大口徑繩索取心鉆具在特厚軟煤中的取心應用

姚彤寶，張春林，劉曉剛

(中國煤炭地質總局勘查總院，北京100039)

1 工程概述

HB01－V1井為我院2011年底獨立完成的一口煤層氣參數井+生產井。該井位于河南省鶴壁市山城區(qū)石林鎮(zhèn)李古道村，根據地質設計要求，取心層段為山西組二1煤及其頂底板上下各10 m，要求煤心收獲率≮75%，巖心收獲率≮90%，煤(巖)心直徑≥68 mm，取心時間在15 min之內(自打煤結束至煤心提出井口)。其目的是獲取儲層、儲藏參數，主要包括：二1煤埋深、厚度、煤巖及煤質、煤層含氣量、成分、含氣飽和度、蘭氏體積、蘭氏壓力，儲層壓力及壓力梯度、應力及應力梯度、滲透率、儲層溫度以及頂底板巖石物理力學性質等。

該井設計井深837 m，完井方法為鋼套管+玻璃鋼套管擴眼完井。井身設計為二開結構(見圖1)：一開φ311 mm開孔，下入φ244.5 mm表層套管并封固至地表;二開采用φ215.9 mm鉆具鉆進和取心，下入φ177.8 mm生產套管(含玻璃鋼套管)并封固至二1煤層頂板之上250 m以淺，并在煤層玻璃鋼套管層段依照設計擴眼、造洞穴。全井要求全角變化率≤1.50°/30 m、最大井斜≤2.50°、井底水平位移≤20 m。

圖1 HB01－V1井井身結構設計示意圖

本井實際完井井深805.5 m，完成設計地質及工程設計要求，完井井身質量較好。

一開鉆進對鉆井液性能不做強制要求，鉆井液配制以防塌、防漏、保證正常鉆進、提高鉆效為目的;二開煤系上覆地層原則上要求采用優(yōu)質低固相鉆井液鉆進，鉆井液密度≯1.05 g/cm3，鉆進時適當加入防塌處理劑，以及加入絮凝劑提升巖屑上返能力，達到安全鉆進的目的;鉆進至目的煤層二1煤頂板以上10 m至底板以下10 m，在保證鉆井安全與煤層采取率的前提下，要求原則上清水鉆進。

2 大口徑繩索取心設計

2.1 大口徑繩索取心鉆具

根據本次地質取心要求和實際工作情況，采用了平頂山五環(huán)實業(yè)有限公司生產的WH－B215×74型大口徑繩索取心鉆具(見圖2)。該套鉆具外管徑向尺寸為φ127 mm×11 mm，內管尺寸為φ89 mm×5 mm，鉆具外管總長3 m，內管長1.5 m。鉆具上、下端分別為可與φ127 mm鉆桿和φ215.9 mm鉆頭直接連接的API標準扣型。內管在取煤心時可選用半合管?？ㄈ∶?巖)心時可根據實際情況選用卡簧或爪簧。

圖2 WH－B215×74型繩索取心鉆具

外管總成包括彈卡擋頭、彈卡室、懸掛接頭、外管、下接頭、鉆頭;內管總成包括撈矛頭、彈卡、單動、調節(jié)、卡取巖心及懸掛扶正等機構。幾個主要機構工作原理如下。

2.1.1 彈卡機構

主要由彈卡架、彈卡等部件組成。其作用是內管坐在外管內時彈卡借助張簧的彈力張開，貼在彈卡室的內壁上，上有彈卡擋頭，外有回收管，從而在鉆進時限制內管向上竄，為了防止磨損，借助彈卡擋頭的撥叉帶動鉆具軸承上部隨外管旋轉，取心時打撈器的打撈鉤抓住撈矛頭，提升打撈器、撈矛頭通過彈簧提升回收管，迫使彈卡縮回，使內管總成處于自由狀態(tài)，從而被提離外管進而至地表。

2.1.2 單動機構

由2副推力軸承實現鉆具內外管的單動。

2.1.3 調節(jié)機構

內管總成坐在外管總成內時，由下軸和螺母調節(jié)卡簧座與鉆頭內臺階間的間隙，保證在2～3 mm。

2.1.4 懸掛機構

在懸掛接頭下端有一個可拆卸的懸掛環(huán)，內管總成到達預定的位置時，坐在外管總成的座環(huán)上。

2.1.5 打撈及脫卡機構

由打撈鉤、打撈架、重錘和脫卡管等組成。撈取巖心時打撈器放入鉆桿內，靠重錘快速下降，當到達內管上端時，打撈鉤抓住撈矛頭，從而把內管提升上來。而當撈取煤巖心遇阻時，可通過繩索絞車提拉鋼絲繩把安全銷拉斷或投下脫卡管釋放撈矛頭的方式使打撈器與內管總成脫離，實現脫卡。

