煤層氣含量測定用繩索密閉取心裝置及技術研究

龍威成，孫四清

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層氣含量是表征煤儲層特征的重要參數，是煤層氣資源估算、產能預測和井網布置設計的重要依據[1-3]。大量實踐表明，煤田地質勘探和煤層氣資源勘探期間采用常規方法測得的煤層氣含量低于煤層中實際氣含量[4]。常規煤層氣含量測試采用解吸法進行測試，其測試的氣含量包括損失氣、解吸氣和殘余氣3 部分[5]。解吸氣和殘余氣兩部分均可以精確實測，但損失氣量目前主要根據煤心初期瓦斯解吸規律，通過經驗公式估算，這是造成煤層氣含量測試偏低的主要原因。采用常規取心方法時，由于巖心管多為開放式或半封閉式，在獲取的煤心從井底提至地面，以及在地面從巖心管取出裝入煤層氣解吸罐的過程，煤心暴露，大量氣體逸散，而通過經驗公式估算的損失氣含量與實際相差較大；室內模擬實驗也證明實際逸散的煤層氣損失量可能是估算煤層氣損失量的幾倍至十幾倍[6-8]。要提高地面煤層氣含量測試精度，研制避免煤層取心過程中氣體逸散的裝置是主要途徑之一。近年來，中煤科工集團西安研究院有限公司研發煤層密閉取心技術，并率先在煤礦井下進行試驗，取得顯著效果[9-10]；基于井下密閉取心技術研發的經驗，結合地面井作業特點，開展地面密閉取心技術的研發。現場工程試驗表明，地面密閉取心裝置的應用能夠大幅提高煤層氣含量測定精度[11]，但目前地面密閉取心裝置仍存在提大鉆獲取煤心的工序繁瑣、勞動強度大、取心效率較低等問題。因此，筆者基于以往密閉取心技術與經驗，研制地面井煤層繩索密閉取心裝置及技術工藝，以期為地面井快速、密閉取心，精準測定煤層氣含量參數提供技術及裝備支持。

1 繩索密閉取心成套裝置研制

1.1 繩索密閉取心裝置

1.1.1 設計思路

現有的地面煤層密閉取心裝置采用“三筒單動”式結構設計，“三筒”即取心外筒、取心內筒和液壓推動筒，“單動”是指取心鉆桿傳遞鉆機動力至取心外筒，取心外筒帶動取心鉆頭旋轉鉆進，而取心內筒和液壓推動筒未轉動。取心外筒起到傳遞動力和保護內部組件等作用，取心內筒是儲存并密封煤心、解吸氣體的容器，取心內筒上端安裝解吸閥，實現取心內筒的取心–解吸一體化[12]，取心鉆進結束后提出孔內所有鉆具從而撈取取心內筒。由于采用三筒結構，裝置外徑達 120 mm，取心外筒長度達2 150 mm，裝置體積、重量大，無法與現有繩索取心鉆具匹配。

為滿足地面井快速獲取煤心、準確測定煤層氣含量的目的，剖析現有煤層密閉取心技術及裝置存在問題的基礎上，提出地面井繩索密閉取心裝置設計思路，如圖1 所示。一是采用液壓封堵頭(置于上懸掛內)直接推動取心內筒下行、聯動取心內筒球閥反轉關閉的推動與關閉方式，取消原液壓推動筒設計，簡化密閉取心裝置內部結構，增加取心內筒容量，縮小裝置外部尺寸的同時最大限度縮小取心內筒組件的外徑，取心內筒組件為圖1 中除取心外筒和取心鉆頭外的其他部分，取心內筒組件的最大外徑僅為93 mm，滿足其在現有取心鉆桿(?114 mm)內部輸送的需求；二是取心內筒組件上端增設打撈頸，其與增設的投送打撈裝置(圖2下部)、鋼絲繩提升系統配合，實現快速提心及連續多次取心的目的。

圖1 地面井繩索密閉取心裝置結構Fig.1 Structure of wireline sealed coring device in surface well

1.1.2 構 成

依據地面井繩索密閉取心總體思路，設計加工了繩索密閉取心成套裝置，該套裝置包括密閉取心外筒、取心內筒、上懸掛/軸承組、液壓推動總成、投球裝置、投送打撈裝置以及鉆桿轉接頭等，主要部件如圖2 所示，其中，取心內筒、液壓推動總成、投球裝置等構件安裝在密閉取心外筒的內部，構成取心內筒組件。

