繩索取心技術(shù)在煤層氣DP1井的應(yīng)用

孫志和 朱克華 劉超 寧軍 孫天宇 邵帥 付君豪

1.中國石油華北油田公司；2.渤海鉆探第四鉆井工程公司；3.渤海鉆探第五鉆井工程公司；4.渤海鉆探定向井公司

DP1井是部署在河北省滄縣隆起大城凸起構(gòu)造帶的第一口該區(qū)域煤層氣水平勘探井，勘探的主要目的是獲取地質(zhì)資料，試驗水平井開發(fā)中階煤煤層氣的適應(yīng)性。如何準(zhǔn)確獲取煤層的埋深、厚度，安全快速地取出煤心成為本井施工的關(guān)鍵。該井采用二開井身結(jié)構(gòu)，先鉆直導(dǎo)眼井落實地質(zhì)分層情況，取全資料，為水平井鉆進(jìn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再以實際地層情況設(shè)計出側(cè)鉆水平井軌道，實現(xiàn)準(zhǔn)確著陸，并提高水平段煤層鉆遇率，達(dá)到求取煤層氣產(chǎn)能地質(zhì)目的。所鉆遇地層從上到下依次為平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、石盒子組、山西組、太原組。DP1井的井身結(jié)構(gòu)一開用?311.2 mm鉆頭鉆進(jìn)至253 m后下入?244.5 mm套管，二開直導(dǎo)眼采用?215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至1 345 m煤底板，設(shè)計取心3層，總進(jìn)尺40 m，巖心直徑大于60 mm，重點取煤層及其頂、底板位置煤樣。

煤層段取心存在諸多難題，如煤層具有強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、均質(zhì)性差、孔隙壓力低、易碎裂、成柱性差等特性［1］，導(dǎo)致取心收獲率低；同時，為了盡量減少甲烷吸附 氣的散失，要求取心時間、起鉆時間和煤心樣品到達(dá)地面后裝入密封解吸罐所需時間的總和越短越好。

繩索取心技術(shù)是不用起下鉆而由鉆桿內(nèi)撈取巖心的取心工藝，它具有工具結(jié)構(gòu)簡單、取心效率高、減少煤層氣逸出少、取出巖心質(zhì)量好等特點［2］。DP1 井成功應(yīng)用該技術(shù)，在最短時間將煤巖取出裝罐［3］，達(dá)到了取全、取準(zhǔn)煤層參數(shù)的目的，為煤層取心提供可借鑒經(jīng)驗。

1 繩索取心工具的優(yōu)選及改進(jìn)

1.1 常規(guī)繩索取心工具

繩索取心是在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)巖心充滿巖心筒后，不需提鉆取巖心，而是以鉆桿為通道，借助于繩索和專用打撈工具，把鉆進(jìn)過程中貯存于內(nèi)巖心筒中的巖心提升到孔外的取心鉆進(jìn)方法，可以極大減少起下鉆具的時間。

繩索取心鉆具的型號很多，規(guī)格各異，但其基本結(jié)構(gòu)大同小異，均由外筒總成、內(nèi)筒總成和打撈器3部分組成。

外筒總成包括彈卡擋頭、彈卡室、穩(wěn)定接頭（上擴(kuò)孔器）、外筒、下擴(kuò)孔器和鉆頭；內(nèi)筒總成由撈矛頭、彈卡、懸掛環(huán)、到位報訊、單動、內(nèi)筒保護(hù)、調(diào)節(jié)、扶正、內(nèi)筒、巖心卡取等機(jī)構(gòu)組成。

1.2 繩索取心工具優(yōu)選

取心鉆頭選用?215.9 mm PDC取心鉆頭，鉆頭內(nèi)徑60 mm并具備保徑功能?？ㄐ臋C(jī)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)卡箍巖心爪或彈簧片式巖心爪，取砂泥巖時內(nèi)筒采用整筒，取煤巖時采用半合管，取心外筒直接與鉆桿連接。鉆桿選用G-105鋼級?127 mm鉆桿，鉆桿本體及接頭內(nèi)不能有臺肩，彎曲度不超過1 mm/m，水眼通徑不小于82 mm，對入井鉆具用?82 mm通徑規(guī)逐根通徑。

