提高煤心收獲率的研究與應(yīng)用

黃 鑫， 洪 毅， 盧林祝， 張 磊

(1長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 2湖北省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊(duì) 3中國(guó)石油塔里木油田公司輪南油氣開(kāi)發(fā)部油氣藏地質(zhì)研究所)

黑龍江鶴崗盆地和雞西盆地主要含煤地層位于白堊系城子河組。鶴崗盆地的城子河組巖性主要為灰白色、粗砂巖、細(xì)礫巖、灰黑色粉砂巖并含有豐富的多層厚煤層；雞西盆地的城子河組巖性主要為灰白色、細(xì)砂巖、灰黑色粉砂巖和煤層[1]。煤層收獲率一般要大于等于75%才能滿足鉆井取心的要求，從兩盆地歷年煤層取心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，煤心收獲率不高，煤心成柱形差，多為粉煤。而煤心收獲率低將直接影響著該區(qū)域煤礦資源的評(píng)價(jià)，影響著煤層氣資源儲(chǔ)量準(zhǔn)確性的計(jì)算，從而在一定程度上限制了煤炭和煤層氣資源的勘查與開(kāi)發(fā)[3]。因此研究和解決煤心收獲率低的問(wèn)題，對(duì)雞西和鶴崗地區(qū)的資源勘查和開(kāi)發(fā)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、煤心收獲率低原因分析

雞西和鶴崗盆地城子河組的煤巖相對(duì)于該地層的其它巖石，巖性較軟，膠結(jié)程度低，鉆時(shí)快，如果用鉆取普通巖心的方法來(lái)鉆取煤心，特別是鉆取粉煤，很容易導(dǎo)致煤心收獲率偏低。兩盆地的煤心收獲率低主要來(lái)源于地質(zhì)因素和工程因素兩方面[4]。

1. 地質(zhì)因素

煤心膠結(jié)性差，松散難成柱狀，一般表現(xiàn)為塊狀、碎屑狀、粉粒狀。煤心的溶蝕性較大，尤其以粉煤更為明顯，容易被鉆井液溶蝕或沖洗。

2. 工程因素

(1)鉆進(jìn)參數(shù)不合理。鉆壓過(guò)大，鉆速過(guò)快，鉆具發(fā)生激烈振動(dòng)甚至跳鉆，使煤心受到強(qiáng)烈的力學(xué)破壞，導(dǎo)致對(duì)煤心磨損嚴(yán)重；泥漿泵的排量過(guò)大，泵壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鉆井液的流量和流速增加，從而會(huì)加大對(duì)煤心的沖刷力，加劇對(duì)煤心的沖毀程度。

(2)司鉆操作不當(dāng)。提鉆取心過(guò)早或者提鉆過(guò)猛導(dǎo)致煤心易破碎和折斷；選取的取心鉆具不匹配如卡簧抓心松動(dòng)易造成煤心出現(xiàn)脫落的問(wèn)題；延長(zhǎng)取心回次長(zhǎng)度使得煤心被擠壓、破碎而不易進(jìn)入取心內(nèi)管。

二、提高煤心收獲率解決措施

地質(zhì)因素難以避免，主要從工程因素研究解決措施[5]，以繩索取心鉆具(單動(dòng)雙管)為例[6]。

1. 優(yōu)化改進(jìn)取心鉆具結(jié)構(gòu)

繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)主要由外管總成和內(nèi)管總成組成，對(duì)鉆頭、內(nèi)管、卡取裝置、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 鉆頭

根據(jù)以往鉆頭使用情況分析得知[7-8]，使用的底噴式鉆頭的水口水路存在缺陷。新改進(jìn)的底噴式鉆頭在水眼處設(shè)置一道“隔水墻”，鉆井液從鉆桿內(nèi)流向巖心外管與內(nèi)管之間的環(huán)空間隙，再到鉆頭的“隔水墻”，使得鉆井液的流向一分為二并且水壓力在此處大大降低，大部分鉆井液流進(jìn)水眼出鉆頭，并且適當(dāng)增加水眼的個(gè)數(shù)和增大水眼的面積，防止水眼因個(gè)數(shù)少、面積小易被巖屑顆粒堵住通道，剩余的少量鉆井液從鉆頭內(nèi)壁斜臺(tái)與卡簧座之間縫隙流出鉆頭。由于鉆井液水壓力的降低和流量的減少，對(duì)煤心沖刷能力就會(huì)減小，煤心的收獲率會(huì)提高，改進(jìn)后的鉆頭如圖1。

圖1 新改進(jìn)的底噴式鉆頭(水眼8個(gè))

