高曉亮,張 朋,龍威成
(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
我國(guó)煤礦瓦斯事故頻發(fā),為改善煤礦開采前瓦斯含量,降低瓦斯事故發(fā)生率,地面和井下煤層氣聯(lián)合抽采是治理煤礦瓦斯的有效途徑。瓦斯抽采前需要對(duì)含瓦斯煤層進(jìn)行大量的煤層氣含量測(cè)試,以指導(dǎo)瓦斯抽采并提高瓦斯抽采率,而地面煤層氣勘探開發(fā)也需要大量的煤層氣含量數(shù)據(jù)以滿足煤層氣資源評(píng)價(jià)及煤層氣勘探需要。另外,瓦斯抽采結(jié)束后仍需要對(duì)煤層進(jìn)行含氣量測(cè)試,以檢測(cè)瓦斯抽采效果是否滿足相關(guān)規(guī)范要求,因此進(jìn)行煤層含氣量準(zhǔn)確測(cè)試具有重要意義[1]。
為改善傳統(tǒng)瓦斯含量測(cè)定方法程序復(fù)雜和測(cè)定結(jié)果誤差大等不足,目前多采用密閉取心的方法進(jìn)行煤層取樣。目前常用的密閉取心取樣器以石油、天然氣領(lǐng)域?yàn)橹?。密閉取心多采用黏液密閉法、冷凍密閉法以及球閥密閉法等進(jìn)行密閉取心,采用不同方式獲取原狀巖心,以期獲得目標(biāo)地層的特性,進(jìn)一步分析儲(chǔ)層含油、含氣情況[2-5]。但是無論何種密閉取心方式均面臨一個(gè)問題,就是如何最大程度避免鉆井液對(duì)巖心的沖蝕、污染。本文針對(duì)中煤科工集團(tuán)西安研究院研制的球閥型煤層密閉取心裝置,通過對(duì)常規(guī)底噴式鉆頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)選、水路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),進(jìn)一步降低鉆井液對(duì)密閉取心原裝煤樣的污染。
煤層密閉取心技術(shù)是利用機(jī)械的方式在煤層中直接鉆進(jìn)取心,取心完成后通過改變水路的方式對(duì)取心裝置進(jìn)行密閉,從而取得煤層原狀式樣的方法,該技術(shù)減少了普通雙管取心過程中由于煤芯暴露時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的斯氣體逸散的問題,大大提高了瓦斯含量測(cè)定的準(zhǔn)確性[4]。
中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的QMB-120-38DM型密閉取心器采用三筒單動(dòng)結(jié)構(gòu),即外筒、內(nèi)筒和液壓傳遞筒,取心鉆進(jìn)過程中,外筒隨鉆桿同步轉(zhuǎn)動(dòng),而內(nèi)筒和液壓筒相對(duì)不動(dòng)。外筒上端與鉆桿相連、下端與取心鉆頭連接,外筒傳遞鉆壓和扭矩。內(nèi)筒是煤心和解吸氣的存儲(chǔ)容器;內(nèi)筒上下端均與球閥相連,對(duì)煤心樣品進(jìn)行密封保壓;取心內(nèi)筒上端球閥外側(cè)安裝一個(gè)解吸閥門,便于煤心提至地面后進(jìn)行解吸氣的測(cè)量,實(shí)現(xiàn)取心與氣含量測(cè)定一體化。液壓推動(dòng)筒傳遞液壓動(dòng)力,推動(dòng)內(nèi)筒上下端球閥關(guān)閉,其上端由銷釘與懸掛總承相連。密閉取心器下部是取心鉆頭,在鉆壓和扭矩作用下鉆頭壁對(duì)煤層進(jìn)行切削,以形成柱狀煤心進(jìn)入到取心內(nèi)筒[6-8]。
