0 引 言

岩屑是许多录井作业项目的物质基础，能够取到具有一定体积和重量且具有代表性的岩屑是这些录井项目成功的前提条件。近年来，由于PDC钻头具有机械钻速高、寿命长、成本低等突出特点，得以大规模推广使用，但其破碎岩石的机理主要为剪切刮挤作用，导致PDC钻头钻出的岩屑相对细小， 有时甚至呈粉末状[1]。岩屑粒径过于细小使得录井技术人员难以辨认和捞取到代表性好的样品，或者取到的岩屑样品难以符合现场实验要求。另一方面，随着石油勘探不断向高温、高压、深层、超硬地层等极限领域拓展,钻井工程难度和风险与日俱增。地层埋深越大，地层压实程度越高，机械钻速也越慢。机械钻速变慢导致的一个直接后果是录井人员在振动筛处所能获得的岩屑数量很少，且岩屑被研磨的很细(直径0.02～0.2 mm)，而过少、过细的岩屑难以满足地质师识别岩性、判断油气显示的需求。为了获得必要的地质信息，作业人员不得不考虑实施难度大、成本高的取心工作。

为了尽量回避钻井取心作业，并以较低的成本解决这一问题，TOTAL和Diamant Drilling Services公司一起研制了一种新型的、在钻进作业过程中能产生微型岩心的钻头——微心钻头。

1 难点与挑战

珠江口盆地东部地区在探井作业时，一些录井项目在实施中也遇到了与使用PDC钻头导致钻屑细小有关的困难与挑战。

此外，我国还有许多基层水利组织为财政差额拨款或自收自支事业单位，有的甚至没有编制，由单位内部调剂或与其他科室合署办公，无法很好地履行职责。

1.1 现场油气识别困难

P-1井测井解释油层16.4 m/8层，差油层1.8 m/1层，油水同层4.5 m/2层，含油水层3.7 m/2层，但在该井钻探过程中气测、地化、岩屑、荧光等录井项目并没有发现异常显示。特别是井段2 396.0～2 404.0 m，测井解释为油层，单层厚度达8.0 m，在井深2 398.5 m进行MDT泵抽(Modular Formation Dynamics Tester，模块式地层动态测试器是在裸眼井内测量地层压力和采集地层流体样品或PVT样品的模块式仪器，由于其静止作业时间较长，易发生粘卡等井下复杂情况，只在关键的疑难层才建议使用MDT),取得纯油样3 550.0 mL且不含水。根据以往经验，在岩屑取样间距为3 m的情况下，此类油层没有荧光显示是难以想象的。钻后组织现场技术人员反复进行岩屑复查，结论均与之前相同。即便在MDT取样已经落实该油层后再次进行岩屑复查，亦未发现明显荧光显示。随后在P-1井老井眼基础上向构造东南方向侧钻P-1 A井，在LWD随钻测井及地层对比十分确定的情况下，该主力油层的岩屑录井荧光显示仅勉强录得D级荧光。

对相应油层段进行井壁取心可知，其井壁心荧光强度虽然同样较低，但由于连片性好、可观察的截面积大，井壁心表现出相对良好的荧光显示。

核磁共振录井通过专用仪器设备检测岩屑、岩心、井壁心等样品内所含地层流体的核磁信号强度来分析样品孔隙内流体性质和流体量，以及流体与岩石固体内表面之间的相互作用情况，进而获取样品的孔隙度、渗透率、含油饱和度、可动流体饱和度、可动水饱和度、束缚水饱和度等物性参数。该技术在钻井现场可以准确、快速、系统地测定岩样物性，划分和评价有效储集层，指导现场钻进，为完井方案及完钻测试提供数据支持；与地化、定量荧光等分析数据相结合可以更精确、及时地进行地层含油量计算及储集层产能、储量估算。因此，核磁共振录井技术的有效应用能够为作业者的快速决策提供更多依据，减少后续作业时间、提高作业效率，该技术对于花费巨大的海上油气勘探特别是深水勘探具有重要的意义。然而，核磁录井对单个岩样的体积要求较高，对于钻井取心而言，要求将样品上的钻井液、泥饼等杂质去除后修整为直径8～10 mm、长度10～15 mm的椭球体[2]。

