GW-CP194-80M型煤層氣雙保壓取心工具研制及現(xiàn)場試驗

朱慶忠，蘇雪峰，楊立文，蘇 洋，羅 軍

(1.中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552；2.中國石油長城鉆探工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

煤層氣是煤的伴生礦產(chǎn)資源，目前的開采方式主要以地面鉆井開采為主，開采過程中氣體通過解吸的方式脫離煤體運移產(chǎn)出[1-5]。但煤層滲透性較差，地面開采困難，因此，準(zhǔn)確分析煤層氣的含氣量和滲透性特征對指導(dǎo)煤層氣開發(fā)具有重要意義[6-11]。但在常規(guī)取心過程中，煤巖從井下提取至地面，由于壓力等環(huán)境變化，煤巖孔隙結(jié)構(gòu)及煤層氣解吸都受到很大影響[11-15]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國際上各類保壓取心裝置，如國際海洋鉆探計劃(DSDP)、日本PTCS取心器、中煤科工西安院密閉取心器等工具，能夠?qū)崿F(xiàn)地層壓力的保持，借用到煤層氣取心上可以獲得準(zhǔn)確的含氣量數(shù)據(jù)[16-19]，但由于這些取心工具均無圍壓加載功能，無法實現(xiàn)煤巖的圍壓保持，難以確認(rèn)取心后煤巖失壓是否造成孔滲性能發(fā)生較大改變。為解決這一問題，研制了GW-CP194-80M型煤層氣雙保壓取心工具，以雙保壓內(nèi)筒作為巖心載體，成功實現(xiàn)了巖心的圍壓加載和流壓保持，解決了巖心鉆取過程中圍壓變化對煤心孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率影響的問題。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)

GW-CP194-80M型煤層氣雙保壓取心工具主要由保壓內(nèi)筒總成、差動總成、壓力補償總成、測量總成、外筒總成和取心鉆頭等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。保壓內(nèi)筒總成的下端連接球閥密封裝置，上端依次連接測量總成、壓力補償總成和差動總成。保壓內(nèi)筒設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為膠筒，外層為金屬筒，中間腔體為圍壓腔，向圍壓腔中充入清水，即可對膠筒加載圍壓。差動總成為采用間隙插接配合的內(nèi)外六方差動機(jī)構(gòu)，可在液壓作用下進(jìn)行差動，進(jìn)而控制球閥關(guān)閉和開啟壓力補償；壓力補償總成充有高壓氮氣，可為膠筒圍壓加載提供氣源；測量總成可對內(nèi)筒壓力和圍壓壓力單獨進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)存儲。

圖1 煤層氣雙保壓取心工具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CBM dual-pressure coring tool

1.2 工藝原理

在取心鉆進(jìn)過程中，保壓內(nèi)筒下部球閥處于打開狀態(tài)，巖心通過球閥進(jìn)入保壓內(nèi)筒，鉆取巖心完成后，通過投球憋壓剪斷差動總成銷釘，使內(nèi)外筒產(chǎn)生差動[20-21]。在差動過程中，壓力補償總成的滑套開關(guān)打開，氣道連通，其內(nèi)部的高壓氮氣以氣液補償?shù)姆绞綄毫鬟f至保壓內(nèi)筒圍壓腔，對膠筒施加圍壓，圍壓設(shè)定值比井底液柱壓力大2～3 MPa，在圍壓作用下，膠筒收縮將巖心包裹，筒內(nèi)鉆井液被排出，巖心受到圍壓保護(hù)。圍壓加載完成后，差動動作在液壓作用下繼續(xù)進(jìn)行，并最終觸發(fā)球閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)，將密封球閥關(guān)閉，使巖心密封在內(nèi)筒當(dāng)中。

1.3 技術(shù)參數(shù)

GW-CP194-80M型煤層氣雙保壓取心工具外徑為194.0 mm，取心鉆頭外徑為215.9 mm，適用于井徑為215.9 mm及以上的井眼；工具總長為6.0 m，單次取心長度為1.5 m，巖心直徑為80 mm；雙保壓內(nèi)筒額定內(nèi)壓為15 MPa；額定圍壓為20 MPa；取心工具采用自鎖式割心方式[22]。

