繩索取心技術在煤層氣DP1井的應用

孫志和 朱克華 劉超 寧軍 孫天宇 邵帥 付君豪

1.中國石油華北油田公司；2.渤海鉆探第四鉆井工程公司；3.渤海鉆探第五鉆井工程公司；4.渤海鉆探定向井公司

DP1井是部署在河北省滄縣隆起大城凸起構造帶的第一口該區域煤層氣水平勘探井，勘探的主要目的是獲取地質資料，試驗水平井開發中階煤煤層氣的適應性。如何準確獲取煤層的埋深、厚度，安全快速地取出煤心成為本井施工的關鍵。該井采用二開井身結構，先鉆直導眼井落實地質分層情況，取全資料，為水平井鉆進提供基礎數據，再以實際地層情況設計出側鉆水平井軌道，實現準確著陸，并提高水平段煤層鉆遇率，達到求取煤層氣產能地質目的。所鉆遇地層從上到下依次為平原組、明化鎮組、館陶組、石盒子組、山西組、太原組。DP1井的井身結構一開用?311.2 mm鉆頭鉆進至253 m后下入?244.5 mm套管，二開直導眼采用?215.9 mm鉆頭鉆進至1 345 m煤底板，設計取心3層，總進尺40 m，巖心直徑大于60 mm，重點取煤層及其頂、底板位置煤樣。

煤層段取心存在諸多難題，如煤層具有強度低、膠結性差、均質性差、孔隙壓力低、易碎裂、成柱性差等特性［1］，導致取心收獲率低；同時，為了盡量減少甲烷吸附 氣的散失，要求取心時間、起鉆時間和煤心樣品到達地面后裝入密封解吸罐所需時間的總和越短越好。

繩索取心技術是不用起下鉆而由鉆桿內撈取巖心的取心工藝，它具有工具結構簡單、取心效率高、減少煤層氣逸出少、取出巖心質量好等特點［2］。DP1 井成功應用該技術，在最短時間將煤巖取出裝罐［3］，達到了取全、取準煤層參數的目的，為煤層取心提供可借鑒經驗。

1 繩索取心工具的優選及改進

1.1 常規繩索取心工具

繩索取心是在鉆進過程中，當巖心充滿巖心筒后，不需提鉆取巖心，而是以鉆桿為通道，借助于繩索和專用打撈工具，把鉆進過程中貯存于內巖心筒中的巖心提升到孔外的取心鉆進方法，可以極大減少起下鉆具的時間。

繩索取心鉆具的型號很多，規格各異，但其基本結構大同小異，均由外筒總成、內筒總成和打撈器3部分組成。

外筒總成包括彈卡擋頭、彈卡室、穩定接頭（上擴孔器）、外筒、下擴孔器和鉆頭；內筒總成由撈矛頭、彈卡、懸掛環、到位報訊、單動、內筒保護、調節、扶正、內筒、巖心卡取等機構組成。

1.2 繩索取心工具優選

取心鉆頭選用?215.9 mm PDC取心鉆頭，鉆頭內徑60 mm并具備保徑功能。卡心機構采用標準卡箍巖心爪或彈簧片式巖心爪，取砂泥巖時內筒采用整筒，取煤巖時采用半合管，取心外筒直接與鉆桿連接。鉆桿選用G-105鋼級?127 mm鉆桿，鉆桿本體及接頭內不能有臺肩，彎曲度不超過1 mm/m，水眼通徑不小于82 mm，對入井鉆具用?82 mm通徑規逐根通徑。

依據煤層巖性變換巖心爪，若鉆遇煤階低、成巖性好的地層選用彈簧片式巖心爪，有效地防止煤巖脫落；對于煤層巖性疏松的選取籃爪式巖心爪，并選取半合管內筒，防止煤巖進入內筒后出現膨脹堵心、卡心等問題。

1.3 繩索取心工具改進

1.3.1 取心鉆頭 初期使用的取心鉆頭為階梯狀且頂部為連續圓環，適用于松散地層，鉆進砂泥巖時，鉆時慢易造成巖心沖蝕及直徑磨細，割心時巖心爪無法卡住巖心，起出內筒后無巖心。改進后的鉆頭為梭形結構，頂部改為非連續環，齒間設計水槽，將八刀翼4復合片改為六刀翼6復合片結構，增強了攻擊性。同時進行了水眼優化，去除內圓水眼，減少對巖心的沖蝕（見圖1）。

圖1 取心鉆頭Fig.1 Coring bit

1.3.2 巖心爪 目前常用的巖心爪為卡箍式和籃爪式，卡箍式用于成巖性較好地層，松軟地層及煤層選用籃爪式。但在鉆井取心作業中，地層巖性變化大或對地層掌握不準時，容易造成巖心爪失效的情況，卡箍卡不住松散巖心，籃爪割不斷膠結致密的巖心，造成巖心缺失，且籃爪式巖心爪在煤層取心鉆進時出現過疏松煤心［1］未進內筒被沖蝕情況。為增強巖心爪的適用性，將巖心爪合二為一（見圖2），從而提高了巖心爪的通用性。

