煤层气深井绳索取芯问题与改进

和喜军

（河南省煤田地质局四队，郑州450000）

1 工程实例简介

本井属于预探，设计井深为2 750m，完钻井深2 590m，完钻层位亮甲山组。完井方法为套管完井。经测井验证：完钻层位、井深结构、煤层数据、井深质量及固井质量均符合设计。本井一开采用311.2mm 钻头，二开采用215.9mm 钻头完井。实际钻遇地层为第四系、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组、石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组，太原组本溪组、马家沟组、亮甲山组。其中主要目标层煤层分别位于山西组3 号煤1 635.3～1 636.7m/厚1.4m。4 号煤1647.0～1649.0m/厚2.0m和1 651.8～1 652.8m/厚1m,及8+9 号煤1 709.4～1 716.2m/厚6.8m。取芯设备使用绳索取芯作业，本井共取芯22回次，总取芯进尺75.48m，总岩芯长度71.06m，岩芯收获率94.14%。

2 使用取芯工具及取芯过程中的问题

2.1 绳索取芯工具简介

WH－B 型绳索取芯钻具是针对煤层气参数井施工，研发第二代专用大径差绳索取芯钻具。该类钻具最大优点是利用煤层气施工中常用127mm（5 英寸）石油钻杆或88.9mm（3.5英寸）石油钻杆作绳索取芯钻杆。在煤层气参数井施工中，先用石油钻杆与其他相关钻具装配无芯钻头，高效钻进非目的层段，临近取芯目的层段更换为石油钻杆装配WH-B 型绳索取芯钻具外钻具及取芯钻头这种钻具组合，然后下钻，下钻到离孔底50cm 左右悬停钻具，这时再沿石油钻杆内孔，将绳索取芯内钻具内管总成送入井底绳索取芯外钻具中，从而实现绳索取芯钻进。由于石油钻杆接头壁较大，使取芯钻头内外径差距较大，所以，该类钻具是一种大径差绳索取芯钻具【1】。

2.2 绳索取芯钻具的结构和工作原理

WH-B 型绳索取芯钻具与常规绳索取芯钻具原理和结构上基本相同。整个钻具分绳索岩芯双管和打捞器2 部分。

岩芯管部分由外管总成和内管总成组成，统称双管。外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、悬挂接头、外管、下接头、钻头。内管总成包括捞矛头、弹卡、单动、调节、卡取岩芯及悬挂扶正等机构。几个主要机构工作原理如下。

2.2.1 弹卡定位机构

主要由弹卡架、弹卡钳、弹卡室、弹卡挡头等部件组成。其作用是内管座在外管中时，弹卡钳借助弹簧弹力张开，贴在弹卡室内壁上，上有弹卡挡头，外有回收管，从而在钻进时限制内管向上窜，实现内钻管在外管里面上端定位，为防止磨损，借助弹卡挡头拨叉带动钻具轴承上部随外管旋转，取芯时打捞器打捞钩抓住捞矛头，然后将打捞器、捞矛头通过弹簧提升回收管，迫使弹卡缩回，使内管总成处于自由状态，从而被提升到地面。

2.2.2 单动机构

由2 付或多付推力轴承实现内钻具总成与内管之间单动。

2.2.3 调节机构

内管座入外管中时，由主轴和调节螺母来调整内钻具总长，从而调节卡簧座与钻头内台阶间隙。采取煤芯时，该间隙应保持在2～3mm，泵量200L/min；采取岩芯时，间隙和泵量可适当大一些。

2.2.4 悬挂机构

悬挂环与座环构成悬挂定位机构。内管总成进入外管总成，到达预定位置时，悬挂环坐落在外管总成座环上，使整个内钻具不能再向下移动，从而形成内、外钻具下端定位。上、下定位，保证内、外钻具在钻进过程中相对位置不变【2】。

2.2.5 打捞机构

由打捞钩、捞钩架、重锤等组成。捞取岩芯时打捞器放入钻杆内，靠重锤快速下降，当到达内岩芯管上端时，打捞钩抓住捞矛头，从而把内管提升上来。

2.2.6 安全脱卡机构

由打捞器上安全销和脱卡管组成，捞取岩芯遇阻时可通过绳索绞车提拉钢丝绳，把安全销拉断，或投下脱卡管，罩住打捞钩尾部，使打捞钩端部张开，释放捞矛头，从而使打捞器与内管总成脱离【3】。

在煤层气参数井中使用该类绳索取芯钻具，可以在不更换专用绳索取芯钻杆情况下，实现指定层段快速采取岩（煤）芯；利用大口径不取芯钻头钻进不取芯层段，利用WH-B 型绳索取芯钻具在取芯层段采取岩（煤）芯，可以使所施工钻孔在完成参数井功能的同时，具备生产井功能，提高资源利用率。

本井为我单位煤层气勘探超深钻孔施工中，首次在井深1 500m 以下采用绳索取芯工具进行绳索取芯。在取芯过程中出现以下几种问题：

1）当井深超过1 500m 时，泥浆浮力不能抵消投放内管总成时产生冲击力，冲击力过大造成座环炸裂，引起内管总成卡死、内管总成下行过盈，引起内钻头损坏（内钻头变形后岩心无法进入内管），打捞矛在打捞内管总成时，提拔不动，所以只能割断提引钢丝绳并起大钻，施工效率极低【4】。

2）岩心卡芯困难，易造成岩心缺失，由于本井煤层为块状无烟煤，节理发育，钻取时扰动极易造成煤芯碎裂，而深井取芯采用爪簧，受爪簧簧片硬度及间隔密度影响，容易造成堵芯及岩心消耗，为保证孔内无残留岩心，需无芯钻头扫孔，反复提下钻，降低效率，增加施工成本。

3）在下入打捞矛进行提取内管总成时，一旦遇到内管总成卡死时，需要投放解卡器，而随着井深增加，受下方到钻具内提引钢丝因提升拉力不准确和钢丝绳不同绳段自重影响，造成钢丝绳在钻具内有绳段或松或紧不一而同。这样就出现解卡器投放不到位而无法达到解卡目的【5】。

3 改进方法

1）针对第一个问题，冲击力过大造成座环炸裂，引起内管总成卡死内管总成下行过盈内钻头损坏。通过实践对承托环设计做出改进，通过提高座环受力强度，来克服投放内管总成时产生冲击力过大问题，在后期施工中一直到井深1 750m 取芯任务结束，没有再出现因座环炸裂而引起内管总成卡死、内管总成下行过盈内钻头损坏等情况。改进情况对比如1 图、图2 所示。

图1 座环改进前

图2 座环改进后

2）针对第二个问题，通过热处理调质降低爪簧簧片弹性硬度，并且减少簧片数量、降低间隔密度来解决。

3）针对第三个问题，设计加重型解卡器来克服提引钢丝绳对解卡影响，能够保证解卡器投放到位而实现解卡目的。

4 结语

通过一系列的改进，每次取芯进行检查，并在取芯前调整钻井液的参数，使用绞车将取芯内管送至井底，将解卡器重新加工，确保取芯内管下至孔底时内钻头损坏的情况。在本次钻井取芯中，充分利用绳索取芯钻具在取芯中的优势，降低起下钻的次数，提高取芯采取率，并有效降低取芯成本，为煤田地质勘探单位在煤层气探井超1 500m 深孔绳索取芯有一个新的认识，因为目前最深只达到1 750m，在后续中如果施工超1 750m 钻孔时，再根据实际情况进行持续改进。