煤层气绳索取心工艺浅谈

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摘要：WH-B型绳索取心工具及底喷式PDC取心钻头的研制解决了煤层气取心工序复杂、机具不配套问题，降低了生产成本，提高了经济效益。合理的钻进参数和泥浆性能，保证了取心质量和取心率。经过在沁水盆地的推广应用，取得了良好的社会和经济效益。

关键词：煤层气勘探钻井绳索取心效果

Abstract: WH-B-type wire line coring tools and the bottom spray PDC coring drill developed to solve the problem of coalbed methane coring process is complex and not supporting equipment, reduce production costs and improve economic efficiency. Reasonable drilling parameters and mud performance, ensure the the coring quality and take the heart rate. After the popularization and application in the Qinshui basin, achieved good social and economic benefits.

Keywords: CBMExplorationWell drillingWire line coringEffects

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

煤层气是以吸附状态为主（70%-95%）储集在煤层孔隙和裂隙中的非常规天然气。在煤层气勘探开发中，煤层的埋深、厚度、渗透率、储层压力、地应力，煤岩的煤质特征、割理、裂隙发育程度、含气量、含气饱和度、温吸附曲线等，以及煤层顶底板岩石物理力学性质等参数，是决定煤层气开发成败的关键因素，而取出煤心是获取这些参数的主要手段，要提高这些参数准确性，就要有高的岩心收获率、尽可能短的提钻时间、尽可能短的出筒及装罐时间和较好的煤心原始形态，绳索取心技术能够快速的获取煤心，因此绳索取心技术作为不提钻而由特制钻杆捞取岩心的先进方法，因其钻进效率高、劳动强度低、岩心采取率高、取心时间短、岩心完整度和纯洁性好的特点，且满足煤层气取心要求，广泛应用在煤层气勘探开发中。

1绳索取心工具

煤层气勘探与地质探矿不同，大多煤层气勘探井又兼做煤层气开发试验井，因此，一方面要求终孔直径215.9mm，满足抽气试验，另一方面为了获取准确的测试参数，要求煤心直径不小于60mm，块煤取心率收获率≥80%，粉煤取心收获率≥60%。而在一般煤田地质勘探中，终孔直径75-86mm，煤心直径50-60mm，既能满足要求。采用常规地质勘探绳索取心工具进行煤层气探勘，若先取心后扩孔，则费工费时，效率低下；若先成孔后取心，则取心难度大、煤心收获率低，且二者都需要配备两套钻具，经济效益低下，为此，我单位自主研发了既满足要求又经济效益高的WH-B型绳索取心工具和底喷式PDC取心钻头。

WH-B型绳索取心工具外管直径133mm，内管外径78mm，理论取心直径68mm，可直接与直径127mm钻杆配合使用，半合管式设计，可以保证更好的煤心原始形态和更短的装罐时间，满足测试要求。取心钻头外径215.9mm，底喷式设计可以减小钻井液对煤心的冲刷，提高取心率。

2绳索取心工艺

2.1 钻进参数

由于岩层和煤层的物理性质有时悬殊较大，所以在操作上就必须注意掌握正确的技术参数，才能收到事半功倍的效果。通过这段时间的使用和摸索，把直接影响取煤因素的参数概括为三句话，即压力要跟上；转数要尽量低；泵量应适当。

2.1.1 钻压

压力要跟上指在钻进过程中，要缓缓加压直到本回次最后10公分时钻压在原来钻压的基础之上再增加1～2t。在取心钻进中，若钻压跟不上，则会导致岩心树心困难，岩心不能及时进入内筒，延长了钻头对岩心的研磨时间等一系列影响取心收获率的因素。最终可能造成岩心磨损严重而变细，取心爪不能卡住岩心而使岩心丢失，这对煤心收获率的影响甚为严重。取岩心与取煤心时对钻压的要求有很大的差别，具体要求如下：

（1）取岩心时钻压从5t起缓缓加压至7t～8t后稳定钻压，钻至本筒进尺最后20公分时钻压加至10t；割心时停钻上提5公分左右