繩索取芯技術(shù)在低煤階煤層氣井鉆井施工中的應(yīng)用

趙慶彬 耿鐵鑫 秦偉 李任翔

(大慶油田井下作業(yè)公司，黑龍江 163453)

繩索取芯技術(shù)在低煤階煤層氣井鉆井施工中的應(yīng)用

趙慶彬 耿鐵鑫 秦偉 李任翔

(大慶油田井下作業(yè)公司，黑龍江 163453)

海拉爾盆地呼和湖凹陷煤層薄，煤階低，以褐煤為主，給取芯工作帶來很大難度，常規(guī)繩索取芯技術(shù)已不符合該地區(qū)煤層氣參數(shù)井鉆進(jìn)要求，因此根據(jù)呼和湖凹陷地質(zhì)特征，優(yōu)選適宜的繩索取芯鉆具結(jié)構(gòu)及技術(shù)措施。

低煤階 褐煤 繩索取芯

Abstract:Coal in Huhe lake depression of Hailaer Basin is mainly low rank lignite occurred in thin coal seams，which brings about great difficulties in coring．The conventional wire－line technique can not meet the requirements for drilling CBM parameter well within this region．Therefore，the structure of wire－line coring tool and the adequate technical measures have been selected in accordance with the geological characteristics of Huhe lake depression．

Keywords:Low rank coal;lignite;wire-line coring

海拉爾盆地呼和湖凹陷煤層氣勘探尚屬首次，為了準(zhǔn)確獲取煤層的埋深、厚度、煤階、煤巖及煤質(zhì)特性、割理及裂隙發(fā)育程度等參數(shù)，縮短煤芯裝罐時間，精確測算煤層含氣量、含氣飽和度、等溫吸附曲線、滲透率、儲層壓力、地應(yīng)力、煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)等數(shù)據(jù)，并據(jù)此計算區(qū)域內(nèi)煤層氣儲量，預(yù)測產(chǎn)氣量，為今后井網(wǎng)部署、鉆井工藝優(yōu)化、壓裂改造、排采措施等提供重要理論依據(jù)。

1 呼和湖凹陷地層條件

海拉爾盆地呼和湖凹陷儲層類型主要包括基巖風(fēng)化殼、砂巖、凝灰質(zhì)砂巖和礫巖。伊一段、大二段、南二段是煤層富集的主要層位。伊二+三段的煤層，其頂?shù)装逡话憔鶠樘假|(zhì)泥巖，偶見砂礫巖;伊一段的煤層，其頂板多為碳質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板多為泥巖、碳質(zhì)泥巖和粉砂巖;大二段煤層頂板多為泥巖、碳質(zhì)泥巖等，底板有碳質(zhì)泥巖、泥巖和細(xì)砂巖等。從實際取芯結(jié)果來看，煤層中夾矸多為碳質(zhì)泥巖;煤層以半暗煤為主，煤體結(jié)構(gòu)破碎，以塊狀為主，割理不發(fā)育，煤階為褐煤。

2 繩索取芯工具優(yōu)選

常規(guī)繩索取芯采用大口徑繩索取芯鉆具，鉆頭采用硬質(zhì)合金鉆頭、煤層頂?shù)装迨褂肞DC鉆頭或三角聚晶鉆頭、階梯超前式切削型取芯鉆頭，鉆具外徑為215.9mm，內(nèi)徑62mm，巖心直徑為60mm(圖1)，卡芯機構(gòu)(圖2)采用標(biāo)準(zhǔn)卡箍巖心爪和彈簧片巖心爪，取巖心時內(nèi)管采用整管，取煤芯時采用半合管，外管上部通過接頭直接與φ127mm鉆桿連接，必要時在φ127mm鉆桿上連接2～3個扶正器。

圖1 取芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 卡芯機構(gòu)

通過對呼和湖凹陷地質(zhì)研究，優(yōu)選出適合該區(qū)域煤層的繩索取芯工具。呼和湖凹陷內(nèi)煤層煤階低，煤質(zhì)疏松、抗水力沖蝕能力低，難以形成煤芯柱，因此采用階梯超前式切削型取芯鉆頭;巖心爪采用彈簧片巖心爪，能有效的防止煤芯脫落;煤芯進(jìn)入內(nèi)筒后會產(chǎn)生膨脹，內(nèi)筒如若采用半合管，易發(fā)生煤芯脹裂半合管，導(dǎo)致煤芯掉落，因此取芯時采用整管內(nèi)筒。

鉆具組合優(yōu)選:φ215.9mm階梯超前式切削型取芯鉆頭+φ178mm繩索式取芯器+φ127mm鉆桿+133.3mm方鉆桿，彈簧片巖心爪，整管內(nèi)筒直徑為60mm。鉆桿接頭水眼不小于82mm，鉆桿本體和接頭間不能有臺階，鉆桿彎曲度不能超過1mm/m。