測量總成采用2套電子式壓力測量儀器，可單獨測量內(nèi)壓和圍壓。儀器采用高溫高能電池，適應(yīng)溫度為-4～160 ℃，連續(xù)使用時間為300～360 h；壓力傳感器為多晶硅懸臂梁電阻應(yīng)變式傳感器，測壓精度為0.1 MPa，最高測壓為100.0 MPa；溫度傳感器測溫精度為0.1℃，最高測溫為120.0℃。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 球閥密封裝置

球閥密封裝置由球閥、密封活塞、球閥倉和強力彈簧組成(圖2)。密封活塞端面嵌有密封圈，配合球閥表面進(jìn)行單向密封，在高壓體系下，通過內(nèi)筒高壓作用密封活塞，對球閥產(chǎn)生被動密封壓力；密封活塞上部裝有強力彈簧，可對球閥施加主動密封壓力，確保在淺井或低壓體系下也具有良好的低壓密封效果。球閥密封裝置上部連接雙保壓內(nèi)筒，球閥在下鉆和取心鉆進(jìn)期間為打開狀態(tài)，取心鉆進(jìn)時，巖心通過球閥進(jìn)入內(nèi)筒；取心完成后，在內(nèi)外筒差動作用下，外筒相對內(nèi)筒下行，并推動球閥沿管柱軸向旋轉(zhuǎn)90 °，使其變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，巖心被密封和存儲在內(nèi)筒當(dāng)中[23-30]。

圖2 球閥密封裝置工作示意圖Fig.2 Working schematic diagram of ball valve sealing device

2.2 雙保壓內(nèi)筒

雙保壓內(nèi)筒為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為膠筒，外層為金屬筒，膠筒和金屬筒之間為圍壓腔，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。膠筒采用特殊橡膠制成，兩端為鋼接頭，膠筒與鋼接頭表面通過硫化處理黏接為一體，增強其耐壓強度，最大承壓為5 MPa。雙保壓內(nèi)筒上部連接補償總成，通過向圍壓腔中充入清水，即可對膠筒加載圍壓，在圍壓作用下，膠筒收縮包裹巖心，巖心受到圍壓保護(hù)。球閥將巖心密封在膠筒內(nèi)部之后，即可實現(xiàn)加載巖心圍壓和保持流壓。雙保壓內(nèi)筒兩端還分別設(shè)有增壓接口和泄放接口，取心工具到達(dá)地面后，可實現(xiàn)帶壓拆卸，取出雙保壓內(nèi)筒總成，直接作為滲透率實驗巖心夾持器，利用供壓設(shè)備進(jìn)行地層條件下滲流特征測試及煤巖解吸規(guī)律研究。

圖3 雙保壓內(nèi)筒結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of dual-pressure inner cylinder

2.3 氣-液壓力補償總成

氣-液壓力補償總成主要由高壓氮氣室、壓力補償接頭、滑套開關(guān)、氣-液隔離腔、氣-液隔離活塞等結(jié)構(gòu)組成(圖4)。壓力補償接頭上部連接高壓氮氣室，室內(nèi)充有高壓氮氣；滑套開關(guān)通過剪切銷釘固定在壓力補償接頭頂部，滑套開關(guān)氣道和補償接頭氣道不連通，氮氣室處于關(guān)閉密封狀態(tài)；壓力補償接頭下部連接氣-液隔離腔，隔離腔被氣-液隔離活塞分為上下2部分，氣-液隔離活塞初始位置在隔離腔上部，隔離腔下部充滿清水。

圖4 氣-液壓力補償總成結(jié)構(gòu)Fig.4 Gas-liquid pressure compensation assembly structure

其工作原理為：取心鉆進(jìn)完成后，在內(nèi)外筒差動作用下外筒下行，擋銷碰觸到滑套開關(guān)后將剪切銷釘剪斷，滑套開關(guān)下行至補償接頭下端，滑套開關(guān)氣道和補償接頭氣道連通，高壓氮氣通過氣道進(jìn)入氣-液隔離腔上部并推動氣-液隔離活塞，進(jìn)而擠壓液體補償至圍壓腔體，實現(xiàn)氣-液壓力補償。由于液體具有不可壓縮性，液體補償方式相較于氣體補償方式，圍壓狀態(tài)更為穩(wěn)定，可避免因膠筒密封性能失效導(dǎo)致氮氣混入內(nèi)筒，影響含氣量測定。