圖2 地面井繩索密閉取心成套裝置Fig.2 Wireline sealed coring device for surface wells

①取心外筒 取心外筒置于密閉取心裝置最外層，包括外筒和轉換接頭等。外筒前端通過絲扣安裝密閉取心鉆頭，末端通過轉接頭與取心鉆桿相連，一方面保護內置的取心內筒和液壓推動總成等內部部件，另一方面連接鉆桿傳輸旋轉動力，帶動鉆頭取心鉆進。

② 取心內筒 取心內筒是收集、切斷并密封煤心的部件，采用取心和解吸一體化設計，實現煤心在鉆割后直至解吸全過程的密閉功能。取心內筒由剪切/關閉球閥、球閥轉接頭、取心筒管、解吸連接閥門以及定位軸承等組成。取心內筒前端通過轉接頭(球座)安裝剪切/關閉球閥。取心筒管在取心過程中收集煤心，取心鉆進結束后，剪切/關閉球閥截斷煤心并將煤心密閉在取心筒內。取心筒末端安裝解吸閥門，使取心內筒可兼作解吸罐，剪切/關閉球閥關閉的同時，關閉解吸閥門，取心結束后無需拆開取心內筒與煤樣裝罐，即可連接煤層氣測試設備進行現場解吸測試。

③液壓推動總成 液壓推動總成位于懸掛總成和取心內筒之間，由液壓推動頭、投球裝置以及銷釘等組成。液壓推動頭由動力銷釘固定在投球裝置的管路卡槽中，與外筒、上懸掛(圖1)共同形成了液壓缸，液壓缸壓力上升至剪斷動力銷釘時，液壓推動頭下行。推動短節安裝于液壓推動頭下端，液壓推動頭下行時，推動短節與取心內筒上端接觸并使之下行，取心內筒球閥與推動環、解吸閥及固定觸點接觸，并各自實現反轉關閉。

④ 投送打撈裝置 投送打撈裝置是實現地面井密閉取心裝置快速輸送到取心位置和提升獲取密閉取心內筒組件的關鍵部件，如圖2 所示，其主要包括撈矛頭、震擊器和加重桿等部件。為了便于密閉取心裝置投球打壓，撈矛頭設計成公撈矛頭；震擊器和加重桿為加力裝置，在投送取心內筒組件時用于震擊并迫使取心內筒組件在取心外筒設定位置上定位(定位銷彈出)。取心鉆進到位后，鋼絲繩提升系統連接工具串(撈矛頭、震擊器和加重桿的連接組合)由孔口向鉆桿內下放，撈矛頭在工具串自重的作用下沖擊進入取心內筒組件上端的打撈頸，完成連接，啟動鋼絲繩提升系統上提取心內筒組件，完成打撈作業。

⑤ 其他組件 動力銷釘是蓄能升壓的關鍵，根據煤層地質條件和現場實際，可選配不同規格的動力銷釘，材質為銅質或鋼質銷釘。封堵球可根據取心鉆桿規格和投球裝置水路尺寸選配，主要有?20 mm、?21 mm、?23 mm 等規格高密度球。此外，密閉取心裝置設計考慮了與各種鉆機、鉆具的搭配和銜接，可選配各種鉆具變徑接頭。

1.2 密閉取心鉆頭

密閉取心鉆頭是密閉取心裝置的重要部件之一，其設計的優劣直接影響煤心采取率和密閉取心裝置關閉成功率。為了與密閉取心裝置相配合，將密閉取心鉆頭設計成底噴式、內通孔式，并在鉆頭內部設計臺階面，與取心內筒球閥下推動環配合，同時為了滿足現場不同工程試驗條件需要，設計加工了PDC 和金剛石兩種材質、?146 mm/?127 mm 兩種外徑的取心鉆頭。

