一、研究背景

岩心是油气勘探开发最直接的实物地质资料，是判断储层孔隙度、渗透率、含油饱和度、岩性结构、夹层分布的核心依据，直接决定储层储量核算、井位部署、压裂改造方案设计的准确性。在国内陆上油气勘探逐步转向深层、浅层非常规储层的大背景下，常规均质砂岩、灰岩储层占比持续下降，大部分新区块及老区扩边区块普遍分布复杂地层，主要包含破碎裂隙地层、松散砂砾岩地层、水敏泥页岩地层、软硬互层交错地层四类典型类型。此类地层内部结构稳定性极差，岩石胶结强度低、裂隙发育、矿物成分亲水率高，和常规致密完整地层取心工况存在本质差异，现有常规单筒、双筒密闭取心工艺难以适配地层物性，现场取心作业故障率居高不下。

从现场钻井作业实际工况来看，当前复杂地层取心存在全域共性技术痛点。第一，破碎裂隙地层岩心完整性难以保障。地层受构造挤压、断层切割影响，内部网状裂隙高度发育，岩体天然整体性缺失，取心钻头切削、内筒摩擦、钻井液液柱压力扰动都会造成岩心碎裂、坍塌，出现岩心碎块化、粉化问题，无法完整取出柱状岩心，即便成功出心，也会丧失原生孔隙、裂隙分布数据，失去地质分析价值。第二，松散砂砾岩地层岩心滑脱严重。浅层砂砾岩颗粒依靠弱胶结力结合，胶结物多为泥质，遇钻井液冲刷极易溃散，常规自锁式岩心爪无法抓取松散颗粒，取心内筒上提过程中岩心整体下沉滑脱，最终取心收获率低于30%，远低于油田勘探要求的75%合格标准。第三，水敏泥页岩地层水化缩径坍塌。泥页岩富含蒙脱石、伊利石等强水敏黏土矿物，与水基钻井液接触后快速吸水膨胀、剥落掉块，一方面造成井壁缩径，取心工具下入遇阻卡钻，另一方面岩心表层水化软化，进入内筒后受压流变，出现岩心塑性变形，储层物性参数全部失真。第四，软硬互层地层取心偏磨严重。地层内硬石英岩层与软泥岩层交替分布，钻头切削受力不均衡，钻头单侧磨损加剧，钻进轨迹偏移，同时软硬岩心形变速率不同，内筒内部岩心挤压错位，造成层间断裂，分层数据完全丢失。

从现有现场技术应用短板分析，目前油田现场应对复杂地层取心大多采用通用型双筒取心工具，仅依靠调整钻井液密度、降低钻压转速被动应对地层变化，技术手段单一且滞后。部分区块直接套用深层致密地层取心参数，忽略浅层松散地层、中深层水敏地层的物性差异，出现参数错配问题。同时现有技术存在配套脱节问题：取心钻头齿型、内筒防磨结构、岩心自锁机构、钻井液封堵体系没有按照地层分类匹配，一套工具应对所有复杂地层，针对性极差。

从学术研究空白层面分析，国内现有取心研究大多集中于深层高温高压致密地层、深海深水取心，针对陆上浅层复合型复杂地层的细分研究较少。多数研究只针对单一破碎地层开展对策分析，未考虑多类型复杂地层叠加工况，比如破碎+水敏、砂砾岩+软硬互层复合地层；同时现有研究重工具结构改良，轻钻井液体系、钻进参数、井壁稳定协同配套，存在“重硬件、轻工艺”的研究片面性。此外，现有文献提出的对策大多基于室内试验模拟，未结合陆上油田井眼轨迹弯曲、井下沉砂、循环压力波动等现场真实干扰因素，落地适配性不足。当前各大油田储量探明任务加重，复杂地层取心收获率低、岩心品质差已经成为制约储量评价、老区挖潜的核心瓶颈，因此开展本次难点梳理与对策研究具备极强的现场必要性。

