山西省古县永乐北区块煤层气井绳索取心难点与对策

李 一，郭岐山，赵倩卿，马振伟

(山西乾通新能源开发集团有限公司， 太原 030012)

0 引言

煤层的含气量、渗透率、含气饱和度、煤体结构，以及煤层顶底板岩石物理力学性质等参数是开展煤层气勘探评价及开发方案优选的关键因素[1-5]。在煤层气勘探初期，高煤岩心采取率、快速提心及最大限度的保证煤岩心原生物理结构是进行煤层含气量测试、顶底板力学性质测试、煤储层物性分析的基础。长期的煤系天然气勘探实践表明，绳索取心技术具有煤岩心采取率普遍较高、煤岩心提心及出心迅速、操作便捷及工程费用低等优势，被广泛应用在煤层气勘探开发中[6]。但我国煤层气田普遍经历了多期构造改造，煤系宏观非均质性较强，煤岩心的物理性质多变，给绳索取心技术提出了很高的要求。不同地质条件下的地区，需经过多环节的取心操作和各项参数的探索过程，从而积累出一套适合本区的绳索取心关键工艺及技术体系。

古县永乐北煤层气勘查区块位于沁水盆地西南缘，经历了多期构造改造，发育南北向的高角度正断层及宽缓褶皱[7-9]。该区煤系受强烈的构造改造，断层附近主力煤层及顶底板岩心破碎明显，绳索取心时易发生掉块、岩心入筒困难等问题，给取心带来很大困难。本项研究以煤层气探井北5井绳索取心工程实践为例，重点分析绳索取心过程中遇到的问题，并详细阐述采取的改进措施，期望工程实践成果为类似地区煤系气绳索取心工程工艺提供借鉴。

1 研究区地质特征及井身设计

1.1 地质特征

本区主要发育地层有：中奥陶系峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，三叠系刘家沟组和第四系。含煤地层主要为太原组和山西组。

1.2 井身设计

北5井位于山西古县永乐北煤层气区块西部，由中煤地质集团有限公司在2020年5月组织施工。本井设计井深900m，预计主力煤层9+10、11号煤层厚度5.05m，煤层埋深823m。需要对主力煤层进行绳索取心作业，以取得该区煤层含气量、煤岩特性及顶底板力学性质等相关参数。

本井设计二开井身结构，一开使用Φ311.2mm钻头，下入Φ244.5mm套管坐入基岩20m。二开使用Φ215.9mm钻头钻至完钻井深，下入Φ139.7mm套管完井。揭开太原组煤层顶板K2灰岩3～5m后开始起钻进行绳索取心作业。

2 岩心采取情况及原因分析

2.1 取心情况

本井钻至太原组818m时开始取心作业。现场使用Φ215.9mm，4刀翼，16mm复合片钻头，WH-B型取心工具。钻井液参数：密度1.05g/cm3，黏度28s。主要工程参数：钻压25～40kN，转速45～60r/min，排量15～20L/s。在取心过程中，分别在第5回次和第7回次发生上提岩心管遇阻现象，现场经过反复上提下放，最终成功提升至井口。回次取心岩性均为石灰岩，收获率见表1，1～10回次为前期取心情况，收获率较低。取出的岩心图样见图1。

图1 破碎岩心照片Figure 1 Crushed cores photo

表1 回次取心统计

2.2 原因分析

从现场取出的岩心判断，岩性为深灰色灰岩，破碎严重。断口较平坦，不规则裂缝发育且有方解石填充。说明该区受构造影响地层较为破碎，岩心进筒困难，未进筒的岩心落入井底易发生磨心，是造成取心收获率低的主要原因。且由于碎岩心落入井底难以循环至地面，因此也会对主力煤层取心收获率造成影响。

使用的取心钻头复合片直径过大，对地层的攻击性强，使本身就破碎的岩心更难进入岩心管内筒。钻井液性能难以维持井壁的稳定，现场判断上部地层存在掉块现象导致岩屑渣掉落于岩心管造成上提困难。

