煤層氣保溫保壓保形取心工具研制及現(xiàn)場應用

王西貴， 鄒德永， 楊立文， 高 瑋， 孫少亮， 蘇 洋

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧盤錦 124010）

煤層氣是一種伴生于煤層中的非常規(guī)天然氣，主要以吸附狀態(tài)賦存在煤的孔隙中。煤儲層與常規(guī)油氣儲層差異明顯，煤層既是生氣層，又是儲氣層，可改造性差。因此，準確分析煤層氣的含氣量和滲透性特征是指導煤層氣開發(fā)的基礎和關鍵[1–4]。目前，煤層氣前期勘探的主要技術手段是利用鉆井取心工具獲取煤層巖心進行儲層物性和含氣性研究，但煤心在取樣過程中經(jīng)過壓力釋放和取樣操作，滲透率和含氣量發(fā)生重大變化，導致測量結果失真，嚴重影響勘探開發(fā)方案的制訂。

煤層氣保壓取心工具是針對上述問題開發(fā)的一種煤層地質巖心資料采集工具[5–7]。20世紀70年代開始，為了勘探開發(fā)天然氣水合物，國外依托國際深海鉆探計劃（DSDP）和國際大洋鉆探計劃（ODP），研制了PCB、PTCS和APC等多種保壓取心工具，并多次成功鉆取了天然氣水合物樣品[8]。國內(nèi)也進行了相關技術研究[9–13]，長城鉆探工程公司在沁水盆地開展了多口煤層氣保壓取心現(xiàn)場試驗，在實際應用中體現(xiàn)出“保油、保氣”的顯著優(yōu)勢。筆者在現(xiàn)有保壓取心工具基礎上，針對煤儲層易碎、物性易隨環(huán)境條件改變的地質特點，研制了具有圍壓加持和巖心溫度保護雙重優(yōu)點的保溫保壓保形取心工具，確保獲取的巖心始終處于或接近井底覆壓狀態(tài)，能減少起鉆過程中吸附氣和游離氣的散失，延緩煤層自由裂縫的生成，準確求取煤層原始的孔隙度、滲透率和流體飽和度等地層參數(shù)。

1 保溫保壓保形取心工具的研制

1.1 工具結構及技術參數(shù)

根據(jù)煤層氣儲層的地質特點和煤層氣取心的技術要求，對深層煤層氣保壓取心工具進行了保形功能完善升級，形成了煤層氣保溫保壓保形取心工具。該取心工具主要由轉換接頭、液壓提升機構、分流接頭、取心外筒、壓力補償總成、測量裝置、保溫保壓保形取心內(nèi)筒和球閥密封總成等組成（見圖1），與原取心工具相比[14]，主要是對球閥密封總成和保溫保壓保形取心內(nèi)筒進行了設計改進。

圖1 保溫保壓保形取心工具結構Fig.1 Structure of coring tool with pressure maintenance, thermal insulation and shape preservation

保溫保壓保形取心工具的本體外徑為194.0 mm，配套使用?215.9 mm取心鉆頭；獲取的煤心直徑達80.0 mm，額定保壓 60 MPa，煤心筒長度根據(jù)需要設計有1.30和3.00 m；采用液力加壓和自鎖式割心相結合的割心方式，割心完成后采取提鉆的方式割取煤心。

1.2 技術原理

取心外筒上端與鉆具連接，主要作用是傳送鉆壓和扭矩；下端與取心鉆頭相連，在鉆壓和扭矩雙重作用下對煤層進行切削，形成圓柱形煤心進入保溫保壓保形取心內(nèi)筒。保溫保壓保形取心內(nèi)筒是煤心的儲存載體，取心內(nèi)筒上端依次連接測量裝置、壓力補償總成和液壓提升機構，取心內(nèi)筒下端連接球閥密封總成，對煤心進行密封保壓；取心內(nèi)筒外部充填保溫性能較好的二氧化硅氣凝膠保溫材料，對煤心進行溫度保持。取心鉆具下鉆和鉆井過程中，球閥處于打開狀態(tài)，保持煤心進筒通道暢通。完成取心作業(yè)后，液壓提升機構關閉球閥密封總成和開啟壓力補償總成。液壓提升機構是液壓動力執(zhí)行機構，從井口投入專用鋼球封堵鉆井液通道憋壓從而剪斷銷釘，反向抬升保溫取心內(nèi)筒組件，使保溫取心內(nèi)筒與外筒形成一個差動距離[15]；在此差動過程中，球閥硬剪切煤心并旋轉90°，完成保溫保壓保形取心內(nèi)筒的密封，同時打開壓力補償機構的開關。壓力補償總成內(nèi)置高壓氮氣，下鉆和取心鉆進中補償總成處于關閉狀態(tài)，球閥密封總成關閉后，壓力補償總成開始啟動；內(nèi)筒壓力下降時，壓力補償總成可對保壓內(nèi)筒進行壓力回注，保持內(nèi)筒壓力與近地層壓力相近，實現(xiàn)煤心樣品的壓力保持。測量裝置可對內(nèi)筒中煤心的溫度和壓力進行連續(xù)測量和存儲，通過細小的變化趨勢了解煤心在起鉆過程中的理化分解特征，直觀地表征煤心的保溫和保壓效果。

