煤層氣深井繩索取芯問(wèn)題與改進(jìn)

和喜軍

（河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，鄭州450000）

1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

本井屬于預(yù)探，設(shè)計(jì)井深為2 750m，完鉆井深2 590m，完鉆層位亮甲山組。完井方法為套管完井。經(jīng)測(cè)井驗(yàn)證：完鉆層位、井深結(jié)構(gòu)、煤層數(shù)據(jù)、井深質(zhì)量及固井質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)。本井一開(kāi)采用311.2mm 鉆頭，二開(kāi)采用215.9mm 鉆頭完井。實(shí)際鉆遇地層為第四系、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組，太原組本溪組、馬家溝組、亮甲山組。其中主要目標(biāo)層煤層分別位于山西組3 號(hào)煤1 635.3～1 636.7m/厚1.4m。4 號(hào)煤1647.0～1649.0m/厚2.0m和1 651.8～1 652.8m/厚1m,及8+9 號(hào)煤1 709.4～1 716.2m/厚6.8m。取芯設(shè)備使用繩索取芯作業(yè)，本井共取芯22回次，總?cè)⌒具M(jìn)尺75.48m，總巖芯長(zhǎng)度71.06m，巖芯收獲率94.14%。

2 使用取芯工具及取芯過(guò)程中的問(wèn)題

2.1 繩索取芯工具簡(jiǎn)介

WH－B 型繩索取芯鉆具是針對(duì)煤層氣參數(shù)井施工，研發(fā)第二代專用大徑差繩索取芯鉆具。該類鉆具最大優(yōu)點(diǎn)是利用煤層氣施工中常用127mm（5 英寸）石油鉆桿或88.9mm（3.5英寸）石油鉆桿作繩索取芯鉆桿。在煤層氣參數(shù)井施工中，先用石油鉆桿與其他相關(guān)鉆具裝配無(wú)芯鉆頭，高效鉆進(jìn)非目的層段，臨近取芯目的層段更換為石油鉆桿裝配WH-B 型繩索取芯鉆具外鉆具及取芯鉆頭這種鉆具組合，然后下鉆，下鉆到離孔底50cm 左右懸停鉆具，這時(shí)再沿石油鉆桿內(nèi)孔，將繩索取芯內(nèi)鉆具內(nèi)管總成送入井底繩索取芯外鉆具中，從而實(shí)現(xiàn)繩索取芯鉆進(jìn)。由于石油鉆桿接頭壁較大，使取芯鉆頭內(nèi)外徑差距較大，所以，該類鉆具是一種大徑差繩索取芯鉆具【1】。

2.2 繩索取芯鉆具的結(jié)構(gòu)和工作原理

WH-B 型繩索取芯鉆具與常規(guī)繩索取芯鉆具原理和結(jié)構(gòu)上基本相同。整個(gè)鉆具分繩索巖芯雙管和打撈器2 部分。

巖芯管部分由外管總成和內(nèi)管總成組成，統(tǒng)稱雙管。外管總成包括彈卡擋頭、彈卡室、懸掛接頭、外管、下接頭、鉆頭。內(nèi)管總成包括撈矛頭、彈卡、單動(dòng)、調(diào)節(jié)、卡取巖芯及懸掛扶正等機(jī)構(gòu)。幾個(gè)主要機(jī)構(gòu)工作原理如下。

2.2.1 彈卡定位機(jī)構(gòu)

主要由彈卡架、彈卡鉗、彈卡室、彈卡擋頭等部件組成。其作用是內(nèi)管座在外管中時(shí)，彈卡鉗借助彈簧彈力張開(kāi)，貼在彈卡室內(nèi)壁上，上有彈卡擋頭，外有回收管，從而在鉆進(jìn)時(shí)限制內(nèi)管向上竄，實(shí)現(xiàn)內(nèi)鉆管在外管里面上端定位，為防止磨損，借助彈卡擋頭撥叉帶動(dòng)鉆具軸承上部隨外管旋轉(zhuǎn)，取芯時(shí)打撈器打撈鉤抓住撈矛頭，然后將打撈器、撈矛頭通過(guò)彈簧提升回收管，迫使彈卡縮回，使內(nèi)管總成處于自由狀態(tài)，從而被提升到地面。

2.2.2 單動(dòng)機(jī)構(gòu)

由2 付或多付推力軸承實(shí)現(xiàn)內(nèi)鉆具總成與內(nèi)管之間單動(dòng)。

2.2.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

內(nèi)管座入外管中時(shí)，由主軸和調(diào)節(jié)螺母來(lái)調(diào)整內(nèi)鉆具總長(zhǎng)，從而調(diào)節(jié)卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階間隙。采取煤芯時(shí)，該間隙應(yīng)保持在2～3mm，泵量200L/min；采取巖芯時(shí)，間隙和泵量可適當(dāng)大一些。

2.2.4 懸掛機(jī)構(gòu)

懸掛環(huán)與座環(huán)構(gòu)成懸掛定位機(jī)構(gòu)。內(nèi)管總成進(jìn)入外管總成，到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，懸掛環(huán)坐落在外管總成座環(huán)上，使整個(gè)內(nèi)鉆具不能再向下移動(dòng)，從而形成內(nèi)、外鉆具下端定位。上、下定位，保證內(nèi)、外鉆具在鉆進(jìn)過(guò)程中相對(duì)位置不變【2】。