1.3 裝置調試

1.3.1 氣密性檢測

取心內筒的密閉性能檢測是密閉取心裝置使用前的基礎而重要的工作，為達到密閉取心裝置的密封氣體能力，要求取心內筒保壓能力不低于10 MPa。為此，在取心內筒組裝完成后，須進行取心內筒的氣密性檢測。在室溫28℃、相對濕度46%的環境中，取心內筒密封壓力達到11.50 MPa(氮氣氣源)，保壓60 min 壓力不下降，即取心內筒滿足氣密性要求。

1.3.2 打壓關閉試驗

打壓關閉試驗是檢驗密閉取心裝置是否能在一定壓力下完成關閉動作的重要步驟，為此，在密閉取心裝置組裝完成后，進行打壓關閉試驗。采用專用打壓檢驗設備，清水水源，密閉取心裝置無切割阻力(空載)，安裝2 個動力銷釘，10 回次的打壓試驗均獲得預期效果，取心內筒剪切球閥和解吸閥均關閉嚴密，試驗關閉壓力為3.0～4.5 MPa。試驗表明，該套密閉取心裝置在一定壓力條件下，能按設計要求完成打壓和關閉動作。

1.3.3 繩索投撈模擬試驗

為檢驗密閉取心裝置在地面井中的快速投送和回收工藝，進行密閉取心內筒組件的投送和打撈試驗共計60 回次，包括鋼絲輸送方式37 次，自由落體方式投送23 次，后者是為了模擬密閉取心內筒組件在鋼絲系統無操控、內筒組件后半程急速下墜等極端條件下的投撈效果。試驗打撈成功率達到100%，鋼絲繩輸送方式投送成功率達到100%，自由落體方式投送成功率為83%，總體投送成功率達到 93%。試驗表明，正常情況下，密閉取心裝置通過鋼絲繩提升系統進行快速投撈是可行的。但如果取心內筒組件急速下墜，取心內筒上端的動力剪切銷釘被剪斷，取心內筒下行導致下推動環與鉆頭內臺階面接觸，可能使取心內筒提前密閉。

2 地面井繩索密閉取心技術工藝

地面井繩索密閉取心技術工藝流程如圖3 所示，現場試驗嚴格遵照流程執行，確保密閉取心質量和氣含量測試準確性，主要試驗步驟如下。

圖3 繩索密閉取心工藝流程Fig.3 Technological process of wireline sealed coring

①鉆孔施工 為保證地面井密閉取心裝置順利下入鉆孔預定取心深度，以及鉆取煤心時順利排渣的需要，地面井施工鉆孔最小孔徑應大于密閉取心鉆頭外徑(?127 mm 或?146 mm)；為了保證取心內筒組件在鉆桿內可以通過，要求繩索取心鉆桿內通徑不小于?101 mm，且不大于?120 mm；密閉取心時宜采用清水取心鉆進及割心關閉，必須采用泥漿或其他介質鉆井液時，泥漿或鉆井液密度不宜大于1.05 g/cm3；鉆機配套泥漿泵應滿足密閉取心泵注壓力要求，且低流量時壓力不低于15 MPa，最低檔流量不得大于100 L/min。

② 密閉取心裝置輸送 鉆孔施工至設計取心位置后，提出井內所有鉆具。第一回次密閉取心，可將取心內筒組件與密閉取心外筒等安裝好后，與取心鉆頭、鉆桿可靠連接，并緩慢、勻速下入孔底。除第一次取心外，其余回次可由投送打撈裝置直接將取心內筒組件輸送入孔底的密閉取心裝置內部，由此實現鉆孔內的密閉、快速、連續取心。

③取心鉆進 取心裝置輸送到位后，采用小排量鉆井液循環直至井口返出鉆井液為止，之后即可開始鉆進取心，取心進尺應根據取心目的和煤層地質條件確定，一般取1.2～1.5 m 為宜。

④ 打壓關閉 打壓是實現取心內筒密封煤心的關鍵環節，基于繩索密閉取心裝置的工作原理和結構，打壓主要經歷壓力緩緩上升和壓力驟然下降兩個過程。取心鉆進結束后，卸開最上端鉆桿，由開口處投入封堵球，連接泥漿泵，檢查高壓管和設備連接可靠后，開啟泥漿泵緩慢升壓，待壓力升高至最大值后驟然下降時，預判密閉取心內筒已關閉，即可停止打壓。

