鉆孔瓦斯密閉保壓取心器研制及應(yīng)用

俱養(yǎng)社， 馬峰良， 華 立

(陜西省一三一煤田地質(zhì)有限公司，陜西韓城 715400)

0 引言

近年，我國煤礦井下瓦斯事故多發(fā)，在對煤礦瓦斯治理的過程中，地面鉆孔煤層瓦斯含量測定數(shù)據(jù)與煤礦井下監(jiān)測數(shù)據(jù)存在較大偏差引起諸多專家關(guān)注與思考。煤礦地質(zhì)技術(shù)人員將兩者對比顯示，其誤差高達(dá)20%～50%[1-2]。另外，隨著國家對煤礦瓦斯災(zāi)害治理，煤層氣資源開發(fā)力度的加大，通過地面鉆孔獲取目的煤層瓦斯準(zhǔn)確含量及成分，為后續(xù)煤礦開采瓦斯防治、煤層氣資源評價(jià)工作提供準(zhǔn)確依據(jù)的重要性進(jìn)一步凸顯[3-6]。因此，研究通過地面鉆孔獲取孔底地質(zhì)條件下目的煤層原始狀態(tài)的取心技術(shù)是當(dāng)前急需解決的一項(xiàng)重要課題。

目前，保壓密閉取心技術(shù)是石油勘探開發(fā)中取得保持儲層流體完整巖心的一種有效方法[7]。應(yīng)用該技術(shù)所取巖心不受鉆井液污染，且能保持地層原始壓力，對于正確認(rèn)識井底條件下的原始地質(zhì)情況有著十分重要的意義。該技術(shù)所具有的技術(shù)性能特點(diǎn)，為解決地面鉆孔煤層瓦斯測定數(shù)據(jù)較大偏差問題提供了研究思路和方向[8-9]。為此，借鑒石油勘探保壓密閉取心技術(shù)思路，研制出了在孔底實(shí)現(xiàn)密封儲心內(nèi)筒的雙管單動(dòng)式取心器，以解決常規(guī)雙管單動(dòng)取心和繩索取心過程中煤心瓦斯氣體逸散損失的問題，使取得的煤心樣品，能精確分析煤層瓦斯含量和成分，進(jìn)而形成科學(xué)準(zhǔn)確測定煤層瓦斯含量的方法和手段，對地面鉆孔精準(zhǔn)測定煤層瓦斯含量，提高煤層氣資源勘探開發(fā)和煤礦瓦斯災(zāi)害治理水平具有重要意義。

1 取心器研制

1.1 設(shè)計(jì)原則

取心器的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循先進(jìn)、可靠、方便基本原則，整體技術(shù)體性能應(yīng)滿足密閉取心技術(shù)規(guī)范要求[10-11]。

1)適用于塊狀煤層和粉末狀煤層取心，一個(gè)鉆進(jìn)回次內(nèi)完成煤層取心，并在孔底對取心內(nèi)筒進(jìn)行封閉。

2)不額外增加施工現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施配套，滿足立軸式液壓或機(jī)械巖心鉆機(jī)配套Φ50mm或Φ60mm地質(zhì)鉆桿的要求。

3)取心器基本參數(shù)符合Φ133mm孔徑，滿足一個(gè)鉆進(jìn)回次取心長度要求。技術(shù)性能滿足煤心采取率95%以上，取心直徑不小于Φ55mm，煤層埋深1 000m以淺鉆孔要求。

4)為保證取心器使用的穩(wěn)定性、可靠性，最大限度的優(yōu)化取心器結(jié)構(gòu)，使用成熟技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)通用零部件，大部分構(gòu)件要使用35#CrMo(合金鋼)。

5)采用模塊化設(shè)計(jì)，滿足組裝、拆卸易于操作的要求。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

取心器總長5.2m，總質(zhì)量750kg，鉆頭外徑Φ133mm,內(nèi)徑Φ57mm，取心器外筒直徑Φ127mm，外筒長4.24m，內(nèi)筒長4m，可取心長度3.5m，取心直徑Φ57mm(圖1)。

