绳索取芯技术在低煤阶煤层气井钻井施工中的应用

赵庆彬 耿铁鑫 秦伟 李任翔

(大庆油田井下作业公司，黑龙江 163453)

绳索取芯技术在低煤阶煤层气井钻井施工中的应用

赵庆彬 耿铁鑫 秦伟 李任翔

(大庆油田井下作业公司，黑龙江 163453)

海拉尔盆地呼和湖凹陷煤层薄，煤阶低，以褐煤为主，给取芯工作带来很大难度，常规绳索取芯技术已不符合该地区煤层气参数井钻进要求，因此根据呼和湖凹陷地质特征，优选适宜的绳索取芯钻具结构及技术措施。

低煤阶 褐煤 绳索取芯

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

海拉尔盆地呼和湖凹陷煤层气勘探尚属首次，为了准确获取煤层的埋深、厚度、煤阶、煤岩及煤质特性、割理及裂隙发育程度等参数，缩短煤芯装罐时间，精确测算煤层含气量、含气饱和度、等温吸附曲线、渗透率、储层压力、地应力、煤层顶底板岩石物理力学性质等数据，并据此计算区域内煤层气储量，预测产气量，为今后井网部署、钻井工艺优化、压裂改造、排采措施等提供重要理论依据。

1 呼和湖凹陷地层条件

海拉尔盆地呼和湖凹陷储层类型主要包括基岩风化壳、砂岩、凝灰质砂岩和砾岩。伊一段、大二段、南二段是煤层富集的主要层位。伊二+三段的煤层，其顶底板一般均为碳质泥岩，偶见砂砾岩;伊一段的煤层，其顶板多为碳质泥岩和粉砂岩，底板多为泥岩、碳质泥岩和粉砂岩;大二段煤层顶板多为泥岩、碳质泥岩等，底板有碳质泥岩、泥岩和细砂岩等。从实际取芯结果来看，煤层中夹矸多为碳质泥岩;煤层以半暗煤为主，煤体结构破碎，以块状为主，割理不发育，煤阶为褐煤。

2 绳索取芯工具优选

常规绳索取芯采用大口径绳索取芯钻具，钻头采用硬质合金钻头、煤层顶底板使用PDC钻头或三角聚晶钻头、阶梯超前式切削型取芯钻头，钻具外径为215.9mm，内径62mm，岩心直径为60mm(图1)，卡芯机构(图2)采用标准卡箍岩心爪和弹簧片岩心爪，取岩心时内管采用整管，取煤芯时采用半合管，外管上部通过接头直接与φ127mm钻杆连接，必要时在φ127mm钻杆上连接2～3个扶正器。

图1 取芯结构示意图

图2 卡芯机构

通过对呼和湖凹陷地质研究，优选出适合该区域煤层的绳索取芯工具。呼和湖凹陷内煤层煤阶低，煤质疏松、抗水力冲蚀能力低，难以形成煤芯柱，因此采用阶梯超前式切削型取芯钻头;岩心爪采用弹簧片岩心爪，能有效的防止煤芯脱落;煤芯进入内筒后会产生膨胀，内筒如若采用半合管，易发生煤芯胀裂半合管，导致煤芯掉落，因此取芯时采用整管内筒。

钻具组合优选:φ215.9mm阶梯超前式切削型取芯钻头+φ178mm绳索式取芯器+φ127mm钻杆+133.3mm方钻杆，弹簧片岩心爪，整管内筒直径为60mm。钻杆接头水眼不小于82mm，钻杆本体和接头间不能有台阶，钻杆弯曲度不能超过1mm/m。

3 绳索取芯工艺优化

3.1 取芯前准备工作

安装滑轮组，保证在提升筒时能够活动钻具;选用钢丝绳直径8～9mm，有效长度2000mm，通过卡绳器将打捞机构与钢丝绳连接，保证旋转接头在悬垂状态下转动灵活;组装好内筒，调内筒与外筒间隙，仔细检查各部分连接，保证工作安全。

3.2 循环钻井液

钻具下至距井底3～5m处开始循环钻井液，缓慢下放钻具至井底，至少一周，将井底沉砂充分循环干净，清洗井眼，保证井眼畅通，清洗掉钻具内壁的干泥饼，防止投入内筒时遇卡。振动筛选用120目振动筛布，使用离心泵和除砂器。

3.3 取芯钻进

从井口向钻柱内送入内筒，开泵。当泵压升高时说明内筒悬挂座已安全座封在外筒悬挂套上;安全起见，一般使用打捞机构将内筒直接送至悬挂机构，然后使用释放套将打捞机构与矛头脱开。内筒到位后差动机构处伸状态。

下放钻具，施加5～10KN钻压，差动机构收缩，内筒与钻头产生相对位移，此时钻头内的岩心导向套插入到内筒下端，弹簧片岩心爪撑开，这时可以启动转盘进行取芯钻进。在悬挂机构作用下内筒不随外筒旋转，经钻头切削成柱的岩心在岩心导向套的引导下直接进入内筒中。