2.2 繩索取心鉆頭

本井采用φ215.9 mm PDC復合片取心鉆頭。鉆頭總體為階梯形結構，即切削齒以一定排列呈階梯超前形克取地層。鉆頭的當量階梯高度分別為10和15 mm，有效地增加了破碎巖石的自由面。但鉆頭內徑較小，僅為φ75 mm，因而鉆頭底唇面相對較大，在破碎巖石時需較大鉆壓，這不利于井斜的控制和煤巖心采取率的提高。

2.3 煤層氣井繩索取心要求

(1)為確保煤層含氣量測定數據的準確性，取心內管從提心開始至出井口時間要求小于2 min/100 m，煤樣到達地面后必須在10 min內按煤層剖面順序裝入解析罐并迅速密封。

(2)為減少煤心的氣體損失，取心提鉆時，應使鉆井液盡可能地充滿井筒，并盡可能地縮短煤心在空氣中的暴露時間。

(3)為保證煤心采取率，回次進尺應控制在1.0 m以內。

(4)煤心采取要做到煤層結構清楚、煤心不污染、不燃燒變質、不混入雜質，順序不能顛倒。

(5)為避免鉆井液沖刷煤心，取心鉆進時應采用低泵量鉆進。

3 HB01－V1井地質條件

本井鉆遇地層自上而下為第四系(Q4)、第三系鶴壁組(N2h)、二疊系上石盒子組(P2s)、下石盒子組(P1x)、山西組(P1s)和石炭系太原組(C3t)，具體情況見表1。

表1 HB01－V1井鉆遇地層

鶴壁六礦是鶴壁礦區(qū)煤與瓦斯突出最為嚴重的礦井，二1煤為其單一主采煤層，平均厚度約8 m，全區(qū)煤層厚度變化小，結構簡單。礦區(qū)構造復雜，構造煤發(fā)育，造成煤層周圍地應力改變后煤層機構極易破壞而呈粉狀，甚至粒狀。煤層正常區(qū)段堅固性系數可達0.6以上，當應力條件一旦改變，其堅固性系數急劇下降。全區(qū)來看，二1煤為低灰、低硫、高發(fā)熱量貧煤，呈半亮～亮型，顆?！蹱?，灰黑～黑灰色，局部可見條痕、植物莖葉化石;二1煤性脆、膠結松散，為軟～極軟煤。HB01－V1井預計煤厚9.0 m，測井解釋煤厚為10.17 m。

4 大口徑繩索取心鉆進技術

由于歷史客觀原因，臨近井資料參考價值較低，且非取心層段采用無巖心鉆進、地層中亦無明顯標志層，致使本井無法準確確定取心鉆進井深或層位。鑒于上述原因，本井施工過程中，密切觀察巖屑錄井和氣測錄井結果，結合實鉆情況和區(qū)域地質，與甲方商定后自井深726.34 m處換鉆取心(設計取心層段753.00～782.00 m)。

4.1 取心鉆具組合及工藝參數

取心鉆具組合：φ215.9 mm取心鉆頭+繩索取心鉆具+φ127 mm鉆桿。

工藝參數：沖洗量10～15 L/s，鉆壓15～25 kN，轉速30～60 r/min;巖心段每次進尺≯1.5 m，煤心段每次進尺≯1.0 m。

4.2 取心保障措施

4.2.1 場地和人員

井場專門騰出一塊場地，用于拆裝繩索取心工具和煤巖樣的清洗、丈量、照相等。

取心作業(yè)前技術交底，明確分工，責任到人，確保安全、準確、及時。

夜間作業(yè)時，鉆臺、場地照明充分。

4.2.2 組裝與保養(yǎng)

為了確保取心鉆具在井下動作可靠、有效，需在地表做好鉆具的組裝與保養(yǎng)工作。首先，應按照裝配圖分別組裝好內、外管總成和打撈器，并對鉆具的主要零件進行認真檢查;然后，把內管總成裝入外管總成中，調整內外管的長度配合，并用打撈器試撈內管總成，經確認合乎要求后，方能下孔使用?，F場組裝外管總成、內管總成和打撈器的關鍵步驟和要求如下。

(1)外管總成的組裝：①裝入座環(huán)和扶正環(huán)時，應放平擺正且用手推入，禁止用任何鐵器敲擊，以防損傷螺紋或使座環(huán)或扶正環(huán)變形，影響內管的升降;②外管的彎曲度應小于0.30 mm/m，否則應進行矯直;③外管總成上所有螺紋聯接處，要涂絲扣油并上緊。