1—大接頭；2—六方桿；3—六方套；4—鋼珠；5—差動(dòng)滑套；6—剪銷；7—鎖卡鋼珠圖 1 取心器示意Figure 1 Schematic diagram of corer

1.3 工作原理

正常鉆進(jìn)時(shí)，回轉(zhuǎn)扭矩經(jīng)大接頭(1)、六方桿(2)、六方套(3)傳遞到取心器外筒，帶動(dòng)鉆頭實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)。采煤回次結(jié)束后，上提鉆具割斷巖心，投入鋼珠(4)后啟動(dòng)泥漿泵，鋼珠落入差動(dòng)滑套(5)頂端球座后，泵壓急劇升高，推動(dòng)差動(dòng)滑套下行剪斷剪銷(6)，釋放鎖閉鋼珠(7)，使外筒下落在球閥半滑環(huán)上，在其重力作用下推動(dòng)球體旋轉(zhuǎn)90°而關(guān)閉球閥，將煤心密閉于內(nèi)筒之中。

1.4 結(jié)構(gòu)組成與技術(shù)要點(diǎn)

地面鉆孔煤層瓦斯密閉保壓取心器采用雙管單動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可有效避免取心鉆進(jìn)過程中對煤層的擾動(dòng)及鉆井液對煤層的沖刷破壞，利于獲得較高采取率[12-13]。

1.4.1 差動(dòng)機(jī)構(gòu)

由大接頭、六方桿、六方套、鎖閉鋼珠、密封圈、差動(dòng)滑套、剪切環(huán)、剪銷等組成。其作用是傳遞扭矩，經(jīng)由大接頭、六方桿、六方套至外管帶動(dòng)鉆頭取心鉆進(jìn)，回次結(jié)束后，投球憋壓，差動(dòng)滑套下行剪斷剪銷，使六方桿與六方套脫卡，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外管差動(dòng)關(guān)閉球閥(圖2)。

圖2 差動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意Figure 2 Schematic diagram of differential mechanism

1.4.2 懸掛總成

由懸掛軸承、軸承托、軸承套軸承組成。內(nèi)筒通過懸掛總成與外筒組成一體，在懸掛軸承的作用下，外筒回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取心時(shí)內(nèi)筒不回轉(zhuǎn)，可避免鉆進(jìn)時(shí)對煤層的擾動(dòng)，不破壞煤層結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖3 懸掛總成結(jié)構(gòu)示意Figure 3 Schematic diagram of suspension assembly mechanism

1.4.3 測壓部分

由測壓接頭、錐形閥、彈簧、密封圈、堵頭等組成，用以平衡內(nèi)筒壓力，測試內(nèi)筒保存的壓力值，或放空內(nèi)筒壓力，并作為內(nèi)筒到達(dá)地面后進(jìn)行瓦斯含量測定的端口。

1.4.4 球閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)

由球體、上下閥座、預(yù)緊彈簧、球閥外殼、半滑環(huán)、密封圈、軸銷等件組成，用于封閉內(nèi)筒。在一個(gè)鉆進(jìn)回次結(jié)束后，利用差動(dòng)機(jī)構(gòu)脫卡實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)分離，外筒相對位移下落于球閥半滑環(huán)上，靠外筒重力迫使半滑環(huán)推動(dòng)球閥球體旋轉(zhuǎn)90°而關(guān)閉，使巖心密閉于內(nèi)筒中，以保持巖心所在地層壓力(圖4)。

圖4 球閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意Figure 4 Schematic diagram of ball valve airtight mechanism

1.4.5 內(nèi)外巖心筒部分

外筒采用Φ127mm石油鉆桿(壁厚10.5mm)，為鉆頭傳遞扭矩；內(nèi)筒采用Φ73mm油管(壁厚5.5mm)，內(nèi)筒既是儲存煤心的容器和密閉殼體，也是到達(dá)地面后瓦斯罐的替代容器。內(nèi)外筒間隙為16.5mm，為設(shè)置球閥關(guān)閉系統(tǒng)和通過鉆井液提供空間。