取心過程中，鉆井液從鉆具、液壓提升機構內(nèi)部流入，經(jīng)分流接頭進入取心外筒與取心內(nèi)筒之間的空隙，再由球閥密封總成與鉆頭預留的間隙流向井底，用于冷卻取心鉆頭，并攜帶巖屑經(jīng)井眼與鉆具的環(huán)空上返至地面。

2 取心工具關鍵技術

2.1 金屬硬密封球閥密封技術

常規(guī)保壓取心工具在應用過程中有時出現(xiàn)球閥關閉不到位、密封失效等問題，詳細分析發(fā)現(xiàn)，主要原因為：1）鉆井液固相含量高，小砂礫很容易進入球體與球座的配合間隙，并在球閥執(zhí)行關閉動作時小砂礫容易將球座的密封圈帶離原位，造成密封失效；2）當球座內(nèi)部封存超高壓力后，閥體的吊耳強度不足以平衡內(nèi)部壓力而產(chǎn)生變形，導致球體與球座分離。

為了解決上述問題，設計了圓弧閉合球閥[16]。該圓弧閉合球閥主要由彈簧壓頭、復位彈簧、圓弧結構球座、球體倉、球體、轉軸和帶導向齒條的套筒等部件組成，其工作原理是：球閥在下鉆和正常取心鉆進中始終處于打開狀態(tài)，為煤心入筒提供通道；當目標層位巖心鉆取完成、需要關閉球閥時，從鉆臺處投入一個專用的憋壓鋼球、并繼續(xù)泵入鉆井液，憋壓鋼球落在取心工具液力提升機構的球座后封堵鉆井液通道，在液壓作用下剪斷固定銷釘，啟動液力提升機構；在此過程中，取心外筒、取心鉆頭和帶導向齒條的套筒均保持不動，取心內(nèi)筒和圓弧閉合球閥等部件反向抬升1/4πD的距離（其中D為轉軸齒輪的節(jié)度圓直徑），從而推動球閥旋轉90°完成關閉動作，實現(xiàn)保壓取心內(nèi)筒密封。圓弧閉合球閥的打開和關閉狀態(tài)如圖2所 示。

圖2 圓弧閉合球閥的不同工作狀態(tài)Fig.2 Different working states of arc closed ball-valve

圓弧閉合球閥采用全密封式球體倉設計，可以耐受60 MPa壓力不變形，解決了原球體倉無法承受如此大的壓力而輕微變形的問題。圓弧閉合球閥內(nèi)部封存的高壓通過球座的臺肩產(chǎn)生使球座更加緊貼球體的作用力，其內(nèi)部壓力越高，主動封閉力越大，越有利于密封；即使在淺井應用時，復位彈簧的回彈力一直作用在圓弧球座上，使圓弧球座與球體緊密貼合，以保證密封效果。

2.2 復合式保溫取心內(nèi)筒

2.2.1 復合式保溫取心內(nèi)筒結構設計

為了降低外界溫度對煤心測試結果的影響，設計了復合式保溫取心內(nèi)筒。它包括4層復合式結構：最內(nèi)層為隨動保形膠膜，中層為橡膠筒，外層為金屬筒，橡膠筒與金屬筒之間的圍壓腔內(nèi)填充保溫性能良好的二氧化硅氣凝膠保溫層（見圖3）。

圖3 復合式煤層氣保溫取心內(nèi)筒剖面Fig.3 Profile of composite inner coring barrel for CBM with thermal insulation