3 煤岩心采取率提高对策

3.1 岩石段取心情况

通过现场取得的岩心情况判断，破碎岩心难以进入取心筒内管且容易掉落井底造成磨心是收获率低的主要原因，因此应首先对井底进行清理。

选用Φ177.8mm捞筒(本体长1.42m)+Φ127mm钻杆组合钻具，下至井底，提离井底30cm开泵循环，然后关泵并缓慢提钻至距离井底70cm，反复3次开停泵。起钻至井口，捞出岩心单体长度3～10cm，累计长度约65cm。

通过分析钻头破岩原理，首次选用的Φ215.9mm，4刀翼16mm复合片钻头对地层的攻击性较大，对破碎地层使岩心更难进入取心筒内管。后选用的Φ177.8mm，8刀翼9mm复合片钻头，更多接触围岩获得支撑，减少钻头对地层的攻击性，能更稳定的切削地层。且该钻头的另一个特点是水眼斜向外侧, 使钻井液不直接冲刷岩心柱表面，进而保证了岩心收获率，最后再进行扩眼作业进而达到井身质量要求。

调整钻井液失水控制在9mL以内，防止过大的失水导致上部地层泥岩段因吸水膨胀导致掉块。并将钻井液密度提至1.07～1.09g/cm3，维持井壁的稳定。由此避免在提升取心筒时再次发生遇阻事故。

通过对钻井参数的探索，针对较为破碎的地层，树心完成后较大的钻压和较低的转速更有利于破碎的岩心进入岩心筒内管。同时在保证携岩的前提下，应降低排量减少钻井液对岩心的冲刷。本井在后续施工中，当使用小钻压树心完成后，钻压逐渐提升至40kN，转速控制在45r/min。排量降低至15L/s。

通过以上技术措施，在剩余回次(11～15)的取心过程中，岩心收获率明显提高(表1)。

3.2 煤层段取心情况

本井取心至827.8m处开始开始钻遇煤层。使用以上技术措施，依然可以保证煤层段较高的取心收获率，但值得注意的是，在本井取心第16回次和第19回次收获率有所降低，而其它回次的收获率基本都能达到100%。从取上来的煤心看，本井钻遇的煤层媒体结构较差，属于碎粒煤。在取心的各回次中，如果钻遇的岩性单一，则收获率不会受到影响。但由于煤层的物理性质和岩层物理性质差异大，因此当一个回次中先钻遇岩层再钻遇煤层时，如果煤体结构较差，则较软的煤层难以将较为坚硬的岩层推入岩心管内筒，煤层容易被冲掉，进而降低取心收获率。而从本井取心的第17回次可以看出，当先钻遇煤层再钻遇岩层，由于先钻遇的煤层已经顺利进入岩心管内筒，不会受到钻井液冲刷，后钻遇的较硬的岩层也容易推动煤心继续进入岩心管，因此收获率未受到影响。所以在即将取到煤层时，现场应仔细操作(表2)。当遇到钻时突然加快，应果断停止取心作业，上提钻具割心。保证本回次的收获率不收影响。

表2 煤层段取心统计

4 结论

1)针对较为破碎的地层取心作业，优选适合的钻头对保证取心收获率至关重要。可选择多刀翼，小直径复合片且水眼喷射方向向外的钻头，减少钻头对地层的冲击性。

2)取心作业前应将钻井液密度调整至设计上限，严格控失水，确保井壁稳定，在确定井筒内满足施工条件后方可进行取心作业。

3)当收获率较低时首先应判断井底是否干净清洁，当多回次收获率较低时，应采取一定措施保证井底清洁后方可继续作业。

4)可使用小钻压树心，后逐步提升钻压，配合低转速、低排量作业，保证岩心顺利进入岩心筒内管。