取巖心的目的

巖心資料是最直觀地反映地下巖層特征及其含油、氣、水特征的第一手資料。取心的目的是，通過對巖心的觀察分析、研究解決以下主要問題:

1)了解巖性和巖相特征。結(jié)合重礦物、粒度和薄片鑒定及其它測試技術(shù)分析，判斷沉積環(huán)境。

2)研究古生物化石及其分布特征，確定地層時代，進行地層對比。

3)通過對巖心的觀察、分析可以發(fā)現(xiàn)油、氣層，并對巖心的含油、氣、水產(chǎn)狀進行觀察描述。

4)研究生油層特征及生油各項指標(biāo)。

5)清楚油層分布，合理劃分油層組、砂巖組和小層。

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(shù)圖版，確定和劃分有效厚度和隔層標(biāo)準(zhǔn)，為儲量計算和油田開發(fā)方案設(shè)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(guān)系，進行定性和定量解釋。

8)研究地層產(chǎn)狀、地層接觸關(guān)系、裂隙、溶洞及斷層發(fā)育情況等。

9)檢査開發(fā)效果，研究不同開發(fā)階段油層的水洗特征和水淹層的驅(qū)油效率。研究水淹層的巖電關(guān)系，進行定性和定量解釋。了解開發(fā)過程中所必需的其他資料數(shù)據(jù)。

10)為鉆井過程中的鉆井液、可鉆性及采油過程中的壓裂、酸化等，提供巖石的物理和化學(xué)資料。

巖心是油田上寶貴的基礎(chǔ)資料。通過對巖心的觀察研究，可以直接地了解地下巖層的巖性、物性和含油、氣、水產(chǎn)狀特征。

在油田勘探過程中，巖心是發(fā)現(xiàn)油氣層和研究地層、生油層、儲油層、蓋層、構(gòu)造等的重要資料。油田投入開發(fā)后，要通過巖心進一步研究和認(rèn)識油層沉積特征，儲層的物性、孔隙結(jié)構(gòu)、潤濕性、相對滲透率、巖相特征，油層物理模擬和油層水淹規(guī)律;認(rèn)識和掌握不同開發(fā)階段、不同含水階段油層水淹特征，搞清剩余油分布，為油田開發(fā)方案設(shè)計，層系、井網(wǎng)調(diào)整和加密井提供科學(xué)依據(jù)。因此，從發(fā)現(xiàn)油田鉆第一口井開始至油田開采終止，都離不開巖心。

在20世紀(jì)50年代，國外一些地質(zhì)學(xué)家稱巖心是地質(zhì)人員的"面包"，意思是地質(zhì)人員離不開巖心，沒有巖心，對地下情況就不了解。在科學(xué)發(fā)達的今天，盡管探測地下地質(zhì)情況的各種新技術(shù)、新方法不斷出現(xiàn)，但是，這些都是間接的。所以，巖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。

取心鉆進有以下3個環(huán)節(jié)，一是環(huán)狀破碎井底巖石，形成巖心(圓柱體);二是保護巖心:鉆進取心時，對已形成的巖心要加以保護，避免循環(huán)的鉆井液沖蝕巖心及鉆柱轉(zhuǎn)動的機械碰撞、損壞巖心:三是取出巖心:在鉆進取心到一定長度后(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)，要從所形成巖心的底部割斷并夾緊，在起鉆時隨鉆具一同提升到地面。

取心鉆進時，以上3個環(huán)節(jié)都應(yīng)做好，任一環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，輕則會得不到應(yīng)有數(shù)量(長度)的巖心，嚴(yán)重時會導(dǎo)致取心失敗，取不出巖心。為了完成以上3個環(huán)節(jié)，取心工具一般由取心鉆頭、內(nèi)、外巖心筒、巖心爪、扶正器和懸掛裝置等部件組成。

取心鉆頭是環(huán)狀破碎井底巖石，在中心部位形成巖心柱的關(guān)鍵工具。巖心收獲率的大小、鉆進快慢都與鉆頭質(zhì)量和選擇有關(guān)。取心鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計要有利于形成巖心并提高巖心收獲率。鉆頭的切削元件要對稱分布，其耐磨性應(yīng)一致，以免在鉆進時鉆頭發(fā)生歪斜，從而破壞及折斷巖心。鉆頭外緣與中心孔應(yīng)同心，鉆頭水眼位置應(yīng)使射流不直射巖心處并減少搜流對巖心的沖蝕。鉆頭的內(nèi)腔應(yīng)能使巖心形成后很快經(jīng)巖心爪進人巖心筒而被保護起來，同時割心時盡量靠近巖心根部，以減少井底殘留巖心。目前取心鉆頭根據(jù)破巖方式可分為切削型、微切削型和研磨型3類:

(1)切削型取心鉆頭以切削方式破碎地層。目前主要包括刮刀和PDC鉆頭。

(2)微切削型取心鉆頭以切削、研磨同時作用方式破碎地層。這類鉆頭多為各種聚晶金剛石與胎體燒結(jié)成一體的結(jié)構(gòu)。

(3)研磨型取心鉆頭。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(zhì)構(gòu)造的鉆探使用單巖心筒取心外，石油鉆井常用的巖心筒都是由內(nèi)筒和外筒(雙筒)組成。

內(nèi)巖心筒的作用是存儲及保護巖心。取心時為了使巖心順利進入內(nèi)筒，應(yīng)使筒內(nèi)液體及時排出，為了防止鉆井液沖刷巖心，應(yīng)阻擋循環(huán)鉆井液沖入內(nèi)巖心筒，為此，在內(nèi)巖心筒上端裝有分水接頭與回壓閥總成。此外，為了有效保護巖心，要求在取心鉆進時內(nèi)筒不轉(zhuǎn)，一般將內(nèi)筒掛在外筒的頂部，采用了懸掛式滾動軸承裝置。取心工藝要求內(nèi)巖心筒無彎曲變形、內(nèi)壁光滑、管壁要薄，但要有足夠的強度和剛性。

外巖心筒的作用是取心鉆進時承受鉆壓、傳遞扭矩而帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)并保護內(nèi)巖心筒。因此，要求外巖心筒強度大，無彎曲變形，常用14~25mm的優(yōu)質(zhì)厚壁鋼材(如35CrMo,30CrMnSi)加工制成。內(nèi)、外巖心筒的長度一般為5~13m左右。在較硬的致密巖層中取心，若鉆頭進尺較多時，內(nèi)、外巖心筒可長一些，例如四川地區(qū)常用的中筒取心工具，其巖心筒長度一般為12~13m。在松軟地層取心，雖然鉆頭能鉆更多的進尺，但由于巖心強度低、易于破碎，為了提高巖心收獲率，其內(nèi)、外巖心筒長度宜短一些，一般為5~8m。對于破碎地層取心，內(nèi)、外巖心筒的長度也應(yīng)短些。在鉆頭進尺較多又能有效保護巖心時，內(nèi)、外巖心筒長度可盡量長一些，這樣可以大大減少取心起下鉆次數(shù)，符合高效低耗的要求，特別在深部地層取心時，采用長筒取心工藝減少了起下鉆次數(shù)后，可大大降低取心費用。我國自己設(shè)計，制造的長筒取心工具一次可取心145.42m。此外，長筒取心工具內(nèi)、外巖心筒的連接過去多用方型扣，現(xiàn)在采用帶錐度的粗扣連接后，不僅便于操作，而且還增加了連接強度，使用效果較好?；貕洪y是裝在內(nèi)巖心筒上端的一個單流閥，其作用如前所述。目前對回壓閥結(jié)構(gòu)有所改進。例如有的油田在取心下鉆時只裝回壓閥球座，下完鉆后可通過大排量循環(huán)鉆井液，這樣既清洗內(nèi)筒又可將井底沖洗千凈。鉆井液循環(huán)后，開始取心鉆進前才將閥鋼球投入，使用效果良好。

巖心爪的作用是割取巖心和承托已割取的巖心柱。因此，要求巖心爪要有良好的彈性，割心時能卡得牢。既要允許巖心順利進人內(nèi)巖心筒而不會遭受破壞，還要能有效地從根部割斷巖心。此外，巖心爪要具有足夠的強度，堅固耐用，在鉆進與割心時不會發(fā)生斷裂與破壞，并能在起鉆時可靠地托住巖心。常用的巖心爪有卡箍式、卡板式、卡瓦式等幾種結(jié)構(gòu)。

(1)卡箍式巖心爪:它的形狀如圓箍，圓箍上開有數(shù)道缺口，把它分為許多瓣，每瓣內(nèi)車有數(shù)圈卡牙，卡箍的外壁呈截錐狀，與縮徑套配合使用?？s徑套有同樣錐面。巖心爪沿縮徑爪座(縮徑套)移動時，其爪牙收縮卡緊巖心。卡箍式(一把抓)巖心爪缺口寬，瓣少，卡牙圈數(shù)少，適用于軟地層取心;如圖5-3(b)所示，卡箍式巖心爪缺口窄，瓣多，卡牙圈數(shù)多，適用于中硬地層取心。