取心器取心過程如下:首先鉆進(jìn)至目標(biāo)地層后,下入密閉取心器,取心器依靠鉆具自重壓入煤層,如圖1(a)所示,此時(shí)取心器密閉上下端球閥處于打開狀態(tài);然后鉆具回轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆進(jìn)取心,鉆頭切削地層,煤心進(jìn)入內(nèi)筒,如圖1(b)所示;當(dāng)取心至預(yù)定位置后,投球改變水路方向,高壓鉆井液推動(dòng)液壓筒關(guān)閉上下端球閥,密閉取心器內(nèi)筒,形成密閉空間,如圖1(c)所示;最后提出取樣器,完成密閉取心施工[9]。
圖1 密閉取心原理示意圖
普通取心鉆頭在施工過程中,由于水路通過鉆頭水槽進(jìn)入煤層,沖洗液與巖心直接接觸,對(duì)采取的煤心進(jìn)行了污染,破壞了煤樣的原狀性。甚至在松軟煤層鉆進(jìn)過程中由于過大水壓對(duì)煤層進(jìn)行了破碎,嚴(yán)重降低了取心率。因此為提高巖心采取率,提高煤層原狀性,對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。
常規(guī)雙管取心用鉆頭多采用底噴式結(jié)構(gòu),底噴式鉆頭與普通取心鉆頭的區(qū)別在于鉆頭水路在鉆頭內(nèi)部進(jìn)行了分流。普通取心鉆頭沖洗液通過內(nèi)外管的間隙及鉆頭水槽進(jìn)入鉆頭底唇面進(jìn)行冷卻鉆頭、攜帶巖粉,而底噴式取心鉆頭沖洗液通過內(nèi)外管間隙直接進(jìn)入鉆頭外側(cè),進(jìn)而冷卻鉆頭唇面,起到保護(hù)巖心的作用,從而提高巖心采取率,并減少鉆井液對(duì)巖心的污染。為此,密閉取心用鉆頭采用了底噴式水眼結(jié)構(gòu)。
2.1.1 底噴式鉆頭
針對(duì)密閉取心裝置要求煤芯采取率高,且要求原狀煤樣的特點(diǎn),首次鉆頭設(shè)計(jì)采用了底噴式水眼,并在取心鉆具內(nèi)外管間隙添加密封結(jié)構(gòu),防止鉆頭通過內(nèi)外管間隙進(jìn)入巖心,從而污染巖心。
鉆頭結(jié)構(gòu)如圖2所示,密閉取心鉆頭包括鉆頭體、PDC切削齒,以及刀翼、水眼、流道組成,鉆頭流道設(shè)計(jì)為向孔壁傾斜的錐面,將水眼噴射出的水流向環(huán)空導(dǎo)向,另外鉆頭不設(shè)置內(nèi)水槽,進(jìn)一步防止水流進(jìn)入巖心。
圖2 密閉取心用底噴式鉆頭
采用設(shè)計(jì)的鉆頭配合密閉取心裝置進(jìn)行取煤試驗(yàn),底噴式鉆頭雖然從一定程度上隔斷了水與煤芯的接觸,但是在鉆進(jìn)底唇面上,水與煤層必然接觸,仍然對(duì)煤層有一定的沖刷,因此,煤芯采取率相對(duì)較低,且受到到了一定程度的擾動(dòng),為改善這一問題,對(duì)鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
2.1.2 錐面煤芯導(dǎo)進(jìn)式鉆頭
為改善普通底噴式鉆頭采取率低,且對(duì)煤芯有擾動(dòng)的問題,對(duì)鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),在鉆頭前端增加錐形導(dǎo)進(jìn)面,錐面的存在一方面增加了進(jìn)煤量,保證了取心率。另一方面超前的錐面阻斷了水,提前進(jìn)入煤層,保證了中心部位煤樣的質(zhì)量,從而解決了水對(duì)煤層沖刷的問題,錐面煤芯導(dǎo)進(jìn)式鉆頭如圖3所示。
圖3 煤芯導(dǎo)進(jìn)式鉆頭
采用煤芯導(dǎo)進(jìn)式鉆頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),試驗(yàn)證明,煤芯采取率大幅度提高,且煤芯取樣幾乎不受擾動(dòng),滿足了密閉取心的要求,但是在鉆進(jìn)過程中由于斜面位置沒有切削齒的存在,難以破碎煤層,導(dǎo)致鉆進(jìn)過緩慢,鉆進(jìn)效率過低,因此,再一次對(duì)鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