二、研究意义

（一）理论意义

完善陆上复合型复杂地层取心力学与地层稳定理论。现有石油取心理论多基于均质完整地层建立，岩心受力模型默认岩体连续无裂隙，无法解释破碎、水敏、互层地层岩心破坏机理。本课题通过分析井下钻压、扭矩、钻井液动压力、井壁围压四重载荷对不同类型复杂岩心的耦合作用，区分机械扰动、水化侵蚀、应力释放三类岩心损毁诱因，建立差异化地层岩心损毁力学模型，补齐复合型复杂地层取心受力微观理论空白。同时厘清井壁稳定、岩心保全、钻井液性能三者的内在关联，修正以往取心作业中“重岩心保全、轻井壁稳定”的理论误区，明确二者协同管控边界。此外，对四类典型复杂地层取心难点进行标准化分类界定，统一油田现场复杂地层取心判定依据，为后续同类细分课题提供统一理论参照，完善陆上陆相沉积地层取心技术理论体系。

（二）实践意义

从地质勘探层面，提升复杂地层岩心收获率与岩心完好度。通过针对性技术对策优化，解决岩心破碎、滑脱、水化变形、层间错位四大问题，保障岩心原生结构、孔隙裂隙、含油特征完整保留，为储层渗透率、裂缝发育方向、油气富集规律测算提供精准实物依据，避免因岩心失效导致储量评估偏差、井位部署失误，降低勘探决策风险。针对老区老井扩边复杂地层，能够精准识别隐蔽性薄储层，助力老区剩余油气资源挖潜。

从钻井工程安全层面，降低井下复杂事故发生率。复杂地层取心极易引发井壁坍塌、卡钻、埋心、钻头偏磨等井下故障，常规处置需要起钻通井、划眼、倒扣解卡，不仅延误施工进度，还容易造成井内事故报废。本次研究配套井壁预稳定、低扰动钻进、内筒防卡对策，能够减少钻井液滤液侵入地层、降低钻头机械扰动，规避取心过程中井壁垮塌、工具卡阻等风险，保障取心作业连续平稳推进，保障井下施工本质安全。

从工程经济层面，缩减取心单井施工成本。复杂地层单次取心失效后，需要反复起下钻更换工具、调整钻井液，单井非钻进时效占比超过40%，同时井下故障会造成钻具损耗、柴油能耗、人工成本大幅增加。通过分类匹配取心工具、钻进参数、钻井液封堵体系，减少无效起下钻次数，缩短井下作业周期，避免岩心返工取心带来的重复投入。同时避免因岩心数据缺失开展补充侧钻取心，大幅降低区块整体勘探钻井成本。

从行业推广层面，形成陆上陆相复杂地层通用取心方案。国内陆上东部、西部油气田普遍存在同类陆相沉积复杂地层，地层物性、井下工况高度相似，本次研究形成的分类对策无需定制大型专用设备，依托现有常规双筒取心工具改造即可落地，适配各大油田现有钻井设备体系，推广门槛低，能够为国内同类区块提供标准化现场施工指导方案。

三、研究内容

（一）四类典型复杂地层取心工况及难点机理研究

首先结合目标区块钻井日志、测井曲线、岩屑录井资料，对复杂地层进行细分归类，明确本次研究范围为陆上陆相沉积四类主流复杂地层：构造破碎裂隙地层、弱胶结松散砂砾岩地层、蒙脱石型水敏泥页岩地层、软硬韵律互层地层，排除深海、超深层高温高压特殊地层，避免研究范围泛化。其次开展井下取心多因素难点机理分析，从外部扰动、地层自身物性、流体作用三个维度拆解损毁机理。针对破碎地层，分析地应力释放、钻头切削振动、钻井液冲蚀造成岩心解体的先后顺序，明确地应力瞬时释放是岩心碎裂核心诱因；针对松散砂砾岩，分析岩心自重、内筒壁面摩擦、钻井液上返冲刷共同导致岩心滑脱的力学逻辑；针对水敏泥页岩，量化黏土矿物吸水膨胀率、水化应力与岩心剥落、井壁缩径的关联关系；针对软硬互层，分析地层硬度差导致钻头轴心偏移、侧向切削力失衡的偏磨机理。同时梳理现场历次取心失败案例，统计不同地层取心收获率、岩心破损形态、井下故障类型，总结现场参数错配、工具选型不当、钻井液性能不达标三类人为工艺短板，区分原生地层难点与人为工艺难点。

