沁水盆地松软煤层大直径绳索取心施工关键技术

张 强，郝世俊，赵永哲，祁宏军，黄 巍

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077)

1 概述

2013ZX－SH－UM15V井为山西省沁水盆地一口煤层气生产直井，需要对钻遇的3号、15号煤层取心，以了解煤层含气量、煤岩特性等，最终确定水平井施工层位及后期排采工作采取的方法。因该区块煤层下部煤质较松软，采用提钻取心钻进，岩心采取率一度很低。为此，在2013ZX－SH－UM15V井的后期施工过程中，采取了全断面钻进与绳索取心相结合的钻进方式，通过反复试验，最终圆满完成了3号、15号煤层取心工作，其中15号煤层岩心采取率达90%以上，取得了良好的效果。

2 2013ZX－SH－UM15V井地质概况及井身结构

本区地层自上而下依次为:第四系、二叠系上统、二叠系下统和石炭系上统。二叠系上统包含石千峰组、上石盒子组。二叠系下统包含下石盒子组、山西组。石炭系上统包含太原组。石炭系中统包含本溪组。奥陶系中统包含峰峰组。本井田主采煤层为3号、15号煤层，其中3号煤层位于山西组底部，平均厚度为6.04 m。15号煤层位于太原组一段底部，平均厚度为 2.67 m［1］。

2013ZX－SH－UM15V井位于河道边上，表层主要为砂石、鹅卵石地层，钻孔漏失，地层出水量大。一开需要穿越表层进入稳定基岩10 m后，下入表层套管，封隔表层水及砂石、鹅卵石不稳定地层。二开根据取心要求分五段钻进。第一段，正常钻进至3号煤层上部10 m处;第二段，从3号煤层上部10 m处开始更换取心钻具，取心钻进至3号煤层底板下1 m处;第三段，从3号煤层底板下部1 m处正常钻进至15号煤层上部4 m处;第四段，从15号煤层上部4 m处，更换取心钻具，取心钻进至15号煤底板下1 m;第五段，从15号煤层底板下1 m处，正常钻进至15号煤层底板下30 m处。2013ZX－SHUM15V井井身结构参数见表1。

3 钻井设备选择

2013ZX－SH－UM15V井选择的主要钻井设备见表2。

表1 2013ZX－SH－UM15V井井身结构参数

表2 2013ZX－SH－UM15V井主要钻井设备

4 松软煤层取心关键技术

图1 WH－B215×74型绳索取心钻具结构示意

2013ZX－SH－UM15V井钻遇的3号、15号煤层中下部煤质较软，坚固系数为0.6～0.8。当钻进时，煤层周围应力急剧改变，其坚固系数急剧下降，取出的煤样见图2。因本次施工采用的是非常规尺寸的绳索取心钻具组合，在地质情况复杂且没有施工经验与技术标准的情况下，通过不断摸索不断调整最终在3号煤层底部及15号煤层取心钻进时，岩心采取率＞90%，满足取心技术指标。表3为摸索试验取心过程中钻进参数对应的岩心采取率。在摸索钻进参数的同时，分析了绳索取心钻具结构，针对松软煤层取心可以进一步改进绳索取心钻具结构。

图2 2013ZX－SH－UM15V井钻遇的3号、15号煤层中下部煤样

4．1 钻进参数的选择

在2013ZX－SH－UM15V井施工过程中，通过不断试验摸索，发现钻压增大有利于岩心成型而顺利进入岩心内管，转速减小能够减小钻头对即将进入岩心内管的岩心段的扰动，保证岩心的完整性，泵量减小能够减小钻井液对岩心的冲蚀作用，有利于岩心采取率的提高。因此钻压从70 kN增加到120 kN，转速从40 r/min降低到20 r/min，泵量在满足排屑的条件下，从12 L/s减小到3 L/s，能够有效完成取心指标。

4．2 钻井液的选择

2013ZX－SH－UM15V井3号、15号煤层中下部松软易分散，且煤层中存在夹矸，煤层底部为高碳质泥岩与铝质泥岩，具有很强的遇水膨胀性。钻井液满足携粉、护壁、冷却钻头同时要对岩心具有一定的保护作用。因此需改善钻井液的性能，保证钻井液有合适的粘度、良好的流动性与剪切稀释特性。选用的配方为:清水+膨润土+SPNH+CMC+KCl。该钻井液体系拥有良好的泥页岩水化抑制性和较低的失水量，漏斗粘度达到40 s，失水量 ＜8 mL/30 min，密度 ＜1.2 g/cm3。