1.4.6 鉆頭

取心鉆頭采用六翼三階梯式結(jié)構(gòu)，其切削面為錐形，水眼的方向朝向孔壁一側(cè)，避免鉆井液直接沖刷煤層。切削刃采用PDC材質(zhì)。塊狀煤層卡心采用卡簧卡座組合方式，粉末狀煤層采用防脫爪簧卡座組合方式。鉆頭外徑Φ133mm，內(nèi)徑Φ57mm，取心直徑不小于Φ55mm，可滿足地質(zhì)采樣、測試化驗(yàn)要求。

2 取心器現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 土層取心可靠性試驗(yàn)

2019年4月,在韓城市板橋鎮(zhèn)柏林村黏土層中進(jìn)行鉆具試驗(yàn)。該區(qū)地層主要以第四系黏土、亞黏土為主，試驗(yàn)的目的主要是驗(yàn)證鉆具剪銷、差動(dòng)、球閥關(guān)閉三個(gè)動(dòng)作的連續(xù)性及匹配情況；剪切剪銷所需泵壓；鉆具在不同介質(zhì)中差動(dòng)和球閥的動(dòng)作是否均順暢、到位；卡心、取心情況；取心器密閉情況。

試驗(yàn)設(shè)備使用DPP100-4型汽車鉆、BW4500型泥漿泵(最大排量450L/min、泵壓8MPa)、Φ50mm鉆桿，循環(huán)介質(zhì)分別采用普通膨潤土鉆井液和低固相鉆井液。

經(jīng)過多次反復(fù)取心試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，投球、憋壓及剪切剪銷順利但差動(dòng)多次不能到位，分析原因?yàn)榍蜷y懸掛位置不合理，差動(dòng)系統(tǒng)脫扣后卡簧座卡于球體孔口。在對取心器懸掛位置改進(jìn)后，差動(dòng)機(jī)構(gòu)、球閥系統(tǒng)關(guān)閉動(dòng)作達(dá)到正常，球閥關(guān)閉動(dòng)作的穩(wěn)定性和可靠性達(dá)到90%以上，土層采取率達(dá)到100%。

2.2 煤層取心可靠性試驗(yàn)

2019年5月，在距離韓城市約5km的板橋鄉(xiāng)進(jìn)行鉆具試驗(yàn)。該區(qū)屬渭北煤田東部邊緣， 可采煤層主要位于下二疊統(tǒng)山西組—上石炭統(tǒng)太原組。其中山西組巖性為由粗至細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤組成清晰的沉積旋迥結(jié)構(gòu)，砂巖中含大量的白云母片，在粉砂巖、砂質(zhì)泥巖中含豐富的植物化石，底部為河床相中粒砂巖，含3號可采煤層。太原組以黏土巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，頂部含煤；中部以海相石灰?guī)r及鈣質(zhì)頁巖為主，間夾少量泥巖、粉砂巖及薄煤層，其中石灰?guī)r1～3層；上部以灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、黏土巖為主，夾薄層或透鏡狀菱鐵礦、鐵質(zhì)砂巖或石英砂巖，含豐富的動(dòng)植物化石，含5-1、11號可采煤層。

設(shè)備使用TXJ1600型機(jī)械巖心鉆機(jī)、NBB260/7泥漿泵(最大排量260L/min、泵壓7MPa)、Φ50mm鉆桿，循環(huán)介質(zhì)采用以鈉基土粉、純堿、高黏纖維素和腐殖酸鉀配置的低固相鉆井液。主要用來檢查煤層密閉取心的可靠性，獲取鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)、鉆井液主要性能參數(shù)和煤心采取率，與常規(guī)取心器進(jìn)行煤層瓦斯含量測試數(shù)據(jù)的對比。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在煤層取心一個(gè)鉆進(jìn)回次結(jié)束后上提鉆具割心，從鉆具中投球啟動(dòng)泥漿泵憋壓達(dá)到2MPa即剪斷剪銷，且差動(dòng)系統(tǒng)、球閥關(guān)閉系統(tǒng)同步準(zhǔn)確到位次數(shù)達(dá)到90%，煤層采取率達(dá)到了95%以上。