2.1.3 超前隔水式鉆頭
新改進(jìn)的鉆頭采用了小鉆頭超前設(shè)計(jì),即采用一只小鉆頭超前于大鉆頭及鉆頭水眼進(jìn)行鉆進(jìn)取心,防止沖洗液進(jìn)入煤層[10],并且可以根據(jù)煤層滲透系數(shù)選用不同長(zhǎng)度的小鉆頭,即在水容易滲透的煤層采用較長(zhǎng)小鉆頭,增加超前量防止水進(jìn)入,而在水不容易滲透的煤層采用較短超前量。小鉆頭與大鉆頭之間采用螺紋連接,便于更換。小超前隔水式鉆頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 超前隔水式鉆頭
鉆頭水路設(shè)計(jì)對(duì)密封取心式鉆頭設(shè)計(jì)至關(guān)重要,為防止沖洗液過早進(jìn)入煤層,需要對(duì)鉆頭水眼角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),另外為防止沖洗液從鉆頭內(nèi)部進(jìn)入巖心,需要對(duì)鉆頭內(nèi)外管之間進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。
1)水眼大小計(jì)算。根據(jù)流體力學(xué)連續(xù)性方程,見式(1)。
Q=v1A1=v2A2
(1)
式中,Q為流量;v1為環(huán)空流速;A1為環(huán)空過流面積;v2為水眼內(nèi)流速;A2為水眼過流面積。
流量一定情況下,水流速度與過流面積呈反比,為防止水眼過小導(dǎo)致流速過大沖刷巖石,進(jìn)而侵入巖心,要求總水眼過流面積大于等于鉆頭外壁與取心筒環(huán)狀間隙,即:
式中,N為水眼數(shù)量;D為水眼直徑;D1為環(huán)空大徑;D2為環(huán)空小徑。
根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算出最小水眼直徑與數(shù)量為?10mm水眼8個(gè)。
2)水眼噴射角度。普通底噴水眼由于鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),多為直水眼,水路直接沖入煤層,容易沖刷煤層,為防止沖洗液對(duì)煤層的污染,本次鉆頭水眼設(shè)計(jì)為斜水眼,斜水眼一方面對(duì)鉆頭具有冷卻效果,能夠更好的沖刷切削齒與地層的接觸面,冷卻鉆頭,攜帶巖粉,另外斜水眼沖刷面距離巖心相對(duì)較遠(yuǎn),防止了沖洗液對(duì)煤芯段的污染。
3)鉆頭流道。為防止沖洗液從鉆頭水眼流出后沖刷前端巖層,鉆頭流道設(shè)計(jì)為向后傾斜的斜面,對(duì)沖洗液進(jìn)行導(dǎo)流,使沖洗液冷卻大鉆頭切削齒后攜帶巖粉進(jìn)行上返,進(jìn)一步降低沖刷巖心的可能性。
切削齒排布是確定切削齒在鉆頭剖面上的位置,主要是切削齒的中心距,由于鉆頭內(nèi)外徑確定,鉆頭中心齒及保徑齒位置可以確定,應(yīng)該按照切削齒能完全覆蓋井底的原則進(jìn)行排布。
切削齒安裝于PDC鉆頭體上,應(yīng)當(dāng)選擇合適的切削角。在鉆進(jìn)參數(shù)一定時(shí),鉆頭的切入能力隨著切削角的增大而減小,但是過小的切削角容易導(dǎo)致切削齒過早損壞,因此應(yīng)根據(jù)地層情況優(yōu)選切削角度[11-15]。由于該取心鉆頭主要應(yīng)用于煤層鉆進(jìn),偶見夾矸,因此采用最優(yōu)切削角度為15°。合理的側(cè)轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)可以使破碎的巖石快速排出井底,防止重復(fù)破碎,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇該地層PDC鉆頭切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角應(yīng)控制在5°~8°。