(2)卡瓦式巖心爪:適用于中硬、硬地層取心。它由掛套、銷軸、卡瓦彈簧及卡瓦片組成?？ㄍ咂梢蕾嚺せ闪α渴蛊鋸堥_。鉆進時緊貼鉆頭內(nèi)壁。割心時，在外力作用下使巖心爪沿鉆頭內(nèi)壁向下移動，卡瓦片收縮包緊巖心。

(3)卡板式巖心爪:適用于中硬地層、硬地層取心，一般和其他巖心爪復(fù)合使用。其結(jié)構(gòu)由外座、扭簧及片狀卡板組成。

外筒扶正器可保持外巖心筒和鉆頭工作穩(wěn)定，并有利于防斜。過去由于怕卡鉆而不敢使用外筒扶正器，致使巖心收獲率很低。目前，根據(jù)國外介紹及國內(nèi)實踐證明:使用外筒扶正器能提高取心工具的穩(wěn)定性，是增加鉆頭壽命及提高巖心收獲率的有效措施，特別對于硬地層取心其效果更加明顯。具體使用時，一般在鉆頭上邊帶一個扶正器，中筒、長筒取心工具最好在每節(jié)外筒上均帶一個扶正器。扶正器外徑一般比鉆頭外徑小Vl6in為宜。國外資料介紹有的甚至采用與鉆頭外徑一樣大的方棱螺旋外巖心筒，巖心收獲率極高。但在復(fù)雜井段取心，也應(yīng)注意安全。

內(nèi)簡扶正器可保持內(nèi)筒穩(wěn)定，特別在長筒取心工具中更為重要。內(nèi)筒扶正器可使鉆頭與內(nèi)筒對中，巖心易于進入內(nèi)巖心筒，但扶正器外徑要適宜，以免發(fā)生內(nèi)筒隨外筒一起旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

鉆頭與外巖心筒。在松軟和易塌地層取心時，鉆頭與外巖心筒的直徑差不能太小，以免由于外巖心筒與井壁間隙太小而引起泵壓高，這不僅不利于清洗井底，還可能造成卡鉆等井下復(fù)雜情況。在易斜地層取心，若井下條件許可，應(yīng)減小鉆頭與外巖心筒的間隙值，或加人一定數(shù)量的扶正器、擴大器，以利禾防斜。在硬及膠結(jié)較為致密的中硬地層中取心，應(yīng)根據(jù)井下情況盡可能選用外巖心筒較大的取心工具。

通常情況下，取心鉆頭外徑比全面鉆進用鉆頭外徑略小，但大于外巖心筒接頭外徑10~20mm。鉆頭內(nèi)徑應(yīng)比內(nèi)巖心筒的內(nèi)徑要小些，才能使巖心順利進人內(nèi)巖心筒，但二者差值要適當(dāng)，具體尺寸應(yīng)根據(jù)不同地層巖性確定，一般比內(nèi)巖心筒的內(nèi)徑小3~10mm。

內(nèi)、外巖心筒的間隙，應(yīng)保證鉆井液順利流過，避免發(fā)生泵壓過高的現(xiàn)象(特別是深井取心)，一般以10~20mm間隙為宜。

巖心爪的最大內(nèi)徑應(yīng)稍大于或等于內(nèi)巖心筒內(nèi)徑，在易膨脹及破碎地層應(yīng)稍大些，硬地層要小些。四川石油管理局鉆采工藝研究所制作的帶內(nèi)槽整體卡箍式巖心爪，自由狀態(tài)下內(nèi)徑比巖心略小2~3mm,卡箍張開時的內(nèi)徑比自由狀態(tài)大5mm,收縮后又比其小5mm。此外，卡箍錐面與爪座內(nèi)錐面吻合，內(nèi)齒表面敷焊碳化鎢顆粒以增強其耐磨性，有利于卡心。這種巖心爪操作方便，割心時只需上提鉆具，卡箍收縮卡緊即可拔斷巖心，在硬地層及超深井中使用能取得很高的巖心收獲率。

鉆頭內(nèi)臺肩與巖心爪應(yīng)有5~10mm間隙，沒有間隙或間隙很小時，內(nèi)巖心筒將隨鉆頭轉(zhuǎn)動:間隙太大，巖心爪距并底太遠，則不利于保護巖心。

為了提高巖心收獲率，各生產(chǎn)企業(yè)合理確定各部件結(jié)構(gòu)，把它們制造成與鉆進地層相適應(yīng)的各種成套取心工具。下面介紹幾種現(xiàn)場常用的取心工具。