2.2.2 復合式保溫取心內(nèi)筒的工作機理

金屬保溫外筒上端連接測量裝置，下端連接球閥密封總成。保溫層材料選用二氧化硅氣凝膠，該氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互交聯(lián)構成的、具有空間網(wǎng)絡結構的輕質納米多孔材料，是目前隔熱性能最好的固態(tài)材料。為了防止保溫層被高壓流體擠破，分別在其1/3、2/3處打幾個通孔，用于傳遞流體的壓力。橡膠筒是保壓保溫煤心的主要存儲載體，比鋁合金材質更易于切割，可以避免切割產(chǎn)生的局部熱量對樣品產(chǎn)生破壞；隨動保形膠膜可將入筒的煤心進行包裹，阻隔鉆井液污染煤心，并防止疏松煤心在保溫筒內(nèi)散落[17]。

當球閥密封總成關閉后，金屬外筒與膠筒之間形成密閉空間，在壓力補償機構的作用下，近地層液柱壓力擠壓膠筒，對內(nèi)部煤心樣品施加圍壓保護，緩解振動導致新裂縫的生成、延展。膠筒下接頭還設計有壓力平衡孔，其主要作用是引導底部流體充盈在隨動保形膠膜的外側，使膠膜內(nèi)外兩側壓力平衡。

2.2.3 保溫層厚度優(yōu)化

為了選取合適的二氧化硅氣凝膠保溫層厚度，采用Solidworks Simulation軟件模擬復合式煤層氣保溫取心內(nèi)筒的溫度場。為了減小計算量、提高模擬計算效率，不考慮隨動保形膠膜和保溫層上下兩端的散熱損失，只選取保溫內(nèi)筒的一個截面做穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析。假設保溫膠筒內(nèi)徑80 mm，厚度5 mm；金屬外筒內(nèi)徑140 mm，厚度10 mm；形成圍壓的介質為水，且各部分都緊密接觸。地面溫度20 ℃，地溫梯度 2.8 ℃/100m，估算埋深 2 000 m 某目標煤層的地層溫度約為76 ℃。模擬分析二氧化硅氣凝膠的厚度分別為0，10，15和20 mm時復合式煤層氣保溫取心內(nèi)筒的徑向溫度分布，結果如圖4所示。

圖4 不同厚度保溫層保溫取心內(nèi)筒的徑向溫度分布Fig.4 Radial temperature distribution of inner barrel with different thermal insulation layer thickness

由圖4可知，二氧化硅氣凝膠保溫厚度分別為0，10，15和 20 mm 時，金屬外筒最外側溫度分別是39.06，22.47，21.83 和 21.48 ℃。安裝保溫層后，保溫性能顯著提高，且保溫層的厚度越厚其保溫性能越優(yōu)異，但厚度超過10 mm后溫度的下降幅度不再明顯。從經(jīng)濟效益角度考慮，保溫層厚度可選擇10 mm。

2.3 取心鉆頭優(yōu)選

為了降低鉆井液對煤心的污染，縮短煤心在鉆井液中的浸泡時間，減少煤層氣逸散，需要選用攻擊性強、鉆速高和使用壽命長的取心鉆頭。為此，優(yōu)選了一種表鑲、孕鑲相結合的復合式金剛石取心鉆頭（見圖5）。鉆頭表面采用天然金剛石顆粒作為表鑲切削齒，胎體采用特質合金粉和人造金剛石顆粒燒結而成，具備表鑲和孕鑲鉆頭的雙重優(yōu)點，在保證足夠強度的條件下還具有一定的韌性。另外，表鑲的切削齒具有自清洗和再生功能，頂層材料磨損后，下一層的切屑材料又能發(fā)揮作用，確保鉆頭切屑齒具備較長的自銳生命周期，提高鉆頭的破巖能力和鉆頭進尺。

圖5 表鑲、孕鑲復合式金剛石取心鉆頭Fig.5 Surface-set and impregnated composite diamond coring bit

2.4 鉆具組合優(yōu)化

以?215.9 mm井眼為例，推薦選用以下鉆具組合：?215.9 mm表鑲、孕鑲復合式金剛石取心鉆頭+?194.0 mm 煤層氣保壓保形取心工具+?171.0 mm浮閥（板式）+?165.1 mm 鉆鋌×2 根+?127.0 mm 加重鉆桿×10 根+?127.0 mm 鉆桿。

3 取心技術措施

針對煤層氣參數(shù)井的取心技術難點，在取心施工前準備、取心鉆進、提心等環(huán)節(jié)制定了相應的技術措施[18–19]：

1）取心前施工準備。應檢查煤層氣取心工具，特別是檢查壓力補償總成是否能正常工作，并充入壓力高于井底靜液柱壓力1～2 MPa的氮氣，檢查球閥關閉無阻卡，并調(diào)整鉆頭內(nèi)臺階與帶導向齒條套筒之間的裝配間隙。另外，還需要根據(jù)地層狀態(tài)和實鉆情況調(diào)整鉆井液性能，提前準備好隨鉆堵漏劑，確保井壁穩(wěn)定、井內(nèi)無掉塊。

