沁水盆地松軟煤層大直徑繩索取心施工關(guān)鍵技術(shù)

張 強，郝世俊，趙永哲，祁宏軍，黃 巍

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077)

1 概述

2013ZX－SH－UM15V井為山西省沁水盆地一口煤層氣生產(chǎn)直井，需要對鉆遇的3號、15號煤層取心，以了解煤層含氣量、煤巖特性等，最終確定水平井施工層位及后期排采工作采取的方法。因該區(qū)塊煤層下部煤質(zhì)較松軟，采用提鉆取心鉆進，巖心采取率一度很低。為此，在2013ZX－SH－UM15V井的后期施工過程中，采取了全斷面鉆進與繩索取心相結(jié)合的鉆進方式，通過反復試驗，最終圓滿完成了3號、15號煤層取心工作，其中15號煤層巖心采取率達90%以上，取得了良好的效果。

2 2013ZX－SH－UM15V井地質(zhì)概況及井身結(jié)構(gòu)

本區(qū)地層自上而下依次為:第四系、二疊系上統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)和石炭系上統(tǒng)。二疊系上統(tǒng)包含石千峰組、上石盒子組。二疊系下統(tǒng)包含下石盒子組、山西組。石炭系上統(tǒng)包含太原組。石炭系中統(tǒng)包含本溪組。奧陶系中統(tǒng)包含峰峰組。本井田主采煤層為3號、15號煤層，其中3號煤層位于山西組底部，平均厚度為6.04 m。15號煤層位于太原組一段底部，平均厚度為 2.67 m［1］。

2013ZX－SH－UM15V井位于河道邊上，表層主要為砂石、鵝卵石地層，鉆孔漏失，地層出水量大。一開需要穿越表層進入穩(wěn)定基巖10 m后，下入表層套管，封隔表層水及砂石、鵝卵石不穩(wěn)定地層。二開根據(jù)取心要求分五段鉆進。第一段，正常鉆進至3號煤層上部10 m處;第二段，從3號煤層上部10 m處開始更換取心鉆具，取心鉆進至3號煤層底板下1 m處;第三段，從3號煤層底板下部1 m處正常鉆進至15號煤層上部4 m處;第四段，從15號煤層上部4 m處，更換取心鉆具，取心鉆進至15號煤底板下1 m;第五段，從15號煤層底板下1 m處，正常鉆進至15號煤層底板下30 m處。2013ZX－SHUM15V井井身結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

3 鉆井設備選擇

2013ZX－SH－UM15V井選擇的主要鉆井設備見表2。

表1 2013ZX－SH－UM15V井井身結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 2013ZX－SH－UM15V井主要鉆井設備

4 松軟煤層取心關(guān)鍵技術(shù)

圖1 WH－B215×74型繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)示意

2013ZX－SH－UM15V井鉆遇的3號、15號煤層中下部煤質(zhì)較軟，堅固系數(shù)為0.6～0.8。當鉆進時，煤層周圍應力急劇改變，其堅固系數(shù)急劇下降，取出的煤樣見圖2。因本次施工采用的是非常規(guī)尺寸的繩索取心鉆具組合，在地質(zhì)情況復雜且沒有施工經(jīng)驗與技術(shù)標準的情況下，通過不斷摸索不斷調(diào)整最終在3號煤層底部及15號煤層取心鉆進時，巖心采取率＞90%，滿足取心技術(shù)指標。表3為摸索試驗取心過程中鉆進參數(shù)對應的巖心采取率。在摸索鉆進參數(shù)的同時，分析了繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)，針對松軟煤層取心可以進一步改進繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)。

圖2 2013ZX－SH－UM15V井鉆遇的3號、15號煤層中下部煤樣

4．1 鉆進參數(shù)的選擇

在2013ZX－SH－UM15V井施工過程中，通過不斷試驗摸索，發(fā)現(xiàn)鉆壓增大有利于巖心成型而順利進入巖心內(nèi)管，轉(zhuǎn)速減小能夠減小鉆頭對即將進入巖心內(nèi)管的巖心段的擾動，保證巖心的完整性，泵量減小能夠減小鉆井液對巖心的沖蝕作用，有利于巖心采取率的提高。因此鉆壓從70 kN增加到120 kN，轉(zhuǎn)速從40 r/min降低到20 r/min，泵量在滿足排屑的條件下，從12 L/s減小到3 L/s，能夠有效完成取心指標。

4．2 鉆井液的選擇

2013ZX－SH－UM15V井3號、15號煤層中下部松軟易分散，且煤層中存在夾矸，煤層底部為高碳質(zhì)泥巖與鋁質(zhì)泥巖，具有很強的遇水膨脹性。鉆井液滿足攜粉、護壁、冷卻鉆頭同時要對巖心具有一定的保護作用。因此需改善鉆井液的性能，保證鉆井液有合適的粘度、良好的流動性與剪切稀釋特性。選用的配方為:清水+膨潤土+SPNH+CMC+KCl。該鉆井液體系擁有良好的泥頁巖水化抑制性和較低的失水量，漏斗粘度達到40 s，失水量 ＜8 mL/30 min，密度 ＜1.2 g/cm3。