(2)內管總成的組裝：①檢查撈矛頭是否完整;②組裝彈卡機構時，先將回收管套于彈卡架上，再通過回收管和彈卡架的槽，裝入彈卡和張簧，最后通過回收管的裝配孔把彈性銷打入;③裝好的彈卡動作應靈活，用手輕輕拉動撈矛頭、回收管即可使彈卡縮回，此時彈卡兩翼間距應小于或等于回收管直徑;推下回收管，彈卡應立即張開，兩翼間距大于彈卡室內徑;④所有彈性銷要裝正，其開口方向應一致，且不能有晃動現象;⑤緩沖彈簧的鎖母適當鎖緊;⑥擰緊調長機構的調節(jié)螺母，以防倒扣，防止內管總成在外管中上下頂死;⑦單動軸承裝配時，不能過緊，也不能過松，以用手轉動靈活、不晃動為好，軸承裝配完畢后，應通過黃油嘴向軸承注油，軸承套內需裝滿黃油;⑧卡簧座、內管和內管總成的上部連接必須同軸;⑨擰緊卡簧座并配好卡簧，一般卡簧的自由內徑應比鉆頭內徑小0.2～1.5 mm。

(3)打撈器的組裝：①打撈鉤安裝時聯接需可靠，且不能向一側偏斜;②打撈器下部彈卡動作應靈活可靠。

將內管總成裝入外管總成時，需認真調節(jié)彈卡與彈卡擋頭頂面的間隙和卡簧座與鉆頭內臺階間隙。本次取心作業(yè)中，將彈卡與彈卡擋頭的頂面的間隙調為6 mm，卡簧座與鉆頭內臺階的間隙調至3～5 mm。同時，需保證內管總成牢固地卡住在外管總成中，不能自彈卡擋頭端自由地倒出，只有使用打撈器才能順利撈出。

另外，為了保證正常使用鉆具，必須經常檢查鉆具，特別是針對彈卡、彈簧、單動軸承等關鍵部件，做好經常性的維護和保養(yǎng)，及時涂抹油脂，必要時拆開更換。

4.2.3 下鉆

下鉆前，再次確認入井鉆具各結構聯接是否可靠、適當，取心鉆頭與鉆具配合合理與否。

逐根檢查入井鉆桿內是否有雜物、異物，確保打撈器和取心管順利通過。

及時觀察并記錄井筒內液面高度，必要時需回注鉆井液。

嚴格控制下放速度，認真記錄并分析鉆具下放過程不正常情況的深度、原因等，為降低鉆井液等對軟煤層的擾動、沖刷，在距煤層5～10 m處循環(huán)鉆井液(避免在煤層段內循環(huán))。

取心內管應由撈矛器吊送至井底，并在繩索絞車上標記好下入井內鋼絲繩的位置，避免鋼絲繩打結、跳槽。

取心管吊入井底后，循環(huán)鉆井液并適速回轉，確保其就位后方可取心鉆進。

4.2.4 鉆進

鉆進前，轉速、排量、鉆井液性能調整到設計范圍內。

正常鉆進時，送鉆均勻，保持設計的鉆進參數，嚴禁中途停泵、提鉆。

鉆時變快或變慢時，進尺0.2～0.3 m后及時撈取巖心，確定地層變化。

4.2.5 割心

本井施工過程中，巖心取心段采用停泵后回轉割心辦法。若煤層段也采用這種方案，將可能造成局部煤心的燒變，不利于準確獲得煤層相關參數，且考慮本井煤層為松散、粒狀的軟煤，煤層內割心方案：爪簧卡心+不停泵+回轉(20～30 s)。

4.2.6 撈心

采用動力頭鉆機時，可將整個鉆柱適當提升至井口便于地面操作合適位置后卡死，然后投入打撈器。

為避免鋼絲繩打結，應控制絞車下放速度，并觀察絞車上的井深標記，下放適量的鋼絲繩以確保打撈住取心管。

在上提初期，宜將絞車調至低速擋，通過反復切換其正反轉，使得絞車具有較大的拉力將取心管拔出，當明顯觀察到鋼絲繩拉力變小后，可將絞車調至較高擋位。

撈心過程注意觀察井內液面，必要時回注鉆井液。

4.3 取心效果

本井實際取心層段為726.34～747.68 m，長21.34 m，其中煤層10.28 m(鉆探)，共取心23回次，其中煤層取心13回次。收獲煤巖心總長18.97 m，其中煤心8.58 m、巖心10.39 m;煤心采取率83.46%，巖心采取率93.94%。整井取心效果受到現場監(jiān)督和甲方的高度評價。

5 結語

大口徑繩索取心鉆具在HB01－V1井的應用表明，該套取心工具結構合理，組裝簡便，性能穩(wěn)定，使用可靠，取心效果好，完全適應煤層氣參數井取心要求。對于特厚軟煤中取心，在嚴控鉆進工藝參數的同時，回次進尺宜控制在0.7 m左右。這不僅能保證煤心的成柱性，從而提高采取率，也能滿足煤層氣現場解析或室內分析瓦斯樣(單罐約需0.3 m煤樣)的要求。另外，通過密切觀察井下鉆進情況在地面機具上的反應，及時調整取心鉆具內外管間隙或卡簧的形式，能夠有效防止取心作業(yè)中的空管現象。

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