⑤ 打撈內筒組件 將投送打撈裝置與絞車提升系統連接，緩慢下入孔底，到達預計深度后，投送打撈裝置嵌入密閉取心內筒組件的打撈頸，之后即可啟動絞車提升系統，將取心內筒組件提至孔口，取出取心內筒。需要繼續取心時，可更換取心內筒后，重復步驟②—⑤進行繩索密閉取心。

⑥ 取心內筒氣密性檢測及稱重 取心內筒取出后，應立即檢查取心內筒的氣密性。確認取心內筒球閥關閉良好后，將取心內筒密封端浸入清水中，觀察5 min，檢查有無氣泡冒出。稱量取心后取心器內筒質量，估算煤心樣品質量。之后即可將取心內筒放入現場恒溫水浴，并可連接解吸儀進行現場解吸。

3 繩索密閉取心工程試驗

為了檢驗地面煤層氣井繩索密閉取心裝置的性能及煤層氣含量測試結果準確度，通過分析調研，選擇在晉城礦區寺河井田開展現場工程試驗。

3.1 試驗區概況

晉城礦區寺河井田位于沁水煤田南部、晉城礦區中東部，井田發育了一系列近SN—NNE 向的寬緩褶曲，形成井田內巖(煤)層的波狀起伏，地層傾角3°～15o，一般在10o以內。主要含煤地層為二疊系下統山西組(P1s)和石炭–二疊系太原組(C2P1t)，平均厚136.02 m。含煤15 層，煤層總厚14.67 m，含煤系數10.8%，其中可采和局部可采煤層3 層，總厚度10.32 m，3 號和15 號為主要可采煤層，9 號為局部可采煤層，寺河煤礦主采3 號煤層，該煤層位于山西組下部，煤厚4.45～8.75 m，平均6.31 m，結構屬簡單—較簡單型。

寺河井田3 號煤層煤體堅硬程度總體屬于中硬，煤的堅固性系數一般為0.79～3.13，平均值為1.91；煤層變質程度較高，煤種為無煙煤；煤層氣(瓦斯)含量較高，寺河區塊地面井實測3 號煤層埋深在200～400 m 段煤層氣含量平均約為11.32 m3/t，埋深400～700 m 段煤層氣含量約為7.67～25.76 m3/t；寺河煤礦東井實測 3 號煤層瓦斯含量為 8.47～28.10 m3/t，西井實測3 號煤層瓦斯含量為11.69～21.80 m3/t[13-14]。寺河煤礦為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災害一直困擾煤礦的安全高效生產，煤層氣含量大于16 m3/t 的區域采煤前進行煤層氣地面井預抽[15]，實現采煤采氣一體化[16-17]，本次繩索密閉取心試驗選擇在地面抽采效果檢驗井中進行。

3.2 巖層密閉取心試驗

鉆井施工至目標煤層以上20 m 時，開展巖層密閉取心試驗，以便掌握井內狀況、檢驗密閉取心裝置井內輸送是否通暢，以及事先解決可能存在的問題或隱患。試驗技術人員進入SHX2-01 井現場，共完成2 個回次的巖層密閉取心試驗，密閉取心層段為135～160 m。第1 回次取心進尺0.90 m，巖心長0.40 m，巖性為砂巖、泥巖互層，取心內筒關閉嚴密，密閉取心鉆頭水眼有被泥巖堵實現象；第2 回次取心進尺1.20 m，巖心長1.00 m，巖性為砂巖、泥巖互層，取心內筒關閉嚴密。

現場試驗結果表明：試驗地面井井徑、鉆機、鉆桿等方面與密閉取心裝置配合良好，鉆井液參數、泥漿泵壓力等能夠滿足地面井密閉取心試驗要求；現場實際工況下，密閉取心裝置各組件能夠聯動實現既定動作；取心鉆進過程，高轉速、低鉆壓、小排量可以鉆取到較為完整的柱狀巖心。