超前小鉆頭切削齒由于取樣過程中處于干鉆狀態(tài),為防止PDC切削齒高溫破壞,此次小鉆頭切削齒采用硬質(zhì)合金,合金刃角選用25°,正斜鑲,可以在煤層鉆進(jìn)中取得較高的鉆進(jìn)效率,同時(shí)為防止沖洗液沿小鉆頭外壁進(jìn)入巖心,小鉆頭采用無外出刃設(shè)計(jì)。
按照鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)行鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),得到鉆頭模具三維模型,如圖5所示。根據(jù)模型采用數(shù)控編程方法加工鉆頭體,最后通過火焰釬焊的形式將PDC切削齒及保徑合金鑲焊于鉆頭體上。
圖5 鉆頭成品圖
密閉取心鉆進(jìn)試驗(yàn)是在淮北蘆嶺煤礦地面采動(dòng)卸壓瓦斯抽采井中,鉆孔編號(hào)為Ⅲ13-6。鉆孔一開為?445mm,下入?377mm×12mm套管;鉆孔二開為?311mm,鉆孔鉆進(jìn)至 8 煤頂板5m后,下入?244.5mm×11.05mm套管;三開為距離8煤頂板5m至Ⅲ13巖石工作面頂板15m段,鉆孔孔徑為?216mm,下入?177.8mm花管,進(jìn)行8煤層采動(dòng)卸壓瓦斯抽采。根據(jù)礦井8煤地質(zhì)剖面變化情況,并結(jié)合試驗(yàn)孔鄰近采動(dòng)卸壓抽采鉆井見煤點(diǎn)設(shè)置,進(jìn)行密閉取心試驗(yàn)。
鉆進(jìn)設(shè)備采用TSJ-2000型號(hào)轉(zhuǎn)盤鉆機(jī),配套BW-250型號(hào)泥漿泵,密閉取心鉆具組合為?89mm鉆桿+QMB-120-38DM型密閉取心器+?152/38mm超前隔水式取心鉆頭。
采用密閉取心鉆頭在Ⅲ13-6鉆孔進(jìn)行取樣,取樣深度及巖心采取率見表1,此次共采用密閉取心器取樣4次,其中第一次因泥漿流量嚴(yán)重超過了設(shè)計(jì)值達(dá)到100L/min,導(dǎo)致本回次未采取到煤心,后對(duì)泥漿泵進(jìn)行調(diào)整,其余3次均完成了密閉取心。
表1 密閉取心試驗(yàn)數(shù)據(jù)
從表1可以看出,調(diào)整泥漿泵量后3次密閉取心均能采集到煤樣,煤心采取率為 62.73%~74.17%,均值 68.17%,滿足了密閉取心施工方法要求。
1)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)選,對(duì)常規(guī)底噴式鉆頭、錐面煤心導(dǎo)進(jìn)式鉆頭及超前隔水式鉆頭等優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn),采用超前隔水式鉆頭進(jìn)行密閉取心,并對(duì)超前小鉆頭長(zhǎng)度進(jìn)行定制以適應(yīng)不同煤層,解決了常規(guī)鉆頭容易沖刷巖心導(dǎo)致巖心采取率低下,煤心容易污染的問題;
2)通過鉆頭水眼大小計(jì)算、鉆頭水道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆頭合理切削齒優(yōu)選與排布,有效降低了沖洗液進(jìn)入煤心的可能性,進(jìn)一步防止煤心被沖洗液污染?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的密閉取心鉆頭巖心采取率滿足密閉取心施工要求,可靠性高,能夠配套密閉取心鉆具進(jìn)行密閉取心進(jìn)而提高瓦斯檢測(cè)精度。