3 性能實驗

3.1 球閥密封裝置密封及承壓實驗

連接保壓內(nèi)筒和球閥密封裝置，轉(zhuǎn)動球閥使其處于關(guān)閉位置，將內(nèi)筒內(nèi)注滿清水，利用液相加壓裝置緩慢加壓至預(yù)定壓力后靜置，測試球閥密封裝置耐壓性及密封性能(表1)。

表1 球閥密封裝置密封性能測試結(jié)果Table 1 Sealing performance test of ball valve sealing device

由表1可知，球閥密封裝置在2.5～30.0 MPa測試壓力下均未發(fā)生壓力泄漏，且外形完好，表明球閥密封裝置具備良好密封性能。

3.2 膠筒承壓實驗

為檢驗?zāi)z筒耐壓強度及密封性能，開展膠筒承壓實驗：①組裝膠筒保壓內(nèi)筒總成，膠筒內(nèi)部裝入模擬巖心；②采用液相加壓裝置通過增壓接口向膠筒內(nèi)部泵入清水，增壓5 MPa，使膠筒膨脹，并進(jìn)行長時間靜置，靜置結(jié)束后取出膠筒觀察破損和恢復(fù)情況；③再次組裝膠筒保壓內(nèi)筒，采用液相加壓裝置通過圍壓接口向圍壓腔泵入清水，增壓5 MPa，使膠筒壓縮，并進(jìn)行長時間靜置，靜置結(jié)束后取出膠筒觀察破損和恢復(fù)情況。實驗結(jié)果表明，膠筒在5 MPa壓差下不破損、不泄露，卸除壓力后膠筒形態(tài)和彈性恢復(fù)完好，可以滿足圍壓加載需求。

4 現(xiàn)場試驗

為檢驗GW-CP194-80M型煤層氣雙保壓取心工具整體效果，2019年5月在沁水盆地M97-X井進(jìn)行了煤層氣取心現(xiàn)場試驗。M97-X井構(gòu)造位置為沁水盆地南部馬必東區(qū)塊西斜坡帶，取心層位為山西組，以灰色、灰黑色砂泥巖互層夾煤層為主。試驗取心井段為1 160.00～1 161.00 m，井底液柱壓力為12.2 MPa，鉆井液密度為1.05 g/cm3。工具入井前進(jìn)行了注氣、注液和試壓測試，取心工具下入至井底后緩慢開泵循環(huán)鉆井液，循環(huán)充分后進(jìn)行取心鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)速為50 r/min，排量為12 L/s，鉆壓為50 kN。鉆進(jìn)完成后，投球剪斷差動總成銷釘，內(nèi)外筒進(jìn)行差動，開啟圍壓補償并控制球閥關(guān)閉。取心工具到達(dá)地面后，測得圍壓為13.5 MPa，內(nèi)壓為10.6 MPa，并成功取得0.85 m結(jié)構(gòu)完整的煤巖樣品(圖5)，取得較好效果。

圖5 黑色煤巖樣品Fig.5 Black coal samples

5 結(jié) 論

(1) 研制了GW-CP194-80M型煤層氣雙保壓取心工具，其差動系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)、氣液圍壓加載系統(tǒng)、球閥密封系統(tǒng)設(shè)計合理，整體工作順暢協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了巖心的圍壓加載和流壓保持。

(2) 該工具的球閥密封裝置具有主、被動密封結(jié)合特點，密封性能好，承壓能力強，可實現(xiàn)高、低壓體系下的穩(wěn)定密封，同時也滿足了深井和淺井的煤層氣保壓取心作業(yè)需求。

(3) 該工具的保壓內(nèi)筒總成可實現(xiàn)帶壓拆卸，可直接接入后續(xù)測試流程，進(jìn)行煤巖地層條件含氣性、滲透性、解吸速率及最終采收率標(biāo)定等多參數(shù)聯(lián)合測試。

(4) 室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗表明，GW-CP194-80M型煤層氣雙保壓取心工具已完全達(dá)到設(shè)計要求和現(xiàn)場應(yīng)用條件。該工具的成功研制，為正確認(rèn)識煤層氣地質(zhì)條件，建立適用于煤層氣的開發(fā)基礎(chǔ)理論提供了技術(shù)支撐。