摘要：WH-B型繩索取心工具及底噴式PDC取心鉆頭的研制解決了煤層氣取心工序復(fù)雜、機(jī)具不配套問題，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。合理的鉆進(jìn)參數(shù)和泥漿性能，保證了取心質(zhì)量和取心率。經(jīng)過在沁水盆地的推廣應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞：發(fā)表煤礦開采論文,煤層氣勘探,鉆井,繩索取心,效果

　　煤層氣是以吸附狀態(tài)為主(70%-95%)儲(chǔ)集在煤層孔隙和裂隙中的非常規(guī)天然氣。在煤層氣勘探開發(fā)中，煤層的埋深、厚度、滲透率、儲(chǔ)層壓力、地應(yīng)力，煤巖的煤質(zhì)特征、割理、裂隙發(fā)育程度、含氣量、含氣飽和度、溫吸附曲線等，以及煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)，是決定煤層氣開發(fā)成敗的關(guān)鍵因素，而取出煤心是獲取這些參數(shù)的主要手段，要提高這些參數(shù)準(zhǔn)確性，就要有高的巖心收獲率、盡可能短的提鉆時(shí)間、盡可能短的出筒及裝罐時(shí)間和較好的煤心原始形態(tài)，繩索取心技術(shù)能夠快速的獲取煤心，因此繩索取心技術(shù)作為不提鉆而由特制鉆桿撈取巖心的先進(jìn)方法，因其鉆進(jìn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、巖心采取率高、取心時(shí)間短、巖心完整度和純潔性好的特點(diǎn)，且滿足煤層氣取心要求，廣泛應(yīng)用在煤層氣勘探開發(fā)中。

　　1 繩索取心工具

　　煤層氣勘探與地質(zhì)探礦不同，大多煤層氣勘探井又兼做煤層氣開發(fā)試驗(yàn)井，因此，一方面要求終孔直徑215.9mm，滿足抽氣試驗(yàn)，另一方面為了獲取準(zhǔn)確的測試參數(shù)，要求煤心直徑不小于60mm，塊煤取心率收獲率≥80%，粉煤取心收獲率≥60%。而在一般煤田地質(zhì)勘探中，終孔直徑75-86mm，煤心直徑50-60mm，既能滿足要求。采用常規(guī)地質(zhì)勘探繩索取心工具進(jìn)行煤層氣探勘，若先取心后擴(kuò)孔，則費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率低下;若先成孔后取心，則取心難度大、煤心收獲率低，且二者都需要配備兩套鉆具，經(jīng)濟(jì)效益低下，為此，我單位自主研發(fā)了既滿足要求又經(jīng)濟(jì)效益高的WH-B型繩索取心工具和底噴式PDC取心鉆頭。

　　WH-B型繩索取心工具外管直徑133mm，內(nèi)管外徑78mm，理論取心直徑68mm，可直接與直徑127mm鉆桿配合使用，半合管式設(shè)計(jì)，可以保證更好的煤心原始形態(tài)和更短的裝罐時(shí)間，滿足測試要求。取心鉆頭外徑215.9mm，底噴式設(shè)計(jì)可以減小鉆井液對(duì)煤心的沖刷，提高取心率。

　　2 繩索取心工藝

　　2.1 鉆進(jìn)參數(shù)

　　由于巖層和煤層的物理性質(zhì)有時(shí)懸殊較大，所以在操作上就必須注意掌握正確的技術(shù)參數(shù)，才能收到事半功倍的效果。通過這段時(shí)間的使用和摸索，把直接影響取煤因素的參數(shù)概括為三句話，即壓力要跟上;轉(zhuǎn)數(shù)要盡量低;泵量應(yīng)適當(dāng)。

　　2.1.1 鉆壓

　　壓力要跟上指在鉆進(jìn)過程中，要緩緩加壓直到本回次最后10公分時(shí)鉆壓在原來鉆壓的基礎(chǔ)之上再增加1～2t。在取心鉆進(jìn)中，若鉆壓跟不上，則會(huì)導(dǎo)致巖心樹心困難，巖心不能及時(shí)進(jìn)入內(nèi)筒，延長了鉆頭對(duì)巖心的研磨時(shí)間等一系列影響取心收獲率的因素。最終可能造成巖心磨損嚴(yán)重而變細(xì)，取心爪不能卡住巖心而使巖心丟失，這對(duì)煤心收獲率的影響甚為嚴(yán)重。取巖心與取煤心時(shí)對(duì)鉆壓的要求有很大的差別，具體要求如下：

