煤層氣保溫保壓保形取心工具研制及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

王西貴， 鄒德永， 楊立文， 高 瑋， 孫少亮， 蘇 洋

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦 124010）

煤層氣是一種伴生于煤層中的非常規(guī)天然氣，主要以吸附狀態(tài)賦存在煤的孔隙中。煤儲(chǔ)層與常規(guī)油氣儲(chǔ)層差異明顯，煤層既是生氣層，又是儲(chǔ)氣層，可改造性差。因此，準(zhǔn)確分析煤層氣的含氣量和滲透性特征是指導(dǎo)煤層氣開發(fā)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1–4]。目前，煤層氣前期勘探的主要技術(shù)手段是利用鉆井取心工具獲取煤層巖心進(jìn)行儲(chǔ)層物性和含氣性研究，但煤心在取樣過程中經(jīng)過壓力釋放和取樣操作，滲透率和含氣量發(fā)生重大變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真，嚴(yán)重影響勘探開發(fā)方案的制訂。

煤層氣保壓取心工具是針對(duì)上述問題開發(fā)的一種煤層地質(zhì)巖心資料采集工具[5–7]。20世紀(jì)70年代開始，為了勘探開發(fā)天然氣水合物，國外依托國際深海鉆探計(jì)劃（DSDP）和國際大洋鉆探計(jì)劃（ODP），研制了PCB、PTCS和APC等多種保壓取心工具，并多次成功鉆取了天然氣水合物樣品[8]。國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究[9–13]，長城鉆探工程公司在沁水盆地開展了多口煤層氣保壓取心現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出“保油、保氣”的顯著優(yōu)勢(shì)。筆者在現(xiàn)有保壓取心工具基礎(chǔ)上，針對(duì)煤儲(chǔ)層易碎、物性易隨環(huán)境條件改變的地質(zhì)特點(diǎn)，研制了具有圍壓加持和巖心溫度保護(hù)雙重優(yōu)點(diǎn)的保溫保壓保形取心工具，確保獲取的巖心始終處于或接近井底覆壓狀態(tài)，能減少起鉆過程中吸附氣和游離氣的散失，延緩煤層自由裂縫的生成，準(zhǔn)確求取煤層原始的孔隙度、滲透率和流體飽和度等地層參數(shù)。

1 保溫保壓保形取心工具的研制

1.1 工具結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

根據(jù)煤層氣儲(chǔ)層的地質(zhì)特點(diǎn)和煤層氣取心的技術(shù)要求，對(duì)深層煤層氣保壓取心工具進(jìn)行了保形功能完善升級(jí)，形成了煤層氣保溫保壓保形取心工具。該取心工具主要由轉(zhuǎn)換接頭、液壓提升機(jī)構(gòu)、分流接頭、取心外筒、壓力補(bǔ)償總成、測(cè)量裝置、保溫保壓保形取心內(nèi)筒和球閥密封總成等組成（見圖1），與原取心工具相比[14]，主要是對(duì)球閥密封總成和保溫保壓保形取心內(nèi)筒進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。

圖1 保溫保壓保形取心工具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of coring tool with pressure maintenance, thermal insulation and shape preservation

保溫保壓保形取心工具的本體外徑為194.0 mm，配套使用?215.9 mm取心鉆頭；獲取的煤心直徑達(dá)80.0 mm，額定保壓 60 MPa，煤心筒長度根據(jù)需要設(shè)計(jì)有1.30和3.00 m；采用液力加壓和自鎖式割心相結(jié)合的割心方式，割心完成后采取提鉆的方式割取煤心。

