心。

岩心爪內徑比岩心直徑大10mm左右，只有在專門的加壓機構作用下才能變形，且為—次性收縮。加壓式取心工具也是雙筒懸掛式取心工具，可分為外筒組和內筒組兩大部分，主要的輔助工具為機械加壓接頭。

（1）外筒組。從下到上的連接次序是取心鑽頭+外筒總成+定位接頭（定位接頭本身有定位銷孔，用以穿定位銷，擰緊銷套)。

（2）內筒組。從下到上的連接次序是岩心爪（反扣）+內岩心筒+懸掛總成+分水接頭（上部有穿定位銷的銷孔）。

內、外筒的連接靠外筒組上端分水接頭銷孔裏的兩個定位銷釘，懸掛在外筒組的定位接頭上，由於滾動軸承的作用，當外筒旋轉時，內筒不旋轉。

（3）一把抓式岩心爪與內筒連接用反扣，保證岩心爪在取心鑽進時不脱扣。

（4）機械加壓接頭。機械加壓接頭連接在定位接頭上，機械加壓接頭由加壓上接頭、加壓下接頭、加壓中心管、加壓外管（六方套）、加壓內管（六方杆）等組成。鑽進時它能傳遞扭矩和鑽壓，保證正常取心。割心時，先拉開加壓接頭，然後將鋼球投入，鋼球就位後，下放加壓接頭，將鑽具重量通過鋼球和加壓中心管加於內筒上，切斷銷釘，繼續下壓內筒，迫使岩心爪牙板插入岩心，然後上提鈷柱，轉動轉盤，即可將岩心割斷。

當需要進行長筒取心時，鑽進中途必須接單根。由於鬆軟地層取心鑽進過程中絕對不允許鑽頭提離井底，因此取心工具上部還需增加接單根的專用裝置——滑動接頭，如圖5-7所示。它也是內、外滑動六方組成的滑動裝置，其有效滑動距約有11m長，足以保證接單根時取心鑽頭不被提離井底，從而確保鬆軟地層長筒取心鑽進的連續有效。

滑動接頭的上接頭與鑽鋌連接，下接頭與機械加壓接頭相連接。取心鑽進時，靠六方滑動管和六方滑動套傳遞扭矩和鑽壓。接單根時提起六方滑動套（六方滑動管可在六方滑動套內上下滑動），保證鑽頭不離開井底。

長筒取心接單根操作過程如下。取心鑽進時，六方滑動套一直頂住下接頭施加鑽壓。當方鑽桿打完（方入不超過9m）時需接單根的情況，此時上提方鑽桿，六方滑動套與加壓下接頭拉開，拉開的距離不許超過六方滑動管的有效滑動長度（一般為11m），否則上提鑽具接單根時鑽頭就要離開井底，接完單根後下至預定方入，繼續鑽進。

注意事項：

（1）取心時，滑動接頭和加壓接頭連接好，在井口要檢驗滑動接頭上下滑動靈活性及密封性。

（2）取心鑽進前要將開泵時的鑽具懸重和開泵後的正常懸重記錄下來，作為接單根時觀察懸重的參考。

（3）接單根或鑽完進尺上提時，必須觀察懸重正常後，方可上起鑽具，拉開滑動距離，才能接單根或投球加壓割心。

取心工具拉上或拉下鑽台時，必須使六方滑動管進入六方滑動套，合攏後用繩索捆牢，方可上下鑽台，以免六方滑動管彎曲。 ^[2] 

常規取心時，鑽井液的濾液侵入到岩心中，使油層岩心的含油、氣飽和度發生變化而不能取得確切的資料。密閉取心就是用密封液（預先放置在內岩心筒中的粘性高、流動性好、附着力強、防水性好的高分子液體）將鑽取的岩心迅速保護起來的取心技術。它可以防止鑽井液對岩心的污染，並可解決以下問題：

（1）取出準確的含油、氣、水飽和度的岩心資料，為計算未開發油氣田儲量及制定合理開發方案提供依據。

（2）瞭解油田採油階段的含油、氣飽和度及其分佈規律、油水動態資料，以確定合理的開採方式和開採調整方案。

（3）瞭解水淹油田中油、水分佈情況與油層巖性、物性之間的關係，為定量研究水淹油層驅油效率提供依據。

定向取心是為了鑽取岩心並確定其在原地的方位。在二次、三次採油中為了更多地瞭解地層構造，需定向取心。定向取心的目的是瞭解地層的傾角、傾向、走向以及地層與裂縫的產狀、裂縫分佈規律等，為制定開發方案提供依據。

為達到定向取心的目的，瞭解岩心的原地方位，定向取心工具應能做到：

（1）在鑽進取心時，在岩心上刻上標誌線。

（2）能測出標誌線的方位。 ^[3]