2）取心工具下放。控制工具下放速度不大于1.0 m/s，每下鉆500 m憋通水眼一次，并且嚴控下鉆遇阻不超過50 kN；下鉆期間如遇阻嚴重，嚴禁使用取心鉆頭和取心工具進行劃眼或通井作業(yè)。取心工具下至距離目標取心層位2.00 m處應緩慢循環(huán)鉆井液，防止瞬時鉆井液壓力過大提前剪斷差動機構的剪切銷釘，導致球閥提前關閉和壓力補償機構提前開啟。待泵壓顯示正常后，充分清洗井底，方可進行正常取心作業(yè)。

3）取心鉆進。綜合考慮地質情況、鉆井機具的配套和施工安全等多種因素，分階段優(yōu)化鉆井參數(shù)。引心期間，為了使煤心以較完整的形態(tài)進入取心內(nèi)筒，應將鉆壓控制在10～15 kN，鉆具轉速控制在40 r/min左右；正常鉆進取心期間，為了縮短煤心在鉆井液中的浸泡時間、降低對煤心的污染程度，應促使煤心快速進入保溫保壓保形取心內(nèi)筒，將鉆壓控制在 40～50 kN，鉆具轉速控制在 60 r/min；磨心期間，鉆壓應先升至 60 kN，然后再降至 30 kN，鉆具轉速控制在 60 r/min，并在原處干鉆 10 min；割心期間，鉆壓控制在10 kN以內(nèi)，鉆具停止轉動，從井口處投入專用鋼球，依靠液壓提升機構的差動作用使球閥旋轉90°，從而密封取心內(nèi)筒。

4）提心。煤心提取過程中應保持勻速提升，避免鉆具振動對煤心造成損害；提心過程中應定時往井內(nèi)注入鉆井液，以保持井底有足夠的靜液柱壓力，防止發(fā)生井噴事故。

4 現(xiàn)場應用

G-X20井位于目標區(qū)塊西部斜坡帶，地層平緩，上部地層以棕紅色含鈣質結核泥巖、灰黑色泥巖為主，夾帶厚層肉紅色砂巖；取心層位為本溪組煤層，取心的目的是了解本溪組煤儲層的特征和物性、落實本溪組的煤層氣含量，為目標區(qū)塊勘探開發(fā)方案的制訂提供基礎數(shù)據(jù)。

按照預先制定的取心技術方案，該井累計保壓取心3筒次，總進尺9.60 m。取心工具下至目標取心層位后未出現(xiàn)30 kN以上的遇阻點。正常取心過程中，表孕鑲取心鉆頭鉆時均勻，未出現(xiàn)鉆速明顯降低的現(xiàn)象，出井后未發(fā)現(xiàn)有明顯掉齒，整體新度仍然保持在85%以上。投球關閉球閥過程中，泵壓升高幅度正常，取心工具到達地面后查看球閥處于關閉狀態(tài)，檢測壓力為 24.31 MPa，與井深 2 477 m 處的靜液柱壓力（29.98 MPa）相比，保壓率達到了81.08%；第2筒和第3筒取心作業(yè)整體正常，地面測試保壓率分別達到了86.07%和80.20%。取心共獲取9.07 m長的煤心，平均煤心收獲率為94.48%（見表1）。

表1 巖心收獲率和保壓率Table 1 Core recovery and pressure maintenance rate

5 結論與建議

1）煤層氣保溫保壓保形取心工具設計合理，可行性強，有助于獲取更為全面、真實的地層巖心資料，解決煤層氣取心“保氣、保形”難的問題。

2）設計的圓弧閉合球閥有效克服了球閥關閉不到位、密封圈出槽問題，密封性顯著提高；復合式保溫取心內(nèi)筒增設的隨動保形膠膜對煤心進行預包裹，有效降低了鉆井液對煤心的污染，為后期煤心的準確測試創(chuàng)造了條件。

3）現(xiàn)場應用表明，煤層氣保溫保壓保形取心工具運行平穩(wěn)、性能可靠，達到設計要求和現(xiàn)場應用條件，該工具的成功研制，為正確認識煤層氣地質條件提供了技術支撐。

4）建議加強煤層氣現(xiàn)場保壓取心技術研究，注重后期保壓巖心的處理技術和配套機具的研發(fā)，為進一步推廣應用奠定基礎。