1.2 技術(shù)原理

取心外筒上端與鉆具連接，主要作用是傳送鉆壓和扭矩；下端與取心鉆頭相連，在鉆壓和扭矩雙重作用下對(duì)煤層進(jìn)行切削，形成圓柱形煤心進(jìn)入保溫保壓保形取心內(nèi)筒。保溫保壓保形取心內(nèi)筒是煤心的儲(chǔ)存載體，取心內(nèi)筒上端依次連接測(cè)量裝置、壓力補(bǔ)償總成和液壓提升機(jī)構(gòu)，取心內(nèi)筒下端連接球閥密封總成，對(duì)煤心進(jìn)行密封保壓；取心內(nèi)筒外部充填保溫性能較好的二氧化硅氣凝膠保溫材料，對(duì)煤心進(jìn)行溫度保持。取心鉆具下鉆和鉆井過程中，球閥處于打開狀態(tài)，保持煤心進(jìn)筒通道暢通。完成取心作業(yè)后，液壓提升機(jī)構(gòu)關(guān)閉球閥密封總成和開啟壓力補(bǔ)償總成。液壓提升機(jī)構(gòu)是液壓動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從井口投入專用鋼球封堵鉆井液通道憋壓從而剪斷銷釘，反向抬升保溫取心內(nèi)筒組件，使保溫取心內(nèi)筒與外筒形成一個(gè)差動(dòng)距離[15]；在此差動(dòng)過程中，球閥硬剪切煤心并旋轉(zhuǎn)90°，完成保溫保壓保形取心內(nèi)筒的密封，同時(shí)打開壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的開關(guān)。壓力補(bǔ)償總成內(nèi)置高壓氮?dú)?，下鉆和取心鉆進(jìn)中補(bǔ)償總成處于關(guān)閉狀態(tài)，球閥密封總成關(guān)閉后，壓力補(bǔ)償總成開始啟動(dòng)；內(nèi)筒壓力下降時(shí)，壓力補(bǔ)償總成可對(duì)保壓內(nèi)筒進(jìn)行壓力回注，保持內(nèi)筒壓力與近地層壓力相近，實(shí)現(xiàn)煤心樣品的壓力保持。測(cè)量裝置可對(duì)內(nèi)筒中煤心的溫度和壓力進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和存儲(chǔ)，通過細(xì)小的變化趨勢(shì)了解煤心在起鉆過程中的理化分解特征，直觀地表征煤心的保溫和保壓效果。

取心過程中，鉆井液從鉆具、液壓提升機(jī)構(gòu)內(nèi)部流入，經(jīng)分流接頭進(jìn)入取心外筒與取心內(nèi)筒之間的空隙，再由球閥密封總成與鉆頭預(yù)留的間隙流向井底，用于冷卻取心鉆頭，并攜帶巖屑經(jīng)井眼與鉆具的環(huán)空上返至地面。

2 取心工具關(guān)鍵技術(shù)

2.1 金屬硬密封球閥密封技術(shù)

常規(guī)保壓取心工具在應(yīng)用過程中有時(shí)出現(xiàn)球閥關(guān)閉不到位、密封失效等問題，詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，主要原因?yàn)椋?）鉆井液固相含量高，小砂礫很容易進(jìn)入球體與球座的配合間隙，并在球閥執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作時(shí)小砂礫容易將球座的密封圈帶離原位，造成密封失效；2）當(dāng)球座內(nèi)部封存超高壓力后，閥體的吊耳強(qiáng)度不足以平衡內(nèi)部壓力而產(chǎn)生變形，導(dǎo)致球體與球座分離。

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了圓弧閉合球閥[16]。該圓弧閉合球閥主要由彈簧壓頭、復(fù)位彈簧、圓弧結(jié)構(gòu)球座、球體倉、球體、轉(zhuǎn)軸和帶導(dǎo)向齒條的套筒等部件組成，其工作原理是：球閥在下鉆和正常取心鉆進(jìn)中始終處于打開狀態(tài)，為煤心入筒提供通道；當(dāng)目標(biāo)層位巖心鉆取完成、需要關(guān)閉球閥時(shí)，從鉆臺(tái)處投入一個(gè)專用的憋壓鋼球、并繼續(xù)泵入鉆井液，憋壓鋼球落在取心工具液力提升機(jī)構(gòu)的球座后封堵鉆井液通道，在液壓作用下剪斷固定銷釘，啟動(dòng)液力提升機(jī)構(gòu)；在此過程中，取心外筒、取心鉆頭和帶導(dǎo)向齒條的套筒均保持不動(dòng)，取心內(nèi)筒和圓弧閉合球閥等部件反向抬升1/4πD的距離（其中D為轉(zhuǎn)軸齒輪的節(jié)度圓直徑），從而推動(dòng)球閥旋轉(zhuǎn)90°完成關(guān)閉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)保壓取心內(nèi)筒密封。圓弧閉合球閥的打開和關(guān)閉狀態(tài)如圖2所 示。