依據(jù)煤層巖性變換巖心爪，若鉆遇煤階低、成巖性好的地層選用彈簧片式巖心爪，有效地防止煤巖脫落；對于煤層巖性疏松的選取籃爪式巖心爪，并選取半合管內(nèi)筒，防止煤巖進(jìn)入內(nèi)筒后出現(xiàn)膨脹堵心、卡心等問題。

1.3 繩索取心工具改進(jìn)

1.3.1 取心鉆頭 初期使用的取心鉆頭為階梯狀且頂部為連續(xù)圓環(huán)，適用于松散地層，鉆進(jìn)砂泥巖時，鉆時慢易造成巖心沖蝕及直徑磨細(xì)，割心時巖心爪無法卡住巖心，起出內(nèi)筒后無巖心。改進(jìn)后的鉆頭為梭形結(jié)構(gòu)，頂部改為非連續(xù)環(huán)，齒間設(shè)計水槽，將八刀翼4復(fù)合片改為六刀翼6復(fù)合片結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了攻擊性。同時進(jìn)行了水眼優(yōu)化，去除內(nèi)圓水眼，減少對巖心的沖蝕（見圖1）。

圖1 取心鉆頭Fig.1 Coring bit

1.3.2 巖心爪 目前常用的巖心爪為卡箍式和籃爪式，卡箍式用于成巖性較好地層，松軟地層及煤層選用籃爪式。但在鉆井取心作業(yè)中，地層巖性變化大或?qū)Φ貙诱莆詹粶?zhǔn)時，容易造成巖心爪失效的情況，卡箍卡不住松散巖心，籃爪割不斷膠結(jié)致密的巖心，造成巖心缺失，且籃爪式巖心爪在煤層取心鉆進(jìn)時出現(xiàn)過疏松煤心［1］未進(jìn)內(nèi)筒被沖蝕情況。為增強(qiáng)巖心爪的適用性，將巖心爪合二為一（見圖2），從而提高了巖心爪的通用性。

圖2 巖心爪Fig.2 Core catcher

2 施工過程

2.1 取心前準(zhǔn)備

地面管匯及泥漿泵出口加裝濾清器，防止雜物進(jìn)入循環(huán)流程。安裝滑輪組，保證在提升內(nèi)筒時能夠活動鉆具；打撈絞車選用直徑8～9 mm的鋼絲繩，通過卡繩器將打撈機(jī)構(gòu)與鋼絲繩連接，保證旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動靈活；組裝好內(nèi)、外筒并調(diào)整內(nèi)筒距鉆頭內(nèi)臺肩的間隙3～5 mm。對內(nèi)筒進(jìn)行試提放，確保下放到底，與鉆頭間隙保證取心要求，上提無阻卡且保證卡簧在彈卡室的制動功能。

2.2 循環(huán)鉆井液

下鉆過程中分段循環(huán)鉆井液，遇阻嚴(yán)禁硬壓，防止巖屑及軟泥擠入取心外筒。下鉆到底大排量循環(huán)鉆井液，將鉆具內(nèi)壁的濾餅和井底沉砂充分循環(huán)清洗干凈，防止投入內(nèi)筒時在鉆具內(nèi)遇卡。

取心2次后，根據(jù)取出巖心及下放鉆具遇阻情況確定鉆井液排量，防止井下巖心破碎，影響收獲率。煤層取心時采用10～15 L/s排量鉆進(jìn)，取心2～3次后，應(yīng)大排量循環(huán)鉆井液沖洗攜沙1周。記錄不同排量時的循環(huán)泵壓，為判斷內(nèi)筒是否到位提供依據(jù)。

2.3 取心

送入內(nèi)筒有2種方式：繩索送入與井口投入。發(fā)生少量漏失導(dǎo)致鉆具內(nèi)液面較低時，使用內(nèi)筒為半合管，宜采用繩索送入方式；未發(fā)生漏失時，內(nèi)筒選用整筒時可采用井口投入方式。內(nèi)筒到位后，開泵，泵壓升高1 MPa左右說明內(nèi)筒懸掛座已安全坐封在外筒懸掛套上。