自鎖式取心工具是指利用巖心爪與巖心之間的摩擦力使巖心爪收縮卡心而實現(xiàn)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，對巖心成柱性較好的軟地層也適應(yīng)。自鎖式取心工具一般由取心鉆頭、巖心爪、巖心筒組合和安全接頭組成。巖心筒組合分為外筒組合與內(nèi)筒組合，外簡組合包括外巖心筒、短節(jié)和穩(wěn)定器，內(nèi)筒組合包括縮徑套、短節(jié)、內(nèi)巖心筒和懸掛總成。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(nèi)螈紋接頭相連。巖心爪置于縮徑套之中。

由于自鎖式巖心爪具有較好的彈性和耐磨性，它的收縮與張開都屬于彈性變形，故可多次使用。因此，當(dāng)長筒取心鉆井中途需要接單根時，便可通過"割心一接單根一頂開巖心爪一再取心鉆進"的辦法，實現(xiàn)連續(xù)取心。顯然，這就比松軟地層長筒取心工具的結(jié)構(gòu)簡單多了。當(dāng)取心工具遇卡時可從安全接頭處倒扣，將內(nèi)筒組合和巖心一起提出地面，而后專門處理外筒組合。

長筒取心時，只需在短筒的基礎(chǔ)上，增加等長的內(nèi)、外巖心筒，而不需任何其他的特殊裝置，因而結(jié)構(gòu)簡單。

長筒連續(xù)取心的操作要點是"一提，二鎖，三沖，四壓。"一提是指"停轉(zhuǎn)、停泵后，緩慢上提鉆具割心'二鎖是指"卸方鉆桿時要鎖住轉(zhuǎn)盤銷子，用旋繩卸扣，保證井下鉆具不轉(zhuǎn)動"三沖是指"接完開泵循環(huán)，緩慢下放鉆具，沖洗井底3~5min"四壓是指"用不低于15倍鉆壓的力靜壓井底，以頂松巖心爪，然后再微提起鉆具，輕壓起動轉(zhuǎn)盤，恢復(fù)取心鉆進"。

加壓式取心工具是指通過投球加壓迫使巖心爪收縮卡心而實現(xiàn)割心的取心工具，通常適用于松軟或破碎性地層取心。

巖心爪內(nèi)徑比巖心直徑大10mm左右，只有在專門的加壓機構(gòu)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(nèi)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鉆頭+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(nèi)筒組。從下到上的連接次序是巖心爪(反扣)+內(nèi)巖心筒+懸掛總成+分水接頭(上部有穿定位銷的銷孔)。

內(nèi)、外筒的連接靠外筒組上端分水接頭銷孔里的兩個定位銷釘，懸掛在外筒組的定位接頭上，由于滾動軸承的作用，當(dāng)外筒旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)筒不旋轉(zhuǎn)。

(3)-把抓式巖心爪與內(nèi)筒連接用反扣，保證巖心爪在取心鉆進時不脫扣。

(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(nèi)管(六方桿)等組成。鉆進時它能傳遞扭矩和鉆壓，保證正常取心。割心時，先拉開加壓接頭，然后將鋼球投入，鋼球就位后，下放加壓接頭，將鉆具重量通過鋼球和加壓中心管加于內(nèi)筒上，切斷銷釘，繼續(xù)下壓內(nèi)筒，迫使巖心爪牙板插入巖心，然后上提鈷柱，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，即可將巖心割斷。

當(dāng)需要進行長筒取心時，鉆進中途必須接單根。由于松軟地層取心鉆進過程中絕對不允許鉆頭提離井底，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(nèi)、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鉆頭不被提離井底，從而確保松軟地層長筒取心鉆進的連續(xù)有效。

滑動接頭的上接頭與鉆鋌連接，下接頭與機械加壓接頭相連接。取心鉆進時，靠六方滑動管和六方滑動套傳遞扭矩和鉆壓。接單根時提起六方滑動套(六方滑動管可在六方滑動套內(nèi)上下滑動)，保證鉆頭不離開井底。

長筒取心接單根操作過程如下。取心鉆進時，六方滑動套一直頂住下接頭施加鉆壓。當(dāng)方鉆桿打完(方入不超過9m)時需接單根的情況，此時上提方鉆桿，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)，否則上提鉆具接單根時鉆頭就要離開井底，接完單根后下至預(yù)定方入，繼續(xù)鉆進。

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)取心鉆進前要將開泵時的鉆具懸重和開泵后的正常懸重記錄下來，作為接單根時觀察懸重的參考。