1.2 內(nèi)管

改進(jìn)的取心內(nèi)管采用半合管結(jié)構(gòu)，即由巖心管軸線加工成兩個(gè)半管。相比單一的內(nèi)管而言，半合管可以更好的保持煤心的原始狀態(tài)(特別是粉煤)，方便取出煤心，也便于錄井工作人員獲取相對(duì)準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)。半合管的內(nèi)壁采用鍍鉻處理,厚度約0.05 mm，半合管內(nèi)壁的光滑程度會(huì)提高，減少煤心進(jìn)入半合管的摩擦力,進(jìn)而提高煤心的收獲率。

1.3 煤心卡取裝置

改進(jìn)煤心卡取裝置主要從卡簧和卡簧座著手，見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 兩種不同功用的卡簧

圖2(a)的卡簧只能卡住完整的巖心柱子，而對(duì)煤塊、粉煤難以發(fā)揮它應(yīng)有的作用，圖2(b)的卡簧只能單純的卡住煤塊或者粉煤，但很難卡住完整的巖心柱子，且卡簧片容易被巖心折斷。將兩種卡簧巧妙地組合在一起，這樣既能卡住完整的巖心柱子，也能防止煤塊、粉煤脫離巖心內(nèi)管。

圖3 改進(jìn)前的卡簧座(上)和改進(jìn)后的卡簧座(下)

改進(jìn)前的卡簧座底部水口高度約8 mm,通過(guò)加工改進(jìn)將水口基本磨平，這種細(xì)微改進(jìn)也減少了鉆井液對(duì)煤心的沖刷。

1.4 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要包括鎖緊片、調(diào)節(jié)螺母和可調(diào)螺桿?？烧{(diào)螺桿進(jìn)入外管接頭的深度控制鉆頭內(nèi)壁斜臺(tái)與卡簧座之間的間隙，而間隙的大小直接決定了鉆井液對(duì)煤心的沖刷程度。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和流體力學(xué)理論得知[9-11]：鉆遇軟煤時(shí)，間隙調(diào)整一般為0.5～1.0 mm；鉆取硬煤時(shí)，間隙調(diào)整一般為1.0～2.0 mm；其它情況時(shí)，間隙調(diào)整一般為2～4 mm或者大于4 mm。這樣使得大部分鉆井液從鉆頭的水眼流出，減少了鉆井液對(duì)煤心的沖刷。

2. 合理調(diào)控鉆進(jìn)參數(shù)

煤層取心鉆進(jìn)參數(shù)，應(yīng)根據(jù)煤層的性質(zhì)、井深、鉆井液性能及采煤器的種類具體調(diào)控，一般原則是鉆壓不宜過(guò)大，轉(zhuǎn)速不能過(guò)快，泥漿泵排量不宜過(guò)多。

結(jié)合實(shí)際繩索取心采煤經(jīng)驗(yàn)，鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓6～8 kN，轉(zhuǎn)速90～150 r/min，泵量80～120 L/min，鉆井液馬氏漏斗黏度20～25 s，鉆井液密度1.04～1.07 g/cm3。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將優(yōu)化改進(jìn)后的繩索取心鉆具分別在雞西和鶴崗兩地的井場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，合理調(diào)控鉆進(jìn)參數(shù)，取心操作嚴(yán)格按照采煤的規(guī)章制度執(zhí)行，科學(xué)規(guī)范化管理，在4口煤層氣井的不同采煤層段得到了很好的驗(yàn)證，見(jiàn)表1。

表1 各井煤層取心數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

針對(duì)薄煤層(小于1.3 m)、中厚煤層(1.3～3.5 m)、厚煤層(大于3.5 m)，會(huì)根據(jù)實(shí)際地層情況合理控制回次進(jìn)尺，取心煤層屬于純塊煤，煤心收獲率達(dá)到92%以上；取心煤層屬于粉煤，煤心收獲率達(dá)到83%以上，均滿足取心的質(zhì)量要求。

四、結(jié)論

(1)煤心收獲率低的原因不是單一的，在實(shí)際鉆進(jìn)取心過(guò)程中，它往往是由于多個(gè)因素的疊加造成的。導(dǎo)致煤心收獲率低整體分為地質(zhì)因素和工程因素，只有在充分掌握地質(zhì)因素的前提下，才能正確解決工程因素上的難題，從而提高煤心收獲率。

(2)從工程因素上提高煤心收獲率，必須先合理調(diào)控好鉆井液性能，確保井壁穩(wěn)定，這是取好煤心的必要條件；然后根據(jù)實(shí)際地層和工程施工情況，合理選擇繩索取心鉆具和調(diào)控鉆進(jìn)參數(shù)，這是提高煤心收獲率的關(guān)鍵。

(3)通過(guò)在雞西和鶴崗盆地的實(shí)際應(yīng)用，煤心收獲率在一定程度上得到了較大提高，特別是粉煤的煤心收獲率，達(dá)到83%以上，滿足取心的質(zhì)量要求，這也為所在井區(qū)的煤層結(jié)構(gòu)、煤層氣含量數(shù)據(jù)的確定提供了有力的實(shí)物支撐。