繩索取芯技術在低煤階煤層氣井鉆井施工中的應用

趙慶彬 耿鐵鑫 秦偉 李任翔

(大慶油田井下作業公司，黑龍江 163453)

繩索取芯技術在低煤階煤層氣井鉆井施工中的應用

趙慶彬 耿鐵鑫 秦偉 李任翔

(大慶油田井下作業公司，黑龍江 163453)

海拉爾盆地呼和湖凹陷煤層薄，煤階低，以褐煤為主，給取芯工作帶來很大難度，常規繩索取芯技術已不符合該地區煤層氣參數井鉆進要求，因此根據呼和湖凹陷地質特征，優選適宜的繩索取芯鉆具結構及技術措施。

低煤階 褐煤 繩索取芯

Abstract:Coal in Huhe lake depression of Hailaer Basin is mainly low rank lignite occurred in thin coal seams，which brings about great difficulties in coring．The conventional wire－line technique can not meet the requirements for drilling CBM parameter well within this region．Therefore，the structure of wire－line coring tool and the adequate technical measures have been selected in accordance with the geological characteristics of Huhe lake depression．

Keywords:Low rank coal;lignite;wire-line coring

海拉爾盆地呼和湖凹陷煤層氣勘探尚屬首次，為了準確獲取煤層的埋深、厚度、煤階、煤巖及煤質特性、割理及裂隙發育程度等參數，縮短煤芯裝罐時間，精確測算煤層含氣量、含氣飽和度、等溫吸附曲線、滲透率、儲層壓力、地應力、煤層頂底板巖石物理力學性質等數據，并據此計算區域內煤層氣儲量，預測產氣量，為今后井網部署、鉆井工藝優化、壓裂改造、排采措施等提供重要理論依據。

1 呼和湖凹陷地層條件

海拉爾盆地呼和湖凹陷儲層類型主要包括基巖風化殼、砂巖、凝灰質砂巖和礫巖。伊一段、大二段、南二段是煤層富集的主要層位。伊二+三段的煤層，其頂底板一般均為碳質泥巖，偶見砂礫巖;伊一段的煤層，其頂板多為碳質泥巖和粉砂巖，底板多為泥巖、碳質泥巖和粉砂巖;大二段煤層頂板多為泥巖、碳質泥巖等，底板有碳質泥巖、泥巖和細砂巖等。從實際取芯結果來看，煤層中夾矸多為碳質泥巖;煤層以半暗煤為主，煤體結構破碎，以塊狀為主，割理不發育，煤階為褐煤。

2 繩索取芯工具優選

常規繩索取芯采用大口徑繩索取芯鉆具，鉆頭采用硬質合金鉆頭、煤層頂底板使用PDC鉆頭或三角聚晶鉆頭、階梯超前式切削型取芯鉆頭，鉆具外徑為215.9mm，內徑62mm，巖心直徑為60mm(圖1)，卡芯機構(圖2)采用標準卡箍巖心爪和彈簧片巖心爪，取巖心時內管采用整管，取煤芯時采用半合管，外管上部通過接頭直接與φ127mm鉆桿連接，必要時在φ127mm鉆桿上連接2～3個扶正器。

圖1 取芯結構示意圖

圖2 卡芯機構

通過對呼和湖凹陷地質研究，優選出適合該區域煤層的繩索取芯工具。呼和湖凹陷內煤層煤階低，煤質疏松、抗水力沖蝕能力低，難以形成煤芯柱，因此采用階梯超前式切削型取芯鉆頭;巖心爪采用彈簧片巖心爪，能有效的防止煤芯脫落;煤芯進入內筒后會產生膨脹，內筒如若采用半合管，易發生煤芯脹裂半合管，導致煤芯掉落，因此取芯時采用整管內筒。

鉆具組合優選:φ215.9mm階梯超前式切削型取芯鉆頭+φ178mm繩索式取芯器+φ127mm鉆桿+133.3mm方鉆桿，彈簧片巖心爪，整管內筒直徑為60mm。鉆桿接頭水眼不小于82mm，鉆桿本體和接頭間不能有臺階，鉆桿彎曲度不能超過1mm/m。

3 繩索取芯工藝優化

3.1 取芯前準備工作

安裝滑輪組，保證在提升筒時能夠活動鉆具;選用鋼絲繩直徑8～9mm，有效長度2000mm，通過卡繩器將打撈機構與鋼絲繩連接，保證旋轉接頭在懸垂狀態下轉動靈活;組裝好內筒，調內筒與外筒間隙，仔細檢查各部分連接，保證工作安全。

3.2 循環鉆井液

鉆具下至距井底3～5m處開始循環鉆井液，緩慢下放鉆具至井底，至少一周，將井底沉砂充分循環干凈，清洗井眼，保證井眼暢通，清洗掉鉆具內壁的干泥餅，防止投入內筒時遇卡。振動篩選用120目振動篩布，使用離心泵和除砂器。

3.3 取芯鉆進

從井口向鉆柱內送入內筒，開泵。當泵壓升高時說明內筒懸掛座已安全座封在外筒懸掛套上;安全起見，一般使用打撈機構將內筒直接送至懸掛機構，然后使用釋放套將打撈機構與矛頭脫開。內筒到位后差動機構處伸狀態。

下放鉆具，施加5～10KN鉆壓，差動機構收縮，內筒與鉆頭產生相對位移，此時鉆頭內的巖心導向套插入到內筒下端，彈簧片巖心爪撐開，這時可以啟動轉盤進行取芯鉆進。在懸掛機構作用下內筒不隨外筒旋轉，經鉆頭切削成柱的巖心在巖心導向套的引導下直接進入內筒中。