2.2.5 打撈機(jī)構(gòu)

由打撈鉤、撈鉤架、重錘等組成。撈取巖芯時(shí)打撈器放入鉆桿內(nèi)，靠重錘快速下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)內(nèi)巖芯管上端時(shí)，打撈鉤抓住撈矛頭，從而把內(nèi)管提升上來(lái)。

2.2.6 安全脫卡機(jī)構(gòu)

由打撈器上安全銷和脫卡管組成，撈取巖芯遇阻時(shí)可通過(guò)繩索絞車提拉鋼絲繩，把安全銷拉斷，或投下脫卡管，罩住打撈鉤尾部，使打撈鉤端部張開(kāi)，釋放撈矛頭，從而使打撈器與內(nèi)管總成脫離【3】。

在煤層氣參數(shù)井中使用該類繩索取芯鉆具，可以在不更換專用繩索取芯鉆桿情況下，實(shí)現(xiàn)指定層段快速采取巖（煤）芯；利用大口徑不取芯鉆頭鉆進(jìn)不取芯層段，利用WH-B 型繩索取芯鉆具在取芯層段采取巖（煤）芯，可以使所施工鉆孔在完成參數(shù)井功能的同時(shí)，具備生產(chǎn)井功能，提高資源利用率。

本井為我單位煤層氣勘探超深鉆孔施工中，首次在井深1 500m 以下采用繩索取芯工具進(jìn)行繩索取芯。在取芯過(guò)程中出現(xiàn)以下幾種問(wèn)題：

1）當(dāng)井深超過(guò)1 500m 時(shí)，泥漿浮力不能抵消投放內(nèi)管總成時(shí)產(chǎn)生沖擊力，沖擊力過(guò)大造成座環(huán)炸裂，引起內(nèi)管總成卡死、內(nèi)管總成下行過(guò)盈，引起內(nèi)鉆頭損壞（內(nèi)鉆頭變形后巖心無(wú)法進(jìn)入內(nèi)管），打撈矛在打撈內(nèi)管總成時(shí)，提拔不動(dòng)，所以只能割斷提引鋼絲繩并起大鉆，施工效率極低【4】。

2）巖心卡芯困難，易造成巖心缺失，由于本井煤層為塊狀無(wú)煙煤，節(jié)理發(fā)育，鉆取時(shí)擾動(dòng)極易造成煤芯碎裂，而深井取芯采用爪簧，受爪簧簧片硬度及間隔密度影響，容易造成堵芯及巖心消耗，為保證孔內(nèi)無(wú)殘留巖心，需無(wú)芯鉆頭掃孔，反復(fù)提下鉆，降低效率，增加施工成本。

3）在下入打撈矛進(jìn)行提取內(nèi)管總成時(shí)，一旦遇到內(nèi)管總成卡死時(shí)，需要投放解卡器，而隨著井深增加，受下方到鉆具內(nèi)提引鋼絲因提升拉力不準(zhǔn)確和鋼絲繩不同繩段自重影響，造成鋼絲繩在鉆具內(nèi)有繩段或松或緊不一而同。這樣就出現(xiàn)解卡器投放不到位而無(wú)法達(dá)到解卡目的【5】。

3 改進(jìn)方法

1）針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，沖擊力過(guò)大造成座環(huán)炸裂，引起內(nèi)管總成卡死內(nèi)管總成下行過(guò)盈內(nèi)鉆頭損壞。通過(guò)實(shí)踐對(duì)承托環(huán)設(shè)計(jì)做出改進(jìn)，通過(guò)提高座環(huán)受力強(qiáng)度，來(lái)克服投放內(nèi)管總成時(shí)產(chǎn)生沖擊力過(guò)大問(wèn)題，在后期施工中一直到井深1 750m 取芯任務(wù)結(jié)束，沒(méi)有再出現(xiàn)因座環(huán)炸裂而引起內(nèi)管總成卡死、內(nèi)管總成下行過(guò)盈內(nèi)鉆頭損壞等情況。改進(jìn)情況對(duì)比如1 圖、圖2 所示。

圖1 座環(huán)改進(jìn)前

圖2 座環(huán)改進(jìn)后

2）針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，通過(guò)熱處理調(diào)質(zhì)降低爪簧簧片彈性硬度，并且減少簧片數(shù)量、降低間隔密度來(lái)解決。

3）針對(duì)第三個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)加重型解卡器來(lái)克服提引鋼絲繩對(duì)解卡影響，能夠保證解卡器投放到位而實(shí)現(xiàn)解卡目的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一系列的改進(jìn)，每次取芯進(jìn)行檢查，并在取芯前調(diào)整鉆井液的參數(shù)，使用絞車將取芯內(nèi)管送至井底，將解卡器重新加工，確保取芯內(nèi)管下至孔底時(shí)內(nèi)鉆頭損壞的情況。在本次鉆井取芯中，充分利用繩索取芯鉆具在取芯中的優(yōu)勢(shì)，降低起下鉆的次數(shù)，提高取芯采取率，并有效降低取芯成本，為煤田地質(zhì)勘探單位在煤層氣探井超1 500m 深孔繩索取芯有一個(gè)新的認(rèn)識(shí)，因?yàn)槟壳白钌钪贿_(dá)到1 750m，在后續(xù)中如果施工超1 750m 鉆孔時(shí)，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。