圖2 巖心爪Fig.2 Core catcher

2 施工過程

2.1 取心前準備

地面管匯及泥漿泵出口加裝濾清器，防止雜物進入循環流程。安裝滑輪組，保證在提升內筒時能夠活動鉆具；打撈絞車選用直徑8～9 mm的鋼絲繩，通過卡繩器將打撈機構與鋼絲繩連接，保證旋轉接頭轉動靈活；組裝好內、外筒并調整內筒距鉆頭內臺肩的間隙3～5 mm。對內筒進行試提放，確保下放到底，與鉆頭間隙保證取心要求，上提無阻卡且保證卡簧在彈卡室的制動功能。

2.2 循環鉆井液

下鉆過程中分段循環鉆井液，遇阻嚴禁硬壓，防止巖屑及軟泥擠入取心外筒。下鉆到底大排量循環鉆井液，將鉆具內壁的濾餅和井底沉砂充分循環清洗干凈，防止投入內筒時在鉆具內遇卡。

取心2次后，根據取出巖心及下放鉆具遇阻情況確定鉆井液排量，防止井下巖心破碎，影響收獲率。煤層取心時采用10～15 L/s排量鉆進，取心2～3次后，應大排量循環鉆井液沖洗攜沙1周。記錄不同排量時的循環泵壓，為判斷內筒是否到位提供依據。

2.3 取心

送入內筒有2種方式：繩索送入與井口投入。發生少量漏失導致鉆具內液面較低時，使用內筒為半合管，宜采用繩索送入方式；未發生漏失時，內筒選用整筒時可采用井口投入方式。內筒到位后，開泵，泵壓升高1 MPa左右說明內筒懸掛座已安全坐封在外筒懸掛套上。

鉆壓選取：若是砂泥巖取心，采用10～20 kN樹心，50～100 kN鉆進；若是松散煤巖取心，則采用開泵、開啟轉盤后快速加壓至60～80 kN鉆進，防止樹心時沖蝕，確保煤巖快速進入內筒［4］。

排量選取：對于膠結致密成巖性好的砂泥巖地層，排量選用20～25 L/s，以有效攜巖為主；對于煤層取心，根據取心煤巖膠結強度及收獲率，及時調整排量，宜選用10～15 L/s或更低排量。

取心長度確定：繩索取心一般每筒長1.3～1.5 m，但在煤層頂底板及煤層取心時宜每筒長0.5～1 m，根據取心收獲率及巖性變化，及時調整鉆進參數。

2.4 割心

常規取心作業割心前需停止鉆進恢復鉆壓，將巖心磨細，停泵后采用大噸位上提拔斷巖心的方式。與常規鉆井取心方式相比，繩索上提力小，繩索取心巖心直徑小，采用間斷轉動轉盤的割心方式［5］，上提割心一般無明顯懸重變化。

2.5 打撈內筒

取心鉆進完成后，從鉆具內用鋼絲繩下入打撈機構與內筒的矛頭對接成功，上提打撈出內筒。打撈器在鉆具內距井口30 m和距井底30 m時要緩慢下放、上提。

內筒遇阻或不到位、遇卡的處理：（1）內筒坐到外筒懸掛座后，才能正常取心，因此投放內筒后，若泵壓沒有變化，不能確認內筒是否坐入卡座的，嚴禁進行取心作業，須起出內筒經檢查后再重新投放，必要時進行起鉆檢查；（2）若內筒打撈成功上提遇卡，經反復上提無效后，則從井口投入解卡器，使打撈機構與內筒分離后，起出打撈機構。開泵大排量循環沖洗內外筒間雜物，間斷高轉速轉動鉆具，使內外筒松動后再次進行打撈內筒作業。

3 應用效果

在DP1井繩索取心共47筒，其中，取心鉆頭和巖心爪改進前取心7筒，巖心收獲率31.58%；改進后取心40筒，巖心收獲率75.68%，收獲率大幅提高（表1）。引用改進后的繩索取心工具，取得了煤層及頂底煤的完整柱狀砂樣結構，巖性清晰，頂底板完整，煤心無污染，達到了地質要求。

表1 工具改進前后DP1井取心質量對比Table 1 Comparison of coring quality before and after the improvement of the tool

4 結論及建議

（1）改進了繩索取心鉆頭結構，對復合片進行設計，增強了攻擊性，提高取心鉆進速度；改進了籃爪式巖心爪，保證疏松煤心快速進筒并防止掉落，提高了鉆井取心收獲率。

（2）取心前做好取心工具內筒與鉆頭間的裝配工作，間隙調整控制在3～5 mm之間；取心工具第1次鉆進進尺不宜超過0.5 m，以檢查取心工具的可靠性；取心鉆進過程中，及時進行巖性變化鉆時分析對比，并調整鉆進參數。