鉆壓選取：若是砂泥巖取心，采用10～20 kN樹心，50～100 kN鉆進(jìn)；若是松散煤巖取心，則采用開泵、開啟轉(zhuǎn)盤后快速加壓至60～80 kN鉆進(jìn)，防止樹心時沖蝕，確保煤巖快速進(jìn)入內(nèi)筒［4］。

排量選?。簩τ谀z結(jié)致密成巖性好的砂泥巖地層，排量選用20～25 L/s，以有效攜巖為主；對于煤層取心，根據(jù)取心煤巖膠結(jié)強(qiáng)度及收獲率，及時調(diào)整排量，宜選用10～15 L/s或更低排量。

取心長度確定：繩索取心一般每筒長1.3～1.5 m，但在煤層頂?shù)装寮懊簩尤⌒臅r宜每筒長0.5～1 m，根據(jù)取心收獲率及巖性變化，及時調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。

2.4 割心

常規(guī)取心作業(yè)割心前需停止鉆進(jìn)恢復(fù)鉆壓，將巖心磨細(xì)，停泵后采用大噸位上提拔斷巖心的方式。與常規(guī)鉆井取心方式相比，繩索上提力小，繩索取心巖心直徑小，采用間斷轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤的割心方式［5］，上提割心一般無明顯懸重變化。

2.5 打撈內(nèi)筒

取心鉆進(jìn)完成后，從鉆具內(nèi)用鋼絲繩下入打撈機(jī)構(gòu)與內(nèi)筒的矛頭對接成功，上提打撈出內(nèi)筒。打撈器在鉆具內(nèi)距井口30 m和距井底30 m時要緩慢下放、上提。

內(nèi)筒遇阻或不到位、遇卡的處理：（1）內(nèi)筒坐到外筒懸掛座后，才能正常取心，因此投放內(nèi)筒后，若泵壓沒有變化，不能確認(rèn)內(nèi)筒是否坐入卡座的，嚴(yán)禁進(jìn)行取心作業(yè)，須起出內(nèi)筒經(jīng)檢查后再重新投放，必要時進(jìn)行起鉆檢查；（2）若內(nèi)筒打撈成功上提遇卡，經(jīng)反復(fù)上提無效后，則從井口投入解卡器，使打撈機(jī)構(gòu)與內(nèi)筒分離后，起出打撈機(jī)構(gòu)。開泵大排量循環(huán)沖洗內(nèi)外筒間雜物，間斷高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動鉆具，使內(nèi)外筒松動后再次進(jìn)行打撈內(nèi)筒作業(yè)。

3 應(yīng)用效果

在DP1井繩索取心共47筒，其中，取心鉆頭和巖心爪改進(jìn)前取心7筒，巖心收獲率31.58%；改進(jìn)后取心40筒，巖心收獲率75.68%，收獲率大幅提高（表1）。引用改進(jìn)后的繩索取心工具，取得了煤層及頂?shù)酌旱耐暾鶢钌皹咏Y(jié)構(gòu)，巖性清晰，頂?shù)装逋暾?，煤心無污染，達(dá)到了地質(zhì)要求。

表1 工具改進(jìn)前后DP1井取心質(zhì)量對比Table 1 Comparison of coring quality before and after the improvement of the tool

4 結(jié)論及建議

（1）改進(jìn)了繩索取心鉆頭結(jié)構(gòu)，對復(fù)合片進(jìn)行設(shè)計，增強(qiáng)了攻擊性，提高取心鉆進(jìn)速度；改進(jìn)了籃爪式巖心爪，保證疏松煤心快速進(jìn)筒并防止掉落，提高了鉆井取心收獲率。

（2）取心前做好取心工具內(nèi)筒與鉆頭間的裝配工作，間隙調(diào)整控制在3～5 mm之間；取心工具第1次鉆進(jìn)進(jìn)尺不宜超過0.5 m，以檢查取心工具的可靠性；取心鉆進(jìn)過程中，及時進(jìn)行巖性變化鉆時分析對比，并調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。