圖2 圓弧閉合球閥的不同工作狀態(tài)Fig.2 Different working states of arc closed ball-valve

圓弧閉合球閥采用全密封式球體倉設(shè)計(jì)，可以耐受60 MPa壓力不變形，解決了原球體倉無法承受如此大的壓力而輕微變形的問題。圓弧閉合球閥內(nèi)部封存的高壓通過球座的臺(tái)肩產(chǎn)生使球座更加緊貼球體的作用力，其內(nèi)部壓力越高，主動(dòng)封閉力越大，越有利于密封；即使在淺井應(yīng)用時(shí)，復(fù)位彈簧的回彈力一直作用在圓弧球座上，使圓弧球座與球體緊密貼合，以保證密封效果。

2.2 復(fù)合式保溫取心內(nèi)筒

2.2.1 復(fù)合式保溫取心內(nèi)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了降低外界溫度對(duì)煤心測(cè)試結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了復(fù)合式保溫取心內(nèi)筒。它包括4層復(fù)合式結(jié)構(gòu)：最內(nèi)層為隨動(dòng)保形膠膜，中層為橡膠筒，外層為金屬筒，橡膠筒與金屬筒之間的圍壓腔內(nèi)填充保溫性能良好的二氧化硅氣凝膠保溫層（見圖3）。

圖3 復(fù)合式煤層氣保溫取心內(nèi)筒剖面Fig.3 Profile of composite inner coring barrel for CBM with thermal insulation

2.2.2 復(fù)合式保溫取心內(nèi)筒的工作機(jī)理

金屬保溫外筒上端連接測(cè)量裝置，下端連接球閥密封總成。保溫層材料選用二氧化硅氣凝膠，該氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互交聯(lián)構(gòu)成的、具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)納米多孔材料，是目前隔熱性能最好的固態(tài)材料。為了防止保溫層被高壓流體擠破，分別在其1/3、2/3處打幾個(gè)通孔，用于傳遞流體的壓力。橡膠筒是保壓保溫煤心的主要存儲(chǔ)載體，比鋁合金材質(zhì)更易于切割，可以避免切割產(chǎn)生的局部熱量對(duì)樣品產(chǎn)生破壞；隨動(dòng)保形膠膜可將入筒的煤心進(jìn)行包裹，阻隔鉆井液污染煤心，并防止疏松煤心在保溫筒內(nèi)散落[17]。

當(dāng)球閥密封總成關(guān)閉后，金屬外筒與膠筒之間形成密閉空間，在壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的作用下，近地層液柱壓力擠壓膠筒，對(duì)內(nèi)部煤心樣品施加圍壓保護(hù)，緩解振動(dòng)導(dǎo)致新裂縫的生成、延展。膠筒下接頭還設(shè)計(jì)有壓力平衡孔，其主要作用是引導(dǎo)底部流體充盈在隨動(dòng)保形膠膜的外側(cè)，使膠膜內(nèi)外兩側(cè)壓力平衡。

2.2.3 保溫層厚度優(yōu)化

為了選取合適的二氧化硅氣凝膠保溫層厚度，采用Solidworks Simulation軟件模擬復(fù)合式煤層氣保溫取心內(nèi)筒的溫度場(chǎng)。為了減小計(jì)算量、提高模擬計(jì)算效率，不考慮隨動(dòng)保形膠膜和保溫層上下兩端的散熱損失，只選取保溫內(nèi)筒的一個(gè)截面做穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析。假設(shè)保溫膠筒內(nèi)徑80 mm，厚度5 mm；金屬外筒內(nèi)徑140 mm，厚度10 mm；形成圍壓的介質(zhì)為水，且各部分都緊密接觸。地面溫度20 ℃，地溫梯度 2.8 ℃/100m，估算埋深 2 000 m 某目標(biāo)煤層的地層溫度約為76 ℃。模擬分析二氧化硅氣凝膠的厚度分別為0，10，15和20 mm時(shí)復(fù)合式煤層氣保溫取心內(nèi)筒的徑向溫度分布，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同厚度保溫層保溫取心內(nèi)筒的徑向溫度分布Fig.4 Radial temperature distribution of inner barrel with different thermal insulation layer thickness