表3 3號、15號煤層繩索取心鉆進參數(shù)與巖心采取率

4．3 取心鉆頭的選擇

圖3 215.9 mm PDC取心鉆頭

圖4 215.9 mm的孕鑲金剛石取心鉆頭

4．4 卡簧的選擇與使用

針對2013ZX－SH－UM15V井煤層松軟破碎的情況，采用了圖5所示的爪簧。爪簧因其特殊的結(jié)構(gòu)，有利于托住巖心與及時卡斷巖心，以防止出現(xiàn)巖心脫落。使用時，每回次內(nèi)管下井前，檢查爪簧簧片的彈性強度及爪簧的閉合性，以保證巖心能夠順利進入且不存在巖心脫落現(xiàn)象。在保證沖洗液通道合理、巖心能夠順利進入巖心管的前提下保證爪簧座與鉆頭的間隙為7 mm，爪簧自由內(nèi)徑比鉆頭內(nèi)徑小0.2～0.3 mm。

4．5 巖心內(nèi)管的選擇

2013ZX－SH－UM15V井施工中開始采用無縫管巖心管(見圖6)，從巖心管內(nèi)取出巖心時，經(jīng)常需要用重物振擊巖心筒，這樣本身松軟的巖心出筒后更加松散，減小巖樣的選擇范圍，降低地質(zhì)資料的完整性。后期采取半合管巖心管(見圖7)，取心時，卸掉卡簧座，分開吻合的半合管后便可順利取出完整巖心，省時省力的同時保證了取心指標的高效完成。

圖5 松軟煤層繩索取心用的爪簧

圖6 無縫管巖心管

圖7 半合管巖心管

4．6 組裝取心鉆具

連接組裝繩索取心鉆具前應在地面檢查各個部件是否有效可靠，對活動部件進行涂抹油脂保養(yǎng)。連接內(nèi)管總成時保證:(1)撈矛頭自由狀態(tài)時在內(nèi)管總成頂部保持豎直，以便打撈器入井能夠順利連接撈矛頭;(2)組裝好彈卡機構(gòu)后，拉拽撈矛頭保證彈卡能夠順利收回;(3)擰緊調(diào)長機構(gòu)的調(diào)節(jié)螺母，以防倒扣，防止內(nèi)管總成在外管中上下頂死;(4)單動軸承裝配時，不能過緊，也不能過松，以用手轉(zhuǎn)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(nèi)需裝滿黃油。連接完內(nèi)管總成后裝入外管總成，調(diào)整內(nèi)外管的配合間隙，最好找一塊相同尺寸的巖心以驗證鉆頭內(nèi)徑、爪簧、爪簧座是否配合恰當。完成后用打撈器試打撈內(nèi)管總成，以驗證打撈器，脫卡管，內(nèi)管總成的彈卡是否工作正常。確保地面試驗無誤后再入井工作［2］。

4．7 鉆進取心與割心

取心鉆進時，嚴格按照給定的鉆進參數(shù)勻速送鉆，為保證巖心采取率，回次進尺＜1.3 m，鉆進期間嚴禁上提?；卮毋@進結(jié)束后向下壓一下鉆具，同時保持開泵，慢轉(zhuǎn)8～10圈，以割斷巖心。

4．8 打撈巖心

打撈器在地面組裝完畢后，認真檢查打撈器與鋼絲繩連接是否可靠，打撈器的撈鉤架是否靈活可靠，且不向一邊偏斜。同時根據(jù)井深標記好鋼絲繩的入井長度，以便判斷打撈器是否到位。

鋼絲繩懸吊打撈器放入鉆桿柱內(nèi)以1.5～2.0 m/s的速度快速下降，打撈器到底后用手提拉或者用絞車輕輕提拉以感覺是否抓住撈矛頭，待確定抓住撈矛頭后，先以絞車低擋慢速提拉巖心內(nèi)管至脫離外管后，再以小于50 m/min的速度提出巖心內(nèi)管。

5 結(jié)論與建議

(1)針對松軟煤層取心鉆進，通過對鉆進參數(shù)的正交試驗，最終確定鉆壓120 kN，轉(zhuǎn)速20 r/min，泵量3 L/s的合理鉆進參數(shù)。

(2)針對松軟煤層取心鉆進，要求鉆井液的漏斗粘度達到40 s，失水量為8 mL/30 min，密度＜1.2 g/cm3，具有一定的泥頁巖水化抑制性。

(3)選用大直徑孕鑲金剛石取心鉆頭，半合管巖心筒，爪簧，配合適當?shù)睦K索取心操作規(guī)程能夠有效的完成取心指標。

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