提高煤心收獲率的研究與應用

黃 鑫， 洪 毅， 盧林祝， 張 磊

(1長江大學工程技術學院 2湖北省地質局第七地質大隊 3中國石油塔里木油田公司輪南油氣開發部油氣藏地質研究所)

黑龍江鶴崗盆地和雞西盆地主要含煤地層位于白堊系城子河組。鶴崗盆地的城子河組巖性主要為灰白色、粗砂巖、細礫巖、灰黑色粉砂巖并含有豐富的多層厚煤層；雞西盆地的城子河組巖性主要為灰白色、細砂巖、灰黑色粉砂巖和煤層[1]。煤層收獲率一般要大于等于75%才能滿足鉆井取心的要求，從兩盆地歷年煤層取心數據統計[2]，煤心收獲率不高，煤心成柱形差，多為粉煤。而煤心收獲率低將直接影響著該區域煤礦資源的評價，影響著煤層氣資源儲量準確性的計算，從而在一定程度上限制了煤炭和煤層氣資源的勘查與開發[3]。因此研究和解決煤心收獲率低的問題，對雞西和鶴崗地區的資源勘查和開發具有非常重要的現實意義。

一、煤心收獲率低原因分析

雞西和鶴崗盆地城子河組的煤巖相對于該地層的其它巖石，巖性較軟，膠結程度低，鉆時快，如果用鉆取普通巖心的方法來鉆取煤心，特別是鉆取粉煤，很容易導致煤心收獲率偏低。兩盆地的煤心收獲率低主要來源于地質因素和工程因素兩方面[4]。

1. 地質因素

煤心膠結性差，松散難成柱狀，一般表現為塊狀、碎屑狀、粉粒狀。煤心的溶蝕性較大，尤其以粉煤更為明顯，容易被鉆井液溶蝕或沖洗。

2. 工程因素

(1)鉆進參數不合理。鉆壓過大，鉆速過快，鉆具發生激烈振動甚至跳鉆，使煤心受到強烈的力學破壞，導致對煤心磨損嚴重；泥漿泵的排量過大，泵壓過高會導致鉆井液的流量和流速增加，從而會加大對煤心的沖刷力，加劇對煤心的沖毀程度。

(2)司鉆操作不當。提鉆取心過早或者提鉆過猛導致煤心易破碎和折斷；選取的取心鉆具不匹配如卡簧抓心松動易造成煤心出現脫落的問題；延長取心回次長度使得煤心被擠壓、破碎而不易進入取心內管。

二、提高煤心收獲率解決措施

地質因素難以避免，主要從工程因素研究解決措施[5]，以繩索取心鉆具(單動雙管)為例[6]。

1. 優化改進取心鉆具結構

繩索取心鉆具結構主要由外管總成和內管總成組成，對鉆頭、內管、卡取裝置、調節機構進行優化。

1.1 鉆頭

根據以往鉆頭使用情況分析得知[7-8]，使用的底噴式鉆頭的水口水路存在缺陷。新改進的底噴式鉆頭在水眼處設置一道“隔水墻”，鉆井液從鉆桿內流向巖心外管與內管之間的環空間隙，再到鉆頭的“隔水墻”，使得鉆井液的流向一分為二并且水壓力在此處大大降低，大部分鉆井液流進水眼出鉆頭，并且適當增加水眼的個數和增大水眼的面積，防止水眼因個數少、面積小易被巖屑顆粒堵住通道，剩余的少量鉆井液從鉆頭內壁斜臺與卡簧座之間縫隙流出鉆頭。由于鉆井液水壓力的降低和流量的減少，對煤心沖刷能力就會減小，煤心的收獲率會提高，改進后的鉆頭如圖1。

圖1 新改進的底噴式鉆頭(水眼8個)