　　(1)取巖心時(shí)鉆壓從5t起緩緩加壓至7t～8t后穩(wěn)定鉆壓，鉆至本筒進(jìn)尺最后20公分時(shí)鉆壓加至10t;割心時(shí)停鉆上提5公分左右，轉(zhuǎn)3～5圈進(jìn)行割心。

　　(2)取煤心時(shí)鉆壓從8t起緩緩加壓至9t～10t后穩(wěn)定鉆壓，鉆至本筒進(jìn)尺最后20公分時(shí)鉆壓加至11t;割心時(shí)停鉆上提5公分左右，轉(zhuǎn)3～5圈進(jìn)行割心。

　　2.1.2 轉(zhuǎn)速

　　由于煤巖較軟，而且不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速過快對(duì)煤層擾動(dòng)大，易造成掉塊，影響取心效果，為了取心作業(yè)的保險(xiǎn)期間，一般要求取心時(shí)應(yīng)盡量保持低轉(zhuǎn)速不變。

　　2.1.3排量

　　在取巖心的過程中，對(duì)泵排量沒有嚴(yán)格的要求，但泵排量是取煤心的關(guān)鍵因素。由于煤巖膠結(jié)差，脆而軟，易破碎，容易被泥漿沖掉，因此在取心過程中泵的排量不能太大，否則煤就有被沖掉的危險(xiǎn)。在取心過程中，一般要求泵的排量應(yīng)盡可能的小，取煤心時(shí)排量通常控制在360～480L/min較為合適，軟煤360～400L/min，硬煤400～480L/min。

　　2.2泥漿性能

　　在取心過程中，泥漿就是取心鉆進(jìn)的血液。與巖心和煤心直接接觸的就是泥漿，因此泥漿性能的好壞直接影響著取心收獲率。泥漿的眾多性能中粘度和比重在取心作業(yè)中占主導(dǎo)作用。

　　2.2.1 粘度

　　由于煤巖具有膠結(jié)差，脆而軟，割理和裂隙相當(dāng)發(fā)育，極易破碎;抗水力沖蝕和摩擦熱變能力低;成柱性差，取心時(shí)易發(fā)生煤心滑動(dòng)和擠壓，樹心困難等特性，因此繩索取心時(shí)，煤心收獲率普遍較低。為了克服煤巖的易破碎、抗沖蝕、樹心難的特點(diǎn)，取煤心時(shí)就對(duì)泥漿粘度提出了嚴(yán)格的要求。若泥漿粘度太低，則會(huì)增加泥漿對(duì)煤心的沖蝕作用，同時(shí)影響樹心，最終導(dǎo)致煤巖被水沖掉的危險(xiǎn)。正常鉆進(jìn)時(shí)的泥漿粘度在20s左右，然而在取煤心時(shí)要求泥漿的粘度上調(diào)到23s左右。在取煤心過程中，提高泥漿粘度有以下優(yōu)點(diǎn)：減弱泥漿對(duì)煤巖的沖蝕作用、為煤巖的樹心提供有利保障、減少了取心鉆頭對(duì)煤心的研磨。

　　2.2.2比重

　　在取心過程中要求泥漿的比重不能太大，更重要的是要求泥漿中的固相含量不能過高。泥漿的比重對(duì)取心作業(yè)的影響主要體現(xiàn)在兩方面。一方面，繩索取心設(shè)備主要有取心鉆頭、卡簧、取心內(nèi)筒、取心外筒組成，其中由于內(nèi)外筒之間的間隙不大。若泥漿中的固相含量過高，尤其是含有大量的巖屑時(shí)會(huì)堵塞內(nèi)外筒之間的間隙。如此一來在上提取心內(nèi)筒時(shí)內(nèi)外筒之間會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，阻礙了取心內(nèi)筒的順利上提，另一方面，泥漿的比重越大，取心筒上部泥漿柱對(duì)取心筒產(chǎn)生的壓力就越大，從而增加了取心內(nèi)筒上提的難度。

　　因此，在取心過程中要嚴(yán)格控制泥漿的比重及固相含量。可以通過安裝固相過濾器和振動(dòng)篩等除砂設(shè)備來控制泥漿的比重及固相含量，從而達(dá)到順利上提取心內(nèi)筒的目的。

