煤層氣深井繩索取芯問題與改進(jìn)

和喜軍

（河南省煤田地質(zhì)局四隊，鄭州450000）

1 工程實例簡介

本井屬于預(yù)探，設(shè)計井深為2 750m，完鉆井深2 590m，完鉆層位亮甲山組。完井方法為套管完井。經(jīng)測井驗證：完鉆層位、井深結(jié)構(gòu)、煤層數(shù)據(jù)、井深質(zhì)量及固井質(zhì)量均符合設(shè)計。本井一開采用311.2mm 鉆頭，二開采用215.9mm 鉆頭完井。實際鉆遇地層為第四系、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組，太原組本溪組、馬家溝組、亮甲山組。其中主要目標(biāo)層煤層分別位于山西組3 號煤1 635.3～1 636.7m/厚1.4m。4 號煤1647.0～1649.0m/厚2.0m和1 651.8～1 652.8m/厚1m,及8+9 號煤1 709.4～1 716.2m/厚6.8m。取芯設(shè)備使用繩索取芯作業(yè)，本井共取芯22回次，總?cè)⌒具M(jìn)尺75.48m，總巖芯長度71.06m，巖芯收獲率94.14%。

2 使用取芯工具及取芯過程中的問題

2.1 繩索取芯工具簡介

WH－B 型繩索取芯鉆具是針對煤層氣參數(shù)井施工，研發(fā)第二代專用大徑差繩索取芯鉆具。該類鉆具最大優(yōu)點是利用煤層氣施工中常用127mm（5 英寸）石油鉆桿或88.9mm（3.5英寸）石油鉆桿作繩索取芯鉆桿。在煤層氣參數(shù)井施工中，先用石油鉆桿與其他相關(guān)鉆具裝配無芯鉆頭，高效鉆進(jìn)非目的層段，臨近取芯目的層段更換為石油鉆桿裝配WH-B 型繩索取芯鉆具外鉆具及取芯鉆頭這種鉆具組合，然后下鉆，下鉆到離孔底50cm 左右懸停鉆具，這時再沿石油鉆桿內(nèi)孔，將繩索取芯內(nèi)鉆具內(nèi)管總成送入井底繩索取芯外鉆具中，從而實現(xiàn)繩索取芯鉆進(jìn)。由于石油鉆桿接頭壁較大，使取芯鉆頭內(nèi)外徑差距較大，所以，該類鉆具是一種大徑差繩索取芯鉆具【1】。

2.2 繩索取芯鉆具的結(jié)構(gòu)和工作原理

WH-B 型繩索取芯鉆具與常規(guī)繩索取芯鉆具原理和結(jié)構(gòu)上基本相同。整個鉆具分繩索巖芯雙管和打撈器2 部分。

巖芯管部分由外管總成和內(nèi)管總成組成，統(tǒng)稱雙管。外管總成包括彈卡擋頭、彈卡室、懸掛接頭、外管、下接頭、鉆頭。內(nèi)管總成包括撈矛頭、彈卡、單動、調(diào)節(jié)、卡取巖芯及懸掛扶正等機構(gòu)。幾個主要機構(gòu)工作原理如下。

2.2.1 彈卡定位機構(gòu)

主要由彈卡架、彈卡鉗、彈卡室、彈卡擋頭等部件組成。其作用是內(nèi)管座在外管中時，彈卡鉗借助彈簧彈力張開，貼在彈卡室內(nèi)壁上，上有彈卡擋頭，外有回收管，從而在鉆進(jìn)時限制內(nèi)管向上竄，實現(xiàn)內(nèi)鉆管在外管里面上端定位，為防止磨損，借助彈卡擋頭撥叉帶動鉆具軸承上部隨外管旋轉(zhuǎn)，取芯時打撈器打撈鉤抓住撈矛頭，然后將打撈器、撈矛頭通過彈簧提升回收管，迫使彈卡縮回，使內(nèi)管總成處于自由狀態(tài)，從而被提升到地面。

2.2.2 單動機構(gòu)

由2 付或多付推力軸承實現(xiàn)內(nèi)鉆具總成與內(nèi)管之間單動。

2.2.3 調(diào)節(jié)機構(gòu)

內(nèi)管座入外管中時，由主軸和調(diào)節(jié)螺母來調(diào)整內(nèi)鉆具總長，從而調(diào)節(jié)卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階間隙。采取煤芯時，該間隙應(yīng)保持在2～3mm，泵量200L/min；采取巖芯時，間隙和泵量可適當(dāng)大一些。

2.2.4 懸掛機構(gòu)

懸掛環(huán)與座環(huán)構(gòu)成懸掛定位機構(gòu)。內(nèi)管總成進(jìn)入外管總成，到達(dá)預(yù)定位置時，懸掛環(huán)坐落在外管總成座環(huán)上，使整個內(nèi)鉆具不能再向下移動，從而形成內(nèi)、外鉆具下端定位。上、下定位，保證內(nèi)、外鉆具在鉆進(jìn)過程中相對位置不變【2】。