但存在如下問題：取心內筒組件采用繩索投送后，打撈器與取心內筒組件分離較為困難；取心內筒內無卡簧，在上提鉆桿與投球環節，部分巖心可能從內筒中掉出。

針對上述問題，技術人員采取調整打撈工藝相關參數、在取心內筒內部增設卡簧等措施，以便在煤層段獲得預期取心效果。

3.3 煤層密閉取心氣含量測定

選擇晉城礦區煤層氣抽采效果檢測井 SHX2-01、SHX2-02 和SHX3-02 井作為本次試驗井，上述3 口井均對3 號煤層進行了煤層氣抽采，繩索密閉取心試驗也在3 號煤層中開展，通過實際測定方法檢驗煤層氣井抽采效果。此外，為對比密閉取心效果，同一層煤采用常規(繩索)取心和繩索密閉取心進行取樣，取樣參數見表1。SHX2-01 井常規取心2 個，繩索密閉取心1 個，取心過程順利，繩索提心用時5 min(提心速度66.92 m/min)，取心內筒關閉嚴密；SHX2-02 井常規取心3 個，密閉取心1 個，因繩索打撈失敗而采用提鉆取心，耗時182 min(提心速度2.39 m/min)，樣品密封嚴密；SHX3-02 井常規取心2 個，密閉取心1 個，取心內筒關閉嚴密，繩索提心過程順利，繩索提心耗時5 min(提心速度63.60 m/min)。

所采取樣品及時放入現場恒溫水浴中，模擬儲層溫度條件，參照GB/T 19559—2008《煤層氣含量測定方法》相關規定進行解吸，之后送至實驗室進一步化驗測試，測試結果見表1，試驗區3 號煤層氣含量常規取心測值為5.60～8.79 cm3/g，密閉取心氣含量測值為7.25～9.86 cm3/g。結合以往測定煤層氣含量數據(平均值11.32 m3/t)分析可知，試驗區3號煤層氣含量明顯降低，地面井煤層氣抽采效果顯著；單井同一煤層對比分析可知，煤層密閉取心空氣干燥基氣含量為常規(繩索)取心氣含量測值的1.12～1.17 倍。綜上分析可見，地面煤層氣井繩索密閉取心技術提高了煤層氣含量測定準確度的同時，也提高了密閉取心效率。

表1 煤層取心及氣含量測定結果Table 1 Coal seam coring and gas content determination results

4 結論

a.研制地面井煤層繩索密閉取心裝置，提出地面井煤層繩索密閉取心技術工藝。煤層繩索密閉取心內筒組件上端設計繩索投撈接口(打撈頸)，配套設計繩索投撈工具串和繩索提升系統，實現取心內筒組件的快速下放與提升；采用液壓推動頭直接推動取心內筒下行的方式達到球閥旋轉關閉的目的，在保證足夠的取心內筒容積(內徑達到48 mm)和環空間隙的同時，將密閉取心裝置外徑最小化(?114 mm)，配套?127 mm 取心鉆頭，使整套密閉取心裝置適用較多井型。

b.選擇晉城礦區中硬、高變質、高瓦斯煤層區的地面井進行煤(巖)層繩索密閉取心工程試驗，獲得3 號煤層常規取心樣品7 個，密閉取心樣品3 個，樣品氣含量測試結果為試驗區煤層氣抽采效果評價提供了準確的數據支撐。工程試驗效果考察表明，單井同一煤層密閉取心空氣干燥基氣含量為常規(繩索)取心氣含量測值(平均值)的1.12～1.17 倍，繩索提心速度為63.60～66.92 m/min，地面煤層氣井繩索密閉取心氣含量測定技術在提高煤層氣含量測定準確度的同時，大幅縮短密閉取心所需時間，降低作業強度并提高密閉取心的效率。晉城礦區煤層氣抽采檢驗井中的密閉取心與常規取心煤層抽采剩余氣含量測試對比試驗也表明，中硬、高變質、較低氣含量的煤層中繩索取心煤層氣含量測試結果誤差較小。

c.地面井煤層繩索密閉取心氣含量測試技術為地面井煤層參數精準測試提供了有效手段，具有較好的實用價值。今后需要繼續開展不同地質條件下，尤其是碎軟煤層繩索快速密閉取心工程試驗與應用推廣，不斷完善地面井煤層繩索密閉取心氣含量測試技術體系。