(1)受原油组分影响，其荧光强度低、不易观察是部分区域原油的固有品质。

向学生提出问题：Have you ever cheated in a test?根据不同的回答再次提问：Why did you cheat in a test?Do you think cheating is honest behavior?或What made you never cheat in a test?回答问题时，学生首先需要表明自己是否有过考试舞弊经历，这本身也和学习的诚实主题相关，然后在其他问题的引导下学生会开始思考舞弊背后的诚实问题，而做诚实的人正是本单元的主题。

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我国著名教育家叶圣陶先生曾经说过：“预习原很通行，但要收到实效，方法必须切实，考查必须认真。”以往的预习往往流于形式的原因，有一部分来源于教师对预习作业的缺乏有效的评价体系。同样没有合理的预习评价就没有合理的预习监督和鼓励机制。因此，我们教师只有建立有效的预习评价方式。笔者根据学生的实际情况主要从以下几个方面建立有效的预习评价体系。（1）鼓励学生正确认识预习，完成预习的同时，进行有效的自我反思。（2）家校有效的结合。（3）教师改变以往的理念，进行有效的预习评价。

根据岩屑无(弱)荧光但井壁心有较好荧光表现的情况推断，如果被观察样品体积足够大，且岩样中有效含油气信息得以保留，那么荧光显示将易于被现场地质人员观察到。

传感器课程实践性高、应用性强，对于培养学生实际动手能力、提高综合素质和开发创新思维有着重要作用。从机电一体化13届开始，我校主要从教学内容、教学方法(教学模式)和考核方式三个方面对本课程进行了教学改革。

1.2 岩屑细小致使核磁录井项目难以实施

此类录井无荧光或荧光极弱但壁心荧光显示良好的情况在该地区探井、评价井的钻探过程中并非个案。地质工作人员对于这种现象进行了深入细致地分析，排除了人为因素的可能，认为其荧光面积小、光强度低主要受两个方面的影响：

微心钻头创造性的以微心切削系统优化切削结构的能量分配，释放钻头中心区域的能量消耗，显著提升了钻头的破岩效率[8]。尤其在高温高压、研磨性高、可钻性差的地层中，能获得较为理想的机械钻速，降低钻井成本。与此同时，随钻过程中亦可以产生具有一定尺寸的微型岩心供地质人员分析化验使用。具体来说，微心钻头的主要优点有：

为了在钻井的同时取出小尺寸岩心，用于地质评价，TOTAL和Diamant Drilling Services公司共同研制了一种新型的、钻进作业过程中就能产生微型岩心的钻头[3]，在保证硬地层钻探中较高钻井效率的同时又可获得高质量的岩屑。微心钻头及用其取获的微型岩心如图1。

井壁取心属于电缆测井项目，目前被广泛使用的方式分为火药式与旋转式。前者是将装有炸药的井壁取心枪下放到预定层位，由地面控制进行电点火发射中空的圆形弹体进入地层，而后通过连在枪体上的钢丝绳回收，从而采集到地层样品；后者是通过空心钻头垂直钻井井壁获取岩石样品。由于井壁取心通常在井眼完钻之后进行，时效性相对较差。井壁取心另一个缺点同样是要占用井口时间，成本较高。

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2 获取大尺寸岩样的常规手段介绍

2.1 钻井取心

钻井取心就是利用专门的取心工具(通常包含取心钻头、岩心筒、岩心爪等)并施以一定的技术措施，将地下的岩石取至地面上的一种钻井工艺。通过钻井取心方式获得的岩心具有直径大、长度长、形态规则等诸多优点，是地质人员最理想的研究对象。但是钻井取心需要专门的取心工具实现，钻至取心目的层时必须将井内普通钻具起出，下入取心专用钻具，待取心作业结束后，又要将取心专用钻具起出到井口再次下入普通钻井钻具。取心钻进过程对钻井参数的要求也相对苛刻，钻速需要既低又平稳，取心作业通常耗时较长，与正常钻井过程相比其成本高昂。因此，钻井取心通常仅在相对确定的地层使用，并用来实现特定的目的。

2.2 井壁取心

化合物 3A03：质谱 ESI／MS（negative mode），m／z 242，［M－H］－。 1H NMR（500 MHz，CDCl3，TMS），δ为7.25～7.36（m，5H），7.13～7.16（t，J＝9.0 Hz，2H），6.97（t，J＝9.0 Hz，2H），5.71（br.s，1H，NH），4.37（d，J＝6.0 Hz，2H），3.62（s，2H）。

3 微心钻头价值分析

3.1 微心钻头介绍

岩样体积过小已经成为制约核磁共振录井技术在南海东部深水探区推广使用的关键因素，目前亟待解决。

  