2.2.5 打撈機構(gòu)

由打撈鉤、撈鉤架、重錘等組成。撈取巖芯時打撈器放入鉆桿內(nèi)，靠重錘快速下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)內(nèi)巖芯管上端時，打撈鉤抓住撈矛頭，從而把內(nèi)管提升上來。

2.2.6 安全脫卡機構(gòu)

由打撈器上安全銷和脫卡管組成，撈取巖芯遇阻時可通過繩索絞車提拉鋼絲繩，把安全銷拉斷，或投下脫卡管，罩住打撈鉤尾部，使打撈鉤端部張開，釋放撈矛頭，從而使打撈器與內(nèi)管總成脫離【3】。

在煤層氣參數(shù)井中使用該類繩索取芯鉆具，可以在不更換專用繩索取芯鉆桿情況下，實現(xiàn)指定層段快速采取巖（煤）芯；利用大口徑不取芯鉆頭鉆進(jìn)不取芯層段，利用WH-B 型繩索取芯鉆具在取芯層段采取巖（煤）芯，可以使所施工鉆孔在完成參數(shù)井功能的同時，具備生產(chǎn)井功能，提高資源利用率。

本井為我單位煤層氣勘探超深鉆孔施工中，首次在井深1 500m 以下采用繩索取芯工具進(jìn)行繩索取芯。在取芯過程中出現(xiàn)以下幾種問題：

1）當(dāng)井深超過1 500m 時，泥漿浮力不能抵消投放內(nèi)管總成時產(chǎn)生沖擊力，沖擊力過大造成座環(huán)炸裂，引起內(nèi)管總成卡死、內(nèi)管總成下行過盈，引起內(nèi)鉆頭損壞（內(nèi)鉆頭變形后巖心無法進(jìn)入內(nèi)管），打撈矛在打撈內(nèi)管總成時，提拔不動，所以只能割斷提引鋼絲繩并起大鉆，施工效率極低【4】。

2）巖心卡芯困難，易造成巖心缺失，由于本井煤層為塊狀無煙煤，節(jié)理發(fā)育，鉆取時擾動極易造成煤芯碎裂，而深井取芯采用爪簧，受爪簧簧片硬度及間隔密度影響，容易造成堵芯及巖心消耗，為保證孔內(nèi)無殘留巖心，需無芯鉆頭掃孔，反復(fù)提下鉆，降低效率，增加施工成本。

3）在下入打撈矛進(jìn)行提取內(nèi)管總成時，一旦遇到內(nèi)管總成卡死時，需要投放解卡器，而隨著井深增加，受下方到鉆具內(nèi)提引鋼絲因提升拉力不準(zhǔn)確和鋼絲繩不同繩段自重影響，造成鋼絲繩在鉆具內(nèi)有繩段或松或緊不一而同。這樣就出現(xiàn)解卡器投放不到位而無法達(dá)到解卡目的【5】。

3 改進(jìn)方法

1）針對第一個問題，沖擊力過大造成座環(huán)炸裂，引起內(nèi)管總成卡死內(nèi)管總成下行過盈內(nèi)鉆頭損壞。通過實踐對承托環(huán)設(shè)計做出改進(jìn)，通過提高座環(huán)受力強度，來克服投放內(nèi)管總成時產(chǎn)生沖擊力過大問題，在后期施工中一直到井深1 750m 取芯任務(wù)結(jié)束，沒有再出現(xiàn)因座環(huán)炸裂而引起內(nèi)管總成卡死、內(nèi)管總成下行過盈內(nèi)鉆頭損壞等情況。改進(jìn)情況對比如1 圖、圖2 所示。

圖1 座環(huán)改進(jìn)前

圖2 座環(huán)改進(jìn)后

2）針對第二個問題，通過熱處理調(diào)質(zhì)降低爪簧簧片彈性硬度，并且減少簧片數(shù)量、降低間隔密度來解決。

3）針對第三個問題，設(shè)計加重型解卡器來克服提引鋼絲繩對解卡影響，能夠保證解卡器投放到位而實現(xiàn)解卡目的。

4 結(jié)語

通過一系列的改進(jìn)，每次取芯進(jìn)行檢查，并在取芯前調(diào)整鉆井液的參數(shù)，使用絞車將取芯內(nèi)管送至井底，將解卡器重新加工，確保取芯內(nèi)管下至孔底時內(nèi)鉆頭損壞的情況。在本次鉆井取芯中，充分利用繩索取芯鉆具在取芯中的優(yōu)勢，降低起下鉆的次數(shù)，提高取芯采取率，并有效降低取芯成本，為煤田地質(zhì)勘探單位在煤層氣探井超1 500m 深孔繩索取芯有一個新的認(rèn)識，因為目前最深只達(dá)到1 750m，在后續(xù)中如果施工超1 750m 鉆孔時，再根據(jù)實際情況進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。