2.3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)及鉆井液主要性能試驗(yàn)研究

由于煤層在取心鉆進(jìn)過程中易磨損缺失，尤其粉末狀煤層易受鉆井液沖刷導(dǎo)致取心率低而無法滿足地質(zhì)要求，除對取心器結(jié)構(gòu)、鉆頭結(jié)構(gòu)與水眼形式、卡心方式、內(nèi)外鉆頭過水間隙等有特殊要求之外，還對煤層鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)和鉆井液主要性能指標(biāo)有特殊的技術(shù)要求。因此需對煤層密閉取心技術(shù)工藝進(jìn)行進(jìn)一步研究以提高煤心采取率。基于以往對煤層取心工藝技術(shù)特殊要求的認(rèn)識，結(jié)合以往雙管單動(dòng)取心和繩索取心的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)范圍，進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，以取心結(jié)果驗(yàn)證并獲取煤層密閉取心最佳工藝技術(shù)參數(shù)[14-17]。

2.3.1 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)研究

就企業(yè)所得稅而言，我們要充分發(fā)揮其“自動(dòng)穩(wěn)定器”的功效，實(shí)現(xiàn)“有所得征稅，無所得不征收；所得多的多征，所得少的少征”，充分體現(xiàn)“量能課征”的原則。因此，我國制造業(yè)企業(yè)減稅應(yīng)通過調(diào)整所得稅的稅制結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)降低個(gè)別稅種的稅率或取消個(gè)別稅種來加以實(shí)現(xiàn)。從社會(huì)保障費(fèi)來看，要適當(dāng)降低企業(yè)社會(huì)保險(xiǎn)的繳費(fèi)比例，這將助力于切實(shí)減輕制造業(yè)企業(yè)的稅費(fèi)負(fù)擔(dān)。同時(shí)，還需斟酌借鑒國際經(jīng)驗(yàn)開征新稅種(如社會(huì)保障稅)，降低消費(fèi)稅稅率，適當(dāng)提高個(gè)人所得稅在直接稅中的比重，切實(shí)做到結(jié)構(gòu)性減稅。唯其如此，調(diào)整個(gè)人所得稅、企業(yè)所得稅、社會(huì)保障費(fèi)的比重關(guān)系才能夠在降低制造業(yè)企業(yè)的稅收負(fù)擔(dān)方面發(fā)揮積極作用。

2.3.1.1 鉆壓

韓城礦區(qū)石炭-二疊系煤層為中硬煤層(3.0>f>1.5)，可鉆性級別≤Ⅳ級，屬軟—較軟巖層，易于鉆進(jìn)。綜合以往常規(guī)雙管單動(dòng)取心器和繩索取心鉆進(jìn)煤層時(shí)采用的鉆壓，本研究選擇煤層密閉取心的鉆壓為10～30kN，在試驗(yàn)中進(jìn)一步優(yōu)化。通過對3、5、11號煤層進(jìn)行逐回次取心試驗(yàn)，對于塊狀煤層取心鉆壓為20～28kN、粉末狀煤層取心鉆壓為13～18kN時(shí)，可穩(wěn)定快速地完成煤層取心鉆進(jìn)，未出現(xiàn)煤心脫落或堵心現(xiàn)象。選用3號煤層鉆進(jìn)進(jìn)尺與取心長度對比，采取率達(dá)到95%以上。