3 繩索取芯工藝優(yōu)化

3.1 取芯前準(zhǔn)備工作

安裝滑輪組，保證在提升筒時能夠活動鉆具;選用鋼絲繩直徑8～9mm，有效長度2000mm，通過卡繩器將打撈機構(gòu)與鋼絲繩連接，保證旋轉(zhuǎn)接頭在懸垂?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)動靈活;組裝好內(nèi)筒，調(diào)內(nèi)筒與外筒間隙，仔細(xì)檢查各部分連接，保證工作安全。

3.2 循環(huán)鉆井液

鉆具下至距井底3～5m處開始循環(huán)鉆井液，緩慢下放鉆具至井底，至少一周，將井底沉砂充分循環(huán)干凈，清洗井眼，保證井眼暢通，清洗掉鉆具內(nèi)壁的干泥餅，防止投入內(nèi)筒時遇卡。振動篩選用120目振動篩布，使用離心泵和除砂器。

3.3 取芯鉆進(jìn)

從井口向鉆柱內(nèi)送入內(nèi)筒，開泵。當(dāng)泵壓升高時說明內(nèi)筒懸掛座已安全座封在外筒懸掛套上;安全起見，一般使用打撈機構(gòu)將內(nèi)筒直接送至懸掛機構(gòu)，然后使用釋放套將打撈機構(gòu)與矛頭脫開。內(nèi)筒到位后差動機構(gòu)處伸狀態(tài)。

下放鉆具，施加5～10KN鉆壓，差動機構(gòu)收縮，內(nèi)筒與鉆頭產(chǎn)生相對位移，此時鉆頭內(nèi)的巖心導(dǎo)向套插入到內(nèi)筒下端，彈簧片巖心爪撐開，這時可以啟動轉(zhuǎn)盤進(jìn)行取芯鉆進(jìn)。在懸掛機構(gòu)作用下內(nèi)筒不隨外筒旋轉(zhuǎn)，經(jīng)鉆頭切削成柱的巖心在巖心導(dǎo)向套的引導(dǎo)下直接進(jìn)入內(nèi)筒中。

由于煤層疏松，成柱性差，取芯鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)以“四低”為宜:低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、低排量和低泵壓。

取芯鉆井過程應(yīng)根據(jù)地質(zhì)特征，調(diào)整相關(guān)取芯工程參數(shù)，以和煤1井為例(表1)，750m前按原工程參數(shù)進(jìn)行取芯鉆進(jìn)，單筒收獲率明顯偏低，甚至有空筒情況出現(xiàn)。通過現(xiàn)場總結(jié)經(jīng)驗得出，在排量較大的情況下，煤芯在樹芯過程中容易被鉆井液沖散，造成煤芯無法進(jìn)入內(nèi)筒，導(dǎo)致收獲率低下。750m后重新調(diào)整取芯參數(shù)，采取控制減小排量，同時增大鉆壓和轉(zhuǎn)速，確保在樹芯過程中煤芯不被沖散，順利進(jìn)入到內(nèi)筒，保證了取芯收獲率(圖3)。

表1 和煤1井取芯工程參數(shù)調(diào)整前后對比

圖3 和煤1井單筒取芯收獲率

借鑒和煤1井取芯經(jīng)驗，和煤2井調(diào)整取芯工程參數(shù)，增大鉆壓和排量，控制轉(zhuǎn)速，減小了樹芯過程中鉆頭對煤芯的磨損(表2)。和煤2井在優(yōu)化工程參數(shù)后，相比和煤1井，取芯收獲率與單筒合格率明顯增加(圖4－6)。

表2 和煤2井優(yōu)化后取芯工程參數(shù)

圖4 和煤2井單筒取芯收獲率

圖5 和煤1井單筒取芯合格率

圖6 和煤2井單筒取芯合格率

3.4 割芯

鉆完進(jìn)尺后，上提鉆具割芯。割芯時不需磨芯，割芯要一次完成，減少煤芯受擠壓縮，防止鉆井液長時間沖蝕和浸泡使煤芯損耗，降低收獲率。割芯時先停轉(zhuǎn)盤，停泵，上提速度盡可能慢。較硬地層可適當(dāng)加壓后割芯?？ü繋r心爪沿縮徑套收縮抱緊巖心并將其拉斷，與此同時差動機構(gòu)在重力的作用下脫開，內(nèi)筒與鉆頭產(chǎn)生反向相對位移，巖心導(dǎo)向套從內(nèi)筒中拉出，而隱蔽的彈簧片巖心爪逐漸伸出完全封住內(nèi)筒底部將松散破碎的巖心托住，阻止巖心碎塊下漏(圖7)。和煤1井與和煤2井在割芯過程中，均采取加壓后割芯，增加鉆壓1～2KN。