(3)接單根或鉆完進尺上提時，必須觀察懸重正常后，方可上起鉆具，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鉆臺時，必須使六方滑動管進入六方滑動套，合攏后用繩索捆牢，方可上下鉆臺，以免六方滑動管彎曲。

常規(guī)取心時，鉆井液的濾液侵入到巖心中，使油層巖心的含油、氣飽和度發(fā)生變化而不能取得確切的資料。密閉取心就是用密封液(預(yù)先放置在內(nèi)巖心筒中的粘性高、流動性好、附著力強、防水性好的高分子液體)將鉆取的巖心迅速保護起來的取心技術(shù)。它可以防止鉆井液對巖心的污染，并可解決以下問題:

(1)取出準(zhǔn)確的含油、氣、水飽和度的巖心資料，為計算未開發(fā)油氣田儲量及制定合理開發(fā)方案提供依據(jù)。

(2)了解油田采油階段的含油、氣飽和度及其分布規(guī)律、油水動態(tài)資料，以確定合理的開采方式和開采調(diào)整方案。

(3)了解水淹油田中油、水分布情況與油層巖性、物性之間的關(guān)系，為定量研究水淹油層驅(qū)油效率提供依據(jù)。

定向取心是為了鉆取巖心并確定其在原地的方位。在二次、三次采油中為了更多地了解地層構(gòu)造，需定向取心。定向取心的目的是了解地層的傾角、傾向、走向以及地層與裂縫的產(chǎn)狀、裂縫分布規(guī)律等，為制定開發(fā)方案提供依據(jù)。

為達到定向取心的目的，了解巖心的原地方位，定向取心工具應(yīng)能做到:

(1)在鉆進取心時，在巖心上刻上標(biāo)志線。

(2)能測出標(biāo)志線的方位。

利用鉆機向地下鉆孔以采取巖心或進行地質(zhì)試驗的工作。工程地質(zhì)鉆孔的深度通常僅數(shù)十米到數(shù)百米。鉆孔的孔徑變化較大,一般為36~205mm，有時也采用直徑達1m的大孔徑鉆孔。工程地質(zhì)勘探中的鉆探方法可分為三大類。

又稱巖心鉆探，指在軸心壓力作用下的鉆頭用回轉(zhuǎn)方式破壞巖石的鉆進,可取巖心,也可不取巖心。回轉(zhuǎn)鉆進是鉆進巖石的主要方法，為了保持巖心的天然狀態(tài)，沖洗液通常采用清水?；剞D(zhuǎn)鉆進可以選用不同材料的鉆頭，常用的有合金鉆頭、鋼粒鉆頭和金剛石鉆頭。前一種鉆頭適用于鉆進軟至中等硬度的巖石。后兩種鉆頭適用于鉆進堅硬的巖石。為了采取薄層軟弱巖石、夾泥、斷層或破碎巖石的巖心，通常還采用雙層巖心管或三層巖心管以減少鉆進中巖心的磨損。為了減少鉆桿升降次數(shù)，提高鉆進效率，還可采用繩索取心鉆具，在每一回次鉆進后，將巖心從鉆桿中提出孔口。

土探孔一般不允許使用帶沖洗液的回轉(zhuǎn)鉆進，但可采用干鉆。

利用鉆具自重反復(fù)對孔底進行沖擊而使土層破壞的一種鉆進方法。沖擊鉆進分人力沖擊和機械沖擊兩種方式。人力沖擊鉆具如洛陽鏟，一般適用于淺孔和地下水位以上土層鉆進。機械沖擊一般采用機械提升和向下沖擊，適用于各類土層鉆進。在河流沖積的砂礫層中鉆進時，為了取得砂礫石樣品，通常采用平閥管鉆沖擊，跟管鉆進。

在砂礫石中鉆進時，還可用打入法取樣鉆進。用直徑150~200mm的厚壁套管制成長約0.5m的半合套管，下端連接帶彈簧的管靴，上端與套管連接。鉆進時將套管打入孔底0.4m左右，然后起拔套管，取出砂礫石，再將護壁管打入。這樣逐次打入，逐次取樣，直至終孔。

將沖擊和回轉(zhuǎn)鉆進相結(jié)合的鉆進方法，即鉆頭在孔底回轉(zhuǎn)破碎巖石的同時，施加沖擊荷載。

為揭露地質(zhì)情況，在地表或地下挖掘的不同類型的坑道工程。主要形式有探坑、探槽、豎井和平洞等。其特點是地質(zhì)人員可直接觀察被揭露出的地質(zhì)現(xiàn)象，采取各種巖土試驗樣品和直接進行巖土原位試驗。