2.3.1.2 轉(zhuǎn)速

在巖心鉆探中，較高轉(zhuǎn)速有利于提高機(jī)械鉆速，但在煤層取心鉆進(jìn)時(shí)采取較高轉(zhuǎn)速會(huì)對煤層造成擾動(dòng)而影響采取率，因此煤層取心鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)降低轉(zhuǎn)速。本研究通過試驗(yàn)，認(rèn)為對于塊狀煤層鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速為60～100r/min，粉末狀煤層鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速為40～70r/min時(shí)，配合試驗(yàn)鉆壓參數(shù)穩(wěn)定進(jìn)尺，有利于保護(hù)煤心形成，提高煤心采取率。

2.3.1.3 排量

泥漿泵排量是影響煤層采取率的一項(xiàng)重要因素，在煤層取心鉆進(jìn)過程中，尤其對于結(jié)構(gòu)松散的粉末狀煤層，易受鉆井液沖刷而影響采取率。通過對3、5、11號煤層多回次取心試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對于塊狀煤層取心排量為100～150L/min、粉末狀煤層取心排量為50～80L/min時(shí)，采取率達(dá)到95%以上。

由于密閉取心器鉆頭直徑為Φ133mm，取心外筒直徑為Φ127mm，取心外筒與鉆孔環(huán)空間隙僅有3mm，要求鉆井液具有良好的護(hù)壁和潤滑性能，保證取心過程中全孔段孔壁穩(wěn)定，同時(shí)要降低外筒下移時(shí)與孔壁的摩擦阻力。試驗(yàn)過程中采用鈉基土粉、純堿、高黏纖維素和腐殖酸鉀配置的低固相鉆井液作為鉆孔沖洗液，根據(jù)以往在渭北石炭二疊系煤層取心經(jīng)驗(yàn)設(shè)置性能指標(biāo)，通過對煤層取心鉆進(jìn)進(jìn)行取心效果驗(yàn)證。對于塊狀煤層鉆進(jìn)鉆井液密度為1.03～1.08g/cm3、黏度為18～24s，粉末狀煤層鉆進(jìn)鉆井液密度為1.03～1.05g/cm3，黏度為22～28s。

在對煤層取心鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)及鉆井液主要性能指標(biāo)的試驗(yàn)中，使用低固相鉆井液作為鉆孔循環(huán)介質(zhì)，按照試驗(yàn)取得的鉆進(jìn)參數(shù)范圍，做好各參數(shù)的控制和配合，取心器提至地面顯示，煤層各鉆進(jìn)回次均取得了95%以上的采取率，且球閥關(guān)閉狀態(tài)穩(wěn)定，密閉取心技術(shù)性能可靠。

2.4 瓦斯含量測試對比

通過上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用常規(guī)雙管單動(dòng)取心器對渭北石炭-二疊系5、11號煤層取心，并與密閉取心器進(jìn)行煤層瓦斯含量測試對比，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 密閉取心與常規(guī)取心瓦斯含量測試對比

對比表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：密閉取心是常規(guī)取心方法獲得瓦斯含量的4～5倍，效果十分明顯。

3 結(jié)語

1)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，研制的地面鉆孔煤層瓦斯密閉取心器符合密閉取心技術(shù)規(guī)范和要求，密閉可靠性達(dá)到95%以上。

2)通過在于渭北石炭-二疊系塊狀煤層和粉末狀煤層的試驗(yàn)，取得煤層密閉取心鉆進(jìn)最優(yōu)的工藝技術(shù)參數(shù)，對該區(qū)域3、5、11號煤層的采取率均達(dá)到95%～100%。

3)設(shè)計(jì)的孔底關(guān)閉儲心內(nèi)筒，可代替瓦斯罐直接用于瓦斯解吸，使煤層瓦斯含量測定方法更為科學(xué)。

4)該取心器自孔底割心后及至地面進(jìn)行瓦斯解析的整個(gè)過程，煤心始終被密閉于取心內(nèi)筒，可有效解決以往常規(guī)取心或繩索取心發(fā)生瓦斯氣體逸散的缺陷，為科學(xué)、準(zhǔn)確測定煤層瓦斯氣體含量提供了技術(shù)支撐。