1.2 內管

改進的取心內管采用半合管結構，即由巖心管軸線加工成兩個半管。相比單一的內管而言，半合管可以更好的保持煤心的原始狀態(特別是粉煤)，方便取出煤心，也便于錄井工作人員獲取相對準確的地質數據。半合管的內壁采用鍍鉻處理,厚度約0.05 mm，半合管內壁的光滑程度會提高，減少煤心進入半合管的摩擦力,進而提高煤心的收獲率。

1.3 煤心卡取裝置

改進煤心卡取裝置主要從卡簧和卡簧座著手，見圖2和圖3。

圖2 兩種不同功用的卡簧

圖2(a)的卡簧只能卡住完整的巖心柱子，而對煤塊、粉煤難以發揮它應有的作用，圖2(b)的卡簧只能單純的卡住煤塊或者粉煤，但很難卡住完整的巖心柱子，且卡簧片容易被巖心折斷。將兩種卡簧巧妙地組合在一起，這樣既能卡住完整的巖心柱子，也能防止煤塊、粉煤脫離巖心內管。

圖3 改進前的卡簧座(上)和改進后的卡簧座(下)

改進前的卡簧座底部水口高度約8 mm,通過加工改進將水口基本磨平，這種細微改進也減少了鉆井液對煤心的沖刷。

1.4 調節機構

調節機構主要包括鎖緊片、調節螺母和可調螺桿。可調螺桿進入外管接頭的深度控制鉆頭內壁斜臺與卡簧座之間的間隙，而間隙的大小直接決定了鉆井液對煤心的沖刷程度。根據實踐經驗和流體力學理論得知[9-11]：鉆遇軟煤時，間隙調整一般為0.5～1.0 mm；鉆取硬煤時，間隙調整一般為1.0～2.0 mm；其它情況時，間隙調整一般為2～4 mm或者大于4 mm。這樣使得大部分鉆井液從鉆頭的水眼流出，減少了鉆井液對煤心的沖刷。

2. 合理調控鉆進參數

煤層取心鉆進參數，應根據煤層的性質、井深、鉆井液性能及采煤器的種類具體調控，一般原則是鉆壓不宜過大，轉速不能過快，泥漿泵排量不宜過多。

結合實際繩索取心采煤經驗，鉆進參數：鉆壓6～8 kN，轉速90～150 r/min，泵量80～120 L/min，鉆井液馬氏漏斗黏度20～25 s，鉆井液密度1.04～1.07 g/cm3。

三、現場應用

將優化改進后的繩索取心鉆具分別在雞西和鶴崗兩地的井場進行了應用，合理調控鉆進參數，取心操作嚴格按照采煤的規章制度執行，科學規范化管理，在4口煤層氣井的不同采煤層段得到了很好的驗證，見表1。

表1 各井煤層取心數據統計表

針對薄煤層(小于1.3 m)、中厚煤層(1.3～3.5 m)、厚煤層(大于3.5 m)，會根據實際地層情況合理控制回次進尺，取心煤層屬于純塊煤，煤心收獲率達到92%以上；取心煤層屬于粉煤，煤心收獲率達到83%以上，均滿足取心的質量要求。

四、結論

(1)煤心收獲率低的原因不是單一的，在實際鉆進取心過程中，它往往是由于多個因素的疊加造成的。導致煤心收獲率低整體分為地質因素和工程因素，只有在充分掌握地質因素的前提下，才能正確解決工程因素上的難題，從而提高煤心收獲率。

(2)從工程因素上提高煤心收獲率，必須先合理調控好鉆井液性能，確保井壁穩定，這是取好煤心的必要條件；然后根據實際地層和工程施工情況，合理選擇繩索取心鉆具和調控鉆進參數，這是提高煤心收獲率的關鍵。

(3)通過在雞西和鶴崗盆地的實際應用，煤心收獲率在一定程度上得到了較大提高，特別是粉煤的煤心收獲率，達到83%以上，滿足取心的質量要求，這也為所在井區的煤層結構、煤層氣含量數據的確定提供了有力的實物支撐。