图1 微心钻头及其取获的微型岩心

钻进过程中的小尺寸岩心由钻头的中心区域完成，同时不影响钻头切削结构，而且这个过程是在钻进过程中连续发生的。在钻进过程中，当小尺寸岩心长度不断增长到标称长度时，就会接触到一个岩心破坏装置，它利用横向作用力将岩心切断。在 两个前置刀翼中间有一个较大且较深的槽，小尺寸岩心就通过这个中空区域运移到环空中。这个中空区域始终保持敞开状态，以防止钻头堵塞等风险的发生。那些较大尺寸的岩心碎块(远大于常规钻屑)在地面收集后可用于地质分析[4]。

微型岩心形成于钻头的中部，钻进过程中，利用 PDC钻头对岩心顶部施加一个侧向作用力，岩心就会在根部折断。流动的钻井液将岩心带入环空，岩心随钻井液的循环返出地面。所取出岩心最长为50 mm，岩心的最大直径根据井眼的尺寸来设计，并与钻头规格有关：采用φ152.4 mm钻头时岩心最大直径为20 mm，采用φ215.9 mm钻头时为25 mm，采用φ311.2 mm钻头时为30 mm，采用φ444.5 mm钻头时为40 mm[5]。

3.2 微心钻头在国内外应用现状分析

目前微心钻头已在国外16家石油公司使用过，其中包括TOTAL、ConocoPhillips、Saudi Aramco、ENI等石油公司。现场使用效果，不论是在直井还是定向井中，微心钻头均表现良好。首先，能帮助地质人员获得较大尺寸的岩心样品；其次，在实际应用中，发现其还能显著提高机械钻速。经分析认为原因如下：对于普通PDC钻头，钻头中心是切削效率最低的区域，而微心钻头避免了钻头中心位置的切削，使得其能提高机械钻速。

Diamant Drilling Services公司通过重新设计钻头结构、PDC切削齿和水力参数，同时优化了岩心腔的直径和深度，研发了第2代微心PDC钻头，其目的是提高机械钻速。第2代微心PDC钻头减少了钻头中心部位的切削齿数量，增加了钻头面外围的切削齿，位于取心腔后部的切削齿剪断获取的地层岩心脱离钻头后，随钻井液从环空返回地面。传统PDC钻头大部分能量消耗在钻头中心部位，相比于钻头面外围而言，钻头中心部位的岩屑排出速度慢，第2代微心PDC钻头的设计优化了能量分布，提高了岩屑从钻头底部排出的速度。在Eagle Ford页岩气区的一口水平井中使用第2代微心PDC钻头，1趟钻即完成了造斜段和水平段的钻进，造斜段测深2 550 m，每30 m井段造斜率为10°～14°。该井水平段长2 100 m，平均机械钻速为27.6 m/h，总测深4 950 m，而邻井使用传统PDC钻头的造斜段和水平段的机械钻速为21.6 m/h[5]。

(2)地层疏松、岩屑细小且原油粘附能力差，因此岩屑上粘附的原油容易被钻井液冲洗掉，难以形成易于观察的、连片的荧光。

国内已有塔里木油田和冀东油田使用过微心钻头，且效果良好。在塔里木油田DB 102井中使用微心PDC钻头，可比邻井DB 101井使用传统PDC钻头的机械钻速提高38.6%[6]；在冀东油田NB 3-82井中比使用常规PDC钻头提高机械钻速15%以上[7]。目前，国内对该类型钻头的研发尚处于起步阶段。

3.3 价值分析

中海石油深圳分公司2012年开始在深水探井作业中引入该项技术，并把岩屑作为主要分析目标，迄今为止已完成作业3口井。在这3口深水探井作业过程中均遇到了因岩屑细小无法满足核磁录井岩样要求的困难，3口井合格岩屑平均只占取样岩屑总数的11.8%，无法满足核磁录井对岩样的要求。

(1) 微心钻头与其他常规钻头相比，不以牺牲钻头寿命和机械钻速为代价，甚至能在一定程度上提高钻头寿命和机械钻速。

三、缓解职业合理与人文抱负的冲突对立。在物欲横流、逐利有理的时代，不可能期望民众自发地直接跳出物质利益圈。树立清流榜样，重铸民族精神，知识分子责无旁贷。中国缺乏彼岸世界的宗教超越，需在当世人文世界中寻找对现实功利的突破力量。历代学者走的也是此路，“从学术文化角度看近代建设新的精神文明的探索，从魏源到鲁迅乃至当代梁漱溟、冯友兰，等等，都应该本着求知求真的精神，站在超越当时与现在的实用政治的高度加以总结、消化，然后接着走下去”[4]66-67。徐斌的离职演说，刘俐俐的《我的学术选择及反思》提出了文人放弃金钱、放弃资金的主张都属此类。