圖7 取芯打撈機構(gòu)

3.5 打撈內(nèi)筒

由井口下入打撈機構(gòu)與內(nèi)筒的矛頭對接，從鋼絲繩的松緊程度可判斷是否打撈成功，上提即可將內(nèi)筒撈出。打撈器在鉆具內(nèi)“兩頭慢、中間快”，即距井口30m內(nèi)和井底30m上時，緩慢下放、上提，防止震開內(nèi)筒，打撈時間不超過2min/100m。和煤1井打撈內(nèi)筒時間，合格率為100%(圖8);和煤2井在打撈過程中，發(fā)生2次鋼絲繩斷裂，導(dǎo)致打撈內(nèi)筒時間超時，合格率僅為95.2%(圖9)。

圖8 和煤1井打撈內(nèi)筒時間

圖9 和煤2井打撈內(nèi)筒時間

3.6 取芯裝罐

將內(nèi)筒平放于地面，卸開內(nèi)筒下端的螺紋，取出巖心，用清水簡單清洗后，對巖心進(jìn)行描述，快速采集25～30cm較完整煤芯裝罐，進(jìn)行現(xiàn)場快速氣體解析。從內(nèi)筒出井口到煤芯裝罐時間小于10min。和煤1井與和煤2井裝罐時間合格率均為100%(圖10，11)。

圖10 和煤1井裝罐時間

圖11 和煤2井裝罐時間

4 取得成果

海拉爾盆地呼和湖凹陷運用繩索取芯技術(shù)已完成2口煤層氣參數(shù)井(表3)，收獲率均達(dá)到設(shè)計要求，煤芯成完整柱狀結(jié)構(gòu)，夾矸清晰，頂?shù)装逋暾?，煤芯無污染，符合規(guī)范要求，為今后低煤階、構(gòu)造煤繩索取芯技術(shù)提供了寶貴的經(jīng)驗。

表3 現(xiàn)場取芯數(shù)據(jù)表

5 經(jīng)驗及建議

海拉爾盆地呼和湖凹陷煤階低，煤質(zhì)松軟，取芯過程中容易造成煤芯破碎掉芯，總結(jié)2口參數(shù)井繩索取芯經(jīng)驗，提出以下幾點建議:

(1)在取芯鉆進(jìn)前鉆具下至距井底3～5m處開始循環(huán)鉆井液，緩慢下放鉆具至井底，增加鉆井液循環(huán)時間，選用120目振動篩布，使用離心泵和除砂器，將井底沉砂充分循環(huán)干凈，防止投入內(nèi)筒時遇卡及取芯時將井底沉砂取出。

(2)取芯鉆進(jìn)前檢查好取芯設(shè)備，鋼絲繩是否有斷股，巖心爪的彈簧片是否有掉齒，以保證取芯工作的安全性;鉆進(jìn)時每一層煤的第一回次進(jìn)尺不超過0.5m，以檢查取芯工具的可靠性。

(3)取芯鉆進(jìn)時保持鉆壓平穩(wěn)，在5cm之內(nèi)均勻?qū)@壓加到設(shè)計值，鉆時快要跟上鉆壓;大泵由三個凡爾減少至一個凡爾，使其在合理范圍內(nèi)減小排量，防止樹芯過程中沖掉煤芯;發(fā)現(xiàn)泵壓升高及時采取措施，如降鉆壓，提轉(zhuǎn)速等，若泵壓不能回落，應(yīng)立即割芯取出內(nèi)筒。

(4)減少樹芯及割芯時間，減小鉆頭對煤芯的磨損，防止鉆井液長時間沖蝕、浸泡致使煤芯損耗，確保取芯收獲率。

［1］雷群，李景明，趙慶波.煤層氣勘探開發(fā)理論與實踐［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2007.

［2］包貴全.繩索取芯工具與工藝技術(shù)研究 ［J］.地質(zhì)裝備，2008，9(1):20－27.

［3］張吉路.繩索取芯鉆進(jìn)工藝在山西吉縣煤層氣參數(shù)井的應(yīng)用 ［J］.中國煤炭地質(zhì)，2010，22(增刊):134－136.

［4］郝登峰，石繼風(fēng)，胡向志.繩索取芯技術(shù)在煤層氣井施工中的應(yīng)用［J］.2007.

Application of Wire-line Coring Technique to Drilling of CBM Well in Low Rank Coal Seams

Zhao Qingbin，Gen Tiexin，Qin Wei，Li Renxiang
(Underground Operation Company of Daqing Oil Field Ltd．Co．，Helongjiang 163453)

趙慶彬，男，學(xué)士，助理工程師，從事煤層氣鉆井工程工作。

(責(zé)任編輯 桑逢云)