　　3 在沁水盆地應(yīng)用情況

　　沁水盆地是目前國內(nèi)開發(fā)較為成功的煤層氣區(qū)塊，WH-B型繩索取心工具在該地區(qū)廣泛應(yīng)用，并取得了較好的效果。

　　3.1 地質(zhì)條件

　　開孔層位為第四系20-50m，其下為二疊系石千峰組，完鉆層位為奧陶系峰峰組，施工中將鉆遇石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組、本溪組、峰峰組。其中石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組以砂泥巖為主，上石盒子組頂部有燧石層及硅質(zhì)巖層。太原組及本溪組為砂泥巖與石灰?guī)r，石灰?guī)r中常含燧石。峰峰組以石灰?guī)r為主，夾有薄層泥巖或泥灰?guī)r及石膏層。主要目的層為3號(hào)煤、15號(hào)煤,即3號(hào)煤底板以下40m，15號(hào)煤底板30m，井深400-1200米。

　　3.2 主要鉆井設(shè)備及工具

　　該地區(qū)煤層氣開發(fā)主要使用設(shè)備及工具：GZ-2600、GZ-2000、TSJ-2000鉆機(jī)，27mA/75T型井架，青州350、TBW850、TBW1200泥漿泵，8V190/540HP、12V135/240HP動(dòng)力機(jī)，F(xiàn)Z28-21防噴器，SQC-882氣測儀,ZQG-200×2砂泥聯(lián)除器，VZS-D振動(dòng)篩，WH-B型繩索取心鉆具，165mm無磁鉆鋌，單點(diǎn)測斜儀，泥漿測試儀等。

　　3.3鉆井工藝

　　3.3.1井身結(jié)構(gòu)

　　一開采用φ311mm鉆至基巖，下入φ244.5mm表層套管;

　　二開采用φ215.9mm鑲齒牙輪鉆至完井，下入φ139.7mm技術(shù)套管固井.

　　3.3.2鉆具組合

　　一開：φ311mm鉆頭+ф309mm穩(wěn)定器+φ203鉆鋌×18m+ф309mm穩(wěn)定器+φ178鉆鋌×36m+φ159mm鉆鋌×54m+方鉆桿

　　二開：Φ215.9mm鉆頭+φ203mm鉆鋌×18m+ф214mm穩(wěn)定器×2m+ф178mm鉆鋌×36m+ф159mm鉆鋌×54m+ф127mm鉆桿+方鉆桿

　　煤心采取：Φ215.9mmPDC取心鉆頭+WH-B繩索式半合管工具+Φ127mm(內(nèi)徑94mm)鉆桿+方鉆桿

　　3.4鉆井液

　　3.4.1鉆井液配制及維護(hù)

　　鉆進(jìn)選用聚丙烯酰胺低固相鉆井液，主要材料有:水解聚丙烯酰胺、CMC、鈉土粉、純堿、廣譜護(hù)壁劑等。配制泥漿之前，膨潤土要進(jìn)行預(yù)水化浸泡處理，并充分?jǐn)嚢琛Ｃ堪嘣O(shè)一名泥漿管理員，隨時(shí)監(jiān)測調(diào)整泥漿性能，檢修、維護(hù)泥漿凈化裝置，保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證沖洗液各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。

　　3.4.2鉆井液指標(biāo)

　　粘度23S，pH值7-8，比重1.04，失水30L/30min，含砂<1%。

　　3.4.3工藝參數(shù)

　　沖洗量360-480L/min(6-8L/s)，鉆壓15-25KN,轉(zhuǎn)速40-50rpm。

　　3.5技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

　　經(jīng)過隨機(jī)抽取32口煤層氣取心井效果分析，一次性完成取心要求30口井，2口井出現(xiàn)事故，采取補(bǔ)采措施完成施工;取心率最高達(dá)到100%，最低81%，平均采取率93.5%;煤心產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、夾矸清晰，無污染，裝罐時(shí)間均小于20min(煤層深度均在1000m以內(nèi));取得了較好的技術(shù)效果。

　　部分塊煤、粉煤取心照片

　　采用該繩索取心工具，可以一次成孔，而且取心率高，簡化了生產(chǎn)工序，降低了生產(chǎn)成本，大幅提高了經(jīng)濟(jì)效益。

　　4 結(jié)論及建議

　　(1)研制的WH-B型繩索取心工具能夠很好的滿足煤層氣勘探井的需求，簡化了施工工序，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

　　(2)通過實(shí)踐證明，配套的鉆進(jìn)參數(shù)合理，合適鉆壓、低排量、低轉(zhuǎn)速有利于提高取心率。

　　(3)泥漿性能是取心作業(yè)順利的保障，取心前一定要調(diào)整好泥漿，并循環(huán)兩周。

　　(4)由于取煤心的特殊性，及其特殊的工藝，取心時(shí)應(yīng)特別注意操作細(xì)節(jié)，做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

　　參考文獻(xiàn)

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