由于煤層疏松，成柱性差，取芯鉆進參數應以“四低”為宜:低鉆壓、低轉速、低排量和低泵壓。

取芯鉆井過程應根據地質特征，調整相關取芯工程參數，以和煤1井為例(表1)，750m前按原工程參數進行取芯鉆進，單筒收獲率明顯偏低，甚至有空筒情況出現。通過現場總結經驗得出，在排量較大的情況下，煤芯在樹芯過程中容易被鉆井液沖散，造成煤芯無法進入內筒，導致收獲率低下。750m后重新調整取芯參數，采取控制減小排量，同時增大鉆壓和轉速，確保在樹芯過程中煤芯不被沖散，順利進入到內筒，保證了取芯收獲率(圖3)。

表1 和煤1井取芯工程參數調整前后對比

圖3 和煤1井單筒取芯收獲率

借鑒和煤1井取芯經驗，和煤2井調整取芯工程參數，增大鉆壓和排量，控制轉速，減小了樹芯過程中鉆頭對煤芯的磨損(表2)。和煤2井在優化工程參數后，相比和煤1井，取芯收獲率與單筒合格率明顯增加(圖4－6)。

表2 和煤2井優化后取芯工程參數

圖4 和煤2井單筒取芯收獲率

圖5 和煤1井單筒取芯合格率

圖6 和煤2井單筒取芯合格率

3.4 割芯

鉆完進尺后，上提鉆具割芯。割芯時不需磨芯，割芯要一次完成，減少煤芯受擠壓縮，防止鉆井液長時間沖蝕和浸泡使煤芯損耗，降低收獲率。割芯時先停轉盤，停泵，上提速度盡可能慢。較硬地層可適當加壓后割芯。卡箍巖心爪沿縮徑套收縮抱緊巖心并將其拉斷，與此同時差動機構在重力的作用下脫開，內筒與鉆頭產生反向相對位移，巖心導向套從內筒中拉出，而隱蔽的彈簧片巖心爪逐漸伸出完全封住內筒底部將松散破碎的巖心托住，阻止巖心碎塊下漏(圖7)。和煤1井與和煤2井在割芯過程中，均采取加壓后割芯，增加鉆壓1～2KN。

圖7 取芯打撈機構

3.5 打撈內筒

由井口下入打撈機構與內筒的矛頭對接，從鋼絲繩的松緊程度可判斷是否打撈成功，上提即可將內筒撈出。打撈器在鉆具內“兩頭慢、中間快”，即距井口30m內和井底30m上時，緩慢下放、上提，防止震開內筒，打撈時間不超過2min/100m。和煤1井打撈內筒時間，合格率為100%(圖8);和煤2井在打撈過程中，發生2次鋼絲繩斷裂，導致打撈內筒時間超時，合格率僅為95.2%(圖9)。

圖8 和煤1井打撈內筒時間

圖9 和煤2井打撈內筒時間

3.6 取芯裝罐

將內筒平放于地面，卸開內筒下端的螺紋，取出巖心，用清水簡單清洗后，對巖心進行描述，快速采集25～30cm較完整煤芯裝罐，進行現場快速氣體解析。從內筒出井口到煤芯裝罐時間小于10min。和煤1井與和煤2井裝罐時間合格率均為100%(圖10，11)。

圖10 和煤1井裝罐時間

圖11 和煤2井裝罐時間

4 取得成果

海拉爾盆地呼和湖凹陷運用繩索取芯技術已完成2口煤層氣參數井(表3)，收獲率均達到設計要求，煤芯成完整柱狀結構，夾矸清晰，頂底板完整，煤芯無污染，符合規范要求，為今后低煤階、構造煤繩索取芯技術提供了寶貴的經驗。

表3 現場取芯數據表

5 經驗及建議

海拉爾盆地呼和湖凹陷煤階低，煤質松軟，取芯過程中容易造成煤芯破碎掉芯，總結2口參數井繩索取芯經驗，提出以下幾點建議:

(1)在取芯鉆進前鉆具下至距井底3～5m處開始循環鉆井液，緩慢下放鉆具至井底，增加鉆井液循環時間，選用120目振動篩布，使用離心泵和除砂器，將井底沉砂充分循環干凈，防止投入內筒時遇卡及取芯時將井底沉砂取出。

(2)取芯鉆進前檢查好取芯設備，鋼絲繩是否有斷股，巖心爪的彈簧片是否有掉齒，以保證取芯工作的安全性;鉆進時每一層煤的第一回次進尺不超過0.5m，以檢查取芯工具的可靠性。

(3)取芯鉆進時保持鉆壓平穩，在5cm之內均勻將鉆壓加到設計值，鉆時快要跟上鉆壓;大泵由三個凡爾減少至一個凡爾，使其在合理范圍內減小排量，防止樹芯過程中沖掉煤芯;發現泵壓升高及時采取措施，如降鉆壓，提轉速等，若泵壓不能回落，應立即割芯取出內筒。

(4)減少樹芯及割芯時間，減小鉆頭對煤芯的磨損，防止鉆井液長時間沖蝕、浸泡致使煤芯損耗，確保取芯收獲率。

［1］雷群，李景明，趙慶波.煤層氣勘探開發理論與實踐［M］.北京:石油工業出版社，2007.

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［4］郝登峰，石繼風，胡向志.繩索取芯技術在煤層氣井施工中的應用［J］.2007.

Application of Wire-line Coring Technique to Drilling of CBM Well in Low Rank Coal Seams

Zhao Qingbin，Gen Tiexin，Qin Wei，Li Renxiang
(Underground Operation Company of Daqing Oil Field Ltd．Co．，Helongjiang 163453)

趙慶彬，男，學士，助理工程師，從事煤層氣鉆井工程工作。

(責任編輯 桑逢云)