表3 3号、15号煤层绳索取心钻进参数与岩心采取率

4．3 取心钻头的选择

图3 215.9 mm PDC取心钻头

图4 215.9 mm的孕镶金刚石取心钻头

4．4 卡簧的选择与使用

针对2013ZX－SH－UM15V井煤层松软破碎的情况，采用了图5所示的爪簧。爪簧因其特殊的结构，有利于托住岩心与及时卡断岩心，以防止出现岩心脱落。使用时，每回次内管下井前，检查爪簧簧片的弹性强度及爪簧的闭合性，以保证岩心能够顺利进入且不存在岩心脱落现象。在保证冲洗液通道合理、岩心能够顺利进入岩心管的前提下保证爪簧座与钻头的间隙为7 mm，爪簧自由内径比钻头内径小0.2～0.3 mm。

4．5 岩心内管的选择

2013ZX－SH－UM15V井施工中开始采用无缝管岩心管(见图6)，从岩心管内取出岩心时，经常需要用重物振击岩心筒，这样本身松软的岩心出筒后更加松散，减小岩样的选择范围，降低地质资料的完整性。后期采取半合管岩心管(见图7)，取心时，卸掉卡簧座，分开吻合的半合管后便可顺利取出完整岩心，省时省力的同时保证了取心指标的高效完成。

图5 松软煤层绳索取心用的爪簧

图6 无缝管岩心管

图7 半合管岩心管

4．6 组装取心钻具

连接组装绳索取心钻具前应在地面检查各个部件是否有效可靠，对活动部件进行涂抹油脂保养。连接内管总成时保证:(1)捞矛头自由状态时在内管总成顶部保持竖直，以便打捞器入井能够顺利连接捞矛头;(2)组装好弹卡机构后，拉拽捞矛头保证弹卡能够顺利收回;(3)拧紧调长机构的调节螺母，以防倒扣，防止内管总成在外管中上下顶死;(4)单动轴承装配时，不能过紧，也不能过松，以用手转动灵活、不晃动为好，轴承装配完毕后，应通过黄油嘴向轴承注油，轴承套内需装满黄油。连接完内管总成后装入外管总成，调整内外管的配合间隙，最好找一块相同尺寸的岩心以验证钻头内径、爪簧、爪簧座是否配合恰当。完成后用打捞器试打捞内管总成，以验证打捞器，脱卡管，内管总成的弹卡是否工作正常。确保地面试验无误后再入井工作［2］。

4．7 钻进取心与割心

取心钻进时，严格按照给定的钻进参数匀速送钻，为保证岩心采取率，回次进尺＜1.3 m，钻进期间严禁上提。回次钻进结束后向下压一下钻具，同时保持开泵，慢转8～10圈，以割断岩心。

4．8 打捞岩心

打捞器在地面组装完毕后，认真检查打捞器与钢丝绳连接是否可靠，打捞器的捞钩架是否灵活可靠，且不向一边偏斜。同时根据井深标记好钢丝绳的入井长度，以便判断打捞器是否到位。

钢丝绳悬吊打捞器放入钻杆柱内以1.5～2.0 m/s的速度快速下降，打捞器到底后用手提拉或者用绞车轻轻提拉以感觉是否抓住捞矛头，待确定抓住捞矛头后，先以绞车低挡慢速提拉岩心内管至脱离外管后，再以小于50 m/min的速度提出岩心内管。

5 结论与建议

(1)针对松软煤层取心钻进，通过对钻进参数的正交试验，最终确定钻压120 kN，转速20 r/min，泵量3 L/s的合理钻进参数。

(2)针对松软煤层取心钻进，要求钻井液的漏斗粘度达到40 s，失水量为8 mL/30 min，密度＜1.2 g/cm3，具有一定的泥页岩水化抑制性。

(3)选用大直径孕镶金刚石取心钻头，半合管岩心筒，爪簧，配合适当的绳索取心操作规程能够有效的完成取心指标。

［1］ 吴光亮．寺河矿煤层气井的揭露与剖析［J］．现代矿业，2011，(5):83－84．

［2］ 姚彤宝，张春林，刘晓刚，等．大口径绳索取心钻具在特厚软煤中的取心应用［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2012，39(12):25－28．

［3］ 王志强．大口径绳索取心钻进工艺在孝义XB－003煤层气钻孔中的应用［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2009，36(S1):95－99．

［4］ 毛志新．保德区块煤层气丛式井快速钻井技术研究［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2012，39(2):12 －14．

［5］ 包贵全．煤层气钻井工程中几个重点技术问题的探讨［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2007，34(12):4 －8．

［6］ 李云峰．沁水盆地煤层气参数井钻井工艺［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2006，33(9):55 －57．

［7］ 颜丙宏，夏宗清，崔玉朝，等．煤层气参数井绳索取心施工工艺［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2008，35(2):19 －20．

［8］ 郭礼士．浅析软煤及煤层气钻探取样工具的结构特征［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2011，38(12):39 －42．