(2)在正常钻进过程中，微心钻头切削地层时，除产生常规的岩屑之外还能够产生具有一定尺寸的微型岩心，其设计理论长度可达30 mm、直径10 mm[9]。

(3)微型岩心的形成与钻井同步，是一个连续的过程，理论计算每1 m进尺可以产生近30颗微型岩心[10]。

(4)与常规岩屑一样，微型岩心产生后直接由钻井液携带返出至地面，并在振动筛处被录井人员获取，无需借助额外的专用工具。

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微心钻头虽然属于钻井工程领域的创新，但考虑到大尺寸岩样对录井作业具有重要意义，微心钻头亦可以为录井带来显而易见的好处：

(1)微型岩心尺寸远大于岩屑，因此它能够保留较多地层岩石自身的外观信息，如岩石结构、构造、矿物分布等，能够帮助地质师更加准确地识别钻遇地层的岩性。

(2)微型岩心在遭受相同强度钻井液的冲洗之后，能够保留更多地层流体信息，其荧光级别、含油级别更高，因此地质师可以更准确地判断地层流体性质。

(3)微型岩心具有较大的尺寸，使其可以满足如核磁共振录井项目对岩屑尺寸的要求。

(4)微型岩心未受到钻头剪切挤压的应力破坏，所以可用于研究其岩石力学性质。

4 结束语

微心钻头在不牺牲钻头寿命和机械钻速的条件下产生较大尺寸微型岩心，它与井壁取心和钻井取心相比，无需占用井口时间，可以明显降低作业成本。同时，因微型岩心是在钻井过程中产生并直接被钻井液携至地面，故其具有极好的时效性，可以现场应用于核磁录井、岩屑录井，为录井作业、地质研究带来了好处。建议国内各油田尝试使用，特别是勘探程度较高区块，需要进入深部硬地层进行勘探的油区，由于常规钻头在该类地层机械钻速低，导致返出的岩屑细碎，而使用微心钻头则可显著提高机械钻速，且能够连续产生较大尺寸、较高质量的微型岩心供地质人员研究分析。在此建议国内企业进行相关研究，弥补该项技术空白。

参 考 文 献

[1] 刘璐,靳宇. 浅谈鄂尔多斯盆地PDC钻井条件下的录井技术[J]. 内蒙古石油化工,2010,36(14):75-77.

[2] 王守君，刘振江，谭忠健，等. 勘探监督手册·地质分册[M]. 北京: 石油工业出版社,2013.

[3] Maouche Z，AI-Rawahi F，Agapie I，et al. New PDC bit technology sets the standards in drilling hard and abrasive formations in Oman-case study[C]//SPE 170462 Asia Pacific Drilling Technology Conference,Bangkok Thailand,25-27 August 2014.

[4] 汪海阁，王灵碧，纪国栋，等. 国内外钻完井技术新进展[J]. 石油钻采工艺,2013,35(5):1-12.

[5] 潘军,王敏生,光新军. PDC钻头新进展及发展思考[J]. 石油机械,2016,44(11):5-13.

[6] 窦亮彬,李天太,张明,等. 山前地区复杂地层新型钻头技术及应用研究[J]. 石油机械,2015,43(8):41-46.

[7] 于慧超,杨静,陶瑞东,等. 微芯钻头在南堡3-82井的应用探索[J]. 西部探矿工程,2016,28(12):66-68.

[8] 郑家伟. 国外金刚石钻头的新进展[J]. 石油机械,2016,44(8):31-36.

[9] Deschamps B, Desmette S，Delwiche R，et al. Drilling to the Extrem: the Micro-Coring Bit concept[C]∥IADC/SPE 115187 Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition held in Jakarta, Indonesia,25-27 August 2008.

[10]Desmette S, Deschamps B，Birch R，et al. Drilling hard and abrasive rock efficiently or generating quality cuttings？You no longer have to choose[C]∥SPE 116554 Annual Technical Conference and Exhibition held in Dever, Colorado, USA, 21-24 September 2008.