由于煤层疏松，成柱性差，取芯钻进参数应以“四低”为宜:低钻压、低转速、低排量和低泵压。

取芯钻井过程应根据地质特征，调整相关取芯工程参数，以和煤1井为例(表1)，750m前按原工程参数进行取芯钻进，单筒收获率明显偏低，甚至有空筒情况出现。通过现场总结经验得出，在排量较大的情况下，煤芯在树芯过程中容易被钻井液冲散，造成煤芯无法进入内筒，导致收获率低下。750m后重新调整取芯参数，采取控制减小排量，同时增大钻压和转速，确保在树芯过程中煤芯不被冲散，顺利进入到内筒，保证了取芯收获率(图3)。

表1 和煤1井取芯工程参数调整前后对比

图3 和煤1井单筒取芯收获率

借鉴和煤1井取芯经验，和煤2井调整取芯工程参数，增大钻压和排量，控制转速，减小了树芯过程中钻头对煤芯的磨损(表2)。和煤2井在优化工程参数后，相比和煤1井，取芯收获率与单筒合格率明显增加(图4－6)。

表2 和煤2井优化后取芯工程参数

图4 和煤2井单筒取芯收获率

图5 和煤1井单筒取芯合格率

图6 和煤2井单筒取芯合格率

3.4 割芯

钻完进尺后，上提钻具割芯。割芯时不需磨芯，割芯要一次完成，减少煤芯受挤压缩，防止钻井液长时间冲蚀和浸泡使煤芯损耗，降低收获率。割芯时先停转盘，停泵，上提速度尽可能慢。较硬地层可适当加压后割芯。卡箍岩心爪沿缩径套收缩抱紧岩心并将其拉断，与此同时差动机构在重力的作用下脱开，内筒与钻头产生反向相对位移，岩心导向套从内筒中拉出，而隐蔽的弹簧片岩心爪逐渐伸出完全封住内筒底部将松散破碎的岩心托住，阻止岩心碎块下漏(图7)。和煤1井与和煤2井在割芯过程中，均采取加压后割芯，增加钻压1～2KN。

图7 取芯打捞机构

3.5 打捞内筒

由井口下入打捞机构与内筒的矛头对接，从钢丝绳的松紧程度可判断是否打捞成功，上提即可将内筒捞出。打捞器在钻具内“两头慢、中间快”，即距井口30m内和井底30m上时，缓慢下放、上提，防止震开内筒，打捞时间不超过2min/100m。和煤1井打捞内筒时间，合格率为100%(图8);和煤2井在打捞过程中，发生2次钢丝绳断裂，导致打捞内筒时间超时，合格率仅为95.2%(图9)。

图8 和煤1井打捞内筒时间

图9 和煤2井打捞内筒时间

3.6 取芯装罐

将内筒平放于地面，卸开内筒下端的螺纹，取出岩心，用清水简单清洗后，对岩心进行描述，快速采集25～30cm较完整煤芯装罐，进行现场快速气体解析。从内筒出井口到煤芯装罐时间小于10min。和煤1井与和煤2井装罐时间合格率均为100%(图10，11)。

图10 和煤1井装罐时间

图11 和煤2井装罐时间

4 取得成果

海拉尔盆地呼和湖凹陷运用绳索取芯技术已完成2口煤层气参数井(表3)，收获率均达到设计要求，煤芯成完整柱状结构，夹矸清晰，顶底板完整，煤芯无污染，符合规范要求，为今后低煤阶、构造煤绳索取芯技术提供了宝贵的经验。

表3 现场取芯数据表

5 经验及建议

海拉尔盆地呼和湖凹陷煤阶低，煤质松软，取芯过程中容易造成煤芯破碎掉芯，总结2口参数井绳索取芯经验，提出以下几点建议:

(1)在取芯钻进前钻具下至距井底3～5m处开始循环钻井液，缓慢下放钻具至井底，增加钻井液循环时间，选用120目振动筛布，使用离心泵和除砂器，将井底沉砂充分循环干净，防止投入内筒时遇卡及取芯时将井底沉砂取出。

(2)取芯钻进前检查好取芯设备，钢丝绳是否有断股，岩心爪的弹簧片是否有掉齿，以保证取芯工作的安全性;钻进时每一层煤的第一回次进尺不超过0.5m，以检查取芯工具的可靠性。

(3)取芯钻进时保持钻压平稳，在5cm之内均匀将钻压加到设计值，钻时快要跟上钻压;大泵由三个凡尔减少至一个凡尔，使其在合理范围内减小排量，防止树芯过程中冲掉煤芯;发现泵压升高及时采取措施，如降钻压，提转速等，若泵压不能回落，应立即割芯取出内筒。

(4)减少树芯及割芯时间，减小钻头对煤芯的磨损，防止钻井液长时间冲蚀、浸泡致使煤芯损耗，确保取芯收获率。

［1］雷群，李景明，赵庆波.煤层气勘探开发理论与实践［M］.北京:石油工业出版社，2007.

［2］包贵全.绳索取芯工具与工艺技术研究 ［J］.地质装备，2008，9(1):20－27.

［3］张吉路.绳索取芯钻进工艺在山西吉县煤层气参数井的应用 ［J］.中国煤炭地质，2010，22(增刊):134－136.

［4］郝登峰，石继风，胡向志.绳索取芯技术在煤层气井施工中的应用［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)

赵庆彬，男，学士，助理工程师，从事煤层气钻井工程工作。

(责任编辑 桑逢云)