由圖4可知，二氧化硅氣凝膠保溫厚度分別為0，10，15和 20 mm 時(shí)，金屬外筒最外側(cè)溫度分別是39.06，22.47，21.83 和 21.48 ℃。安裝保溫層后，保溫性能顯著提高，且保溫層的厚度越厚其保溫性能越優(yōu)異，但厚度超過10 mm后溫度的下降幅度不再明顯。從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，保溫層厚度可選擇10 mm。

2.3 取心鉆頭優(yōu)選

為了降低鉆井液對(duì)煤心的污染，縮短煤心在鉆井液中的浸泡時(shí)間，減少煤層氣逸散，需要選用攻擊性強(qiáng)、鉆速高和使用壽命長的取心鉆頭。為此，優(yōu)選了一種表鑲、孕鑲相結(jié)合的復(fù)合式金剛石取心鉆頭（見圖5）。鉆頭表面采用天然金剛石顆粒作為表鑲切削齒，胎體采用特質(zhì)合金粉和人造金剛石顆粒燒結(jié)而成，具備表鑲和孕鑲鉆頭的雙重優(yōu)點(diǎn)，在保證足夠強(qiáng)度的條件下還具有一定的韌性。另外，表鑲的切削齒具有自清洗和再生功能，頂層材料磨損后，下一層的切屑材料又能發(fā)揮作用，確保鉆頭切屑齒具備較長的自銳生命周期，提高鉆頭的破巖能力和鉆頭進(jìn)尺。

圖5 表鑲、孕鑲復(fù)合式金剛石取心鉆頭Fig.5 Surface-set and impregnated composite diamond coring bit

2.4 鉆具組合優(yōu)化

以?215.9 mm井眼為例，推薦選用以下鉆具組合：?215.9 mm表鑲、孕鑲復(fù)合式金剛石取心鉆頭+?194.0 mm 煤層氣保壓保形取心工具+?171.0 mm浮閥（板式）+?165.1 mm 鉆鋌×2 根+?127.0 mm 加重鉆桿×10 根+?127.0 mm 鉆桿。

3 取心技術(shù)措施

針對(duì)煤層氣參數(shù)井的取心技術(shù)難點(diǎn)，在取心施工前準(zhǔn)備、取心鉆進(jìn)、提心等環(huán)節(jié)制定了相應(yīng)的技術(shù)措施[18–19]：

1）取心前施工準(zhǔn)備。應(yīng)檢查煤層氣取心工具，特別是檢查壓力補(bǔ)償總成是否能正常工作，并充入壓力高于井底靜液柱壓力1～2 MPa的氮?dú)?，檢查球閥關(guān)閉無阻卡，并調(diào)整鉆頭內(nèi)臺(tái)階與帶導(dǎo)向齒條套筒之間的裝配間隙。另外，還需要根據(jù)地層狀態(tài)和實(shí)鉆情況調(diào)整鉆井液性能，提前準(zhǔn)備好隨鉆堵漏劑，確保井壁穩(wěn)定、井內(nèi)無掉塊。

2）取心工具下放?？刂乒ぞ呦路潘俣炔淮笥?.0 m/s，每下鉆500 m憋通水眼一次，并且嚴(yán)控下鉆遇阻不超過50 kN；下鉆期間如遇阻嚴(yán)重，嚴(yán)禁使用取心鉆頭和取心工具進(jìn)行劃眼或通井作業(yè)。取心工具下至距離目標(biāo)取心層位2.00 m處應(yīng)緩慢循環(huán)鉆井液，防止瞬時(shí)鉆井液壓力過大提前剪斷差動(dòng)機(jī)構(gòu)的剪切銷釘，導(dǎo)致球閥提前關(guān)閉和壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)提前開啟。待泵壓顯示正常后，充分清洗井底，方可進(jìn)行正常取心作業(yè)。