（二）适配不同地层的取心工具结构优化对策研究

基于现有双筒单动取心工具开展轻量化结构改良，不更换整套取心系统，贴合现场设备使用习惯。针对破碎裂隙地层，优化内筒内部弹性扶正支撑机构，在岩心进入内筒后通过弹性支撑圈限制岩心径向晃动，吸收钻进振动，避免裂隙岩心二次碎裂；同时采用薄壁内筒降低岩心与筒壁接触摩擦，减少表层岩心磨损。针对松散砂砾岩地层，改良自锁式岩心爪结构，将常规单一卡瓦岩心爪改为螺旋复合式岩心爪，增加颗粒咬合面积，同时增设底部防冲刷挡砂环，阻挡钻井液上返流体冲刷底部松散岩心，防止颗粒溃散流失。针对水敏泥页岩地层，优化取心外筒流道结构，缩小外筒与井壁环空间隙，降低环空钻井液上返流速，减少滤液侵入岩心内部；配套采用内筒防腐疏水内衬，弱化岩心与筒壁水化粘连。针对软硬互层地层，优化钻头齿型排布，采用不等布齿圆弧保径钻头，提升钻头侧向稳定性，抑制钻进轨迹偏移，降低单侧偏磨，平衡软硬地层切削载荷，避免层间挤压断裂。

（三）低扰动取心钻进工艺参数优化对策研究

围绕钻压、转速、泵量、井底动压四大核心钻进参数，建立地层差异化参数匹配方案，改变以往统一参数取心模式。针对破碎、水敏地层，采用低钻压、低转速、低泵量三低参数，减小钻头机械振动和钻井液水力扰动，避免激发地层地应力释放和水化反应；针对松散砂砾岩地层，适当降低泵量，控制钻井液上返携砂流速，防止冲蚀井壁和岩心，同时小幅提升钻压保证钻头平稳吃入地层；针对软硬互层地层，采用恒定低转速配合间歇送钻工艺，避免钻头在软层快速突进、硬层卡顿冲击，减少层间剪切破坏。同时研究井底压力动态平衡控制方法，通过调节回压，平衡地层孔隙压力与钻井液液柱压力，消除负压抽吸导致的岩心脱落、井壁坍塌问题，解决常规取心负压扰动隐患。

（四）复杂地层专用钻井液封堵稳定体系对策研究

针对不同地层水化、渗漏需求，研发差异化钻井液处理方案。对于水敏泥页岩地层，采用有机胺抑制剂+纳米封堵剂复配体系，纳米颗粒填充地层表层微裂隙，阻断水分子向内渗透通道，有机胺抑制黏土矿物晶格扩张，从源头控制岩心水化膨胀。对于破碎裂隙地层，选用纤维堵漏钻井液，短切惰性纤维搭接形成网状封堵层，封堵井壁宏观裂隙，防止井壁掉块、滤液侵入。对于松散砂砾岩地层，采用低固相、低滤失聚合物钻井液，降低固相颗粒对岩心表层的研磨损伤，同时提升钻井液悬浮携带能力，避免井下沉砂卡阻取心工具。同时统一复杂地层取心钻井液流变指标，控制塑性黏度、动切力、滤失量阈值，兼顾井壁稳定、岩心保全、工具润滑三重需求。

（五）现场配套施工流程及风险防控对策研究

完善取心前后配套施工流程，取心前开展井壁预处理，通过短程划眼、循环净化钻井液消除井壁浮渣、局部垮塌块，提前稳定井壁；取心过程中实时监测扭矩、泵压、钻时变化，识别岩心滑脱、卡钻前兆信号，制定动态参数应急调整方案；取心起钻阶段采用低速平稳起钻，避免抽吸压力引发井壁失稳。同时梳理复合地层叠加工况应对方案，针对破碎+水敏、砂砾岩+互层两类常见叠加地层，整合工具、工艺、钻井液组合对策，形成一体化施工流程。最后归纳取心全过程井下风险，明确卡钻、埋心、岩心报废的应急处置流程，形成可直接用于现场指导的标准化技术对策清单。