3）取心鉆進(jìn)。綜合考慮地質(zhì)情況、鉆井機(jī)具的配套和施工安全等多種因素，分階段優(yōu)化鉆井參數(shù)。引心期間，為了使煤心以較完整的形態(tài)進(jìn)入取心內(nèi)筒，應(yīng)將鉆壓控制在10～15 kN，鉆具轉(zhuǎn)速控制在40 r/min左右；正常鉆進(jìn)取心期間，為了縮短煤心在鉆井液中的浸泡時(shí)間、降低對(duì)煤心的污染程度，應(yīng)促使煤心快速進(jìn)入保溫保壓保形取心內(nèi)筒，將鉆壓控制在 40～50 kN，鉆具轉(zhuǎn)速控制在 60 r/min；磨心期間，鉆壓應(yīng)先升至 60 kN，然后再降至 30 kN，鉆具轉(zhuǎn)速控制在 60 r/min，并在原處干鉆 10 min；割心期間，鉆壓控制在10 kN以內(nèi)，鉆具停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從井口處投入專用鋼球，依靠液壓提升機(jī)構(gòu)的差動(dòng)作用使球閥旋轉(zhuǎn)90°，從而密封取心內(nèi)筒。

4）提心。煤心提取過程中應(yīng)保持勻速提升，避免鉆具振動(dòng)對(duì)煤心造成損害；提心過程中應(yīng)定時(shí)往井內(nèi)注入鉆井液，以保持井底有足夠的靜液柱壓力，防止發(fā)生井噴事故。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

G-X20井位于目標(biāo)區(qū)塊西部斜坡帶，地層平緩，上部地層以棕紅色含鈣質(zhì)結(jié)核泥巖、灰黑色泥巖為主，夾帶厚層肉紅色砂巖；取心層位為本溪組煤層，取心的目的是了解本溪組煤儲(chǔ)層的特征和物性、落實(shí)本溪組的煤層氣含量，為目標(biāo)區(qū)塊勘探開發(fā)方案的制訂提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

按照預(yù)先制定的取心技術(shù)方案，該井累計(jì)保壓取心3筒次，總進(jìn)尺9.60 m。取心工具下至目標(biāo)取心層位后未出現(xiàn)30 kN以上的遇阻點(diǎn)。正常取心過程中，表孕鑲?cè)⌒你@頭鉆時(shí)均勻，未出現(xiàn)鉆速明顯降低的現(xiàn)象，出井后未發(fā)現(xiàn)有明顯掉齒，整體新度仍然保持在85%以上。投球關(guān)閉球閥過程中，泵壓升高幅度正常，取心工具到達(dá)地面后查看球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，檢測(cè)壓力為 24.31 MPa，與井深 2 477 m 處的靜液柱壓力（29.98 MPa）相比，保壓率達(dá)到了81.08%；第2筒和第3筒取心作業(yè)整體正常，地面測(cè)試保壓率分別達(dá)到了86.07%和80.20%。取心共獲取9.07 m長的煤心，平均煤心收獲率為94.48%（見表1）。

表1 巖心收獲率和保壓率Table 1 Core recovery and pressure maintenance rate

5 結(jié)論與建議

1）煤層氣保溫保壓保形取心工具設(shè)計(jì)合理，可行性強(qiáng)，有助于獲取更為全面、真實(shí)的地層巖心資料，解決煤層氣取心“保氣、保形”難的問題。

2）設(shè)計(jì)的圓弧閉合球閥有效克服了球閥關(guān)閉不到位、密封圈出槽問題，密封性顯著提高；復(fù)合式保溫取心內(nèi)筒增設(shè)的隨動(dòng)保形膠膜對(duì)煤心進(jìn)行預(yù)包裹，有效降低了鉆井液對(duì)煤心的污染，為后期煤心的準(zhǔn)確測(cè)試創(chuàng)造了條件。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，煤層氣保溫保壓保形取心工具運(yùn)行平穩(wěn)、性能可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，該工具的成功研制，為正確認(rèn)識(shí)煤層氣地質(zhì)條件提供了技術(shù)支撐。

4）建議加強(qiáng)煤層氣現(xiàn)場(chǎng)保壓取心技術(shù)研究，注重后期保壓巖心的處理技術(shù)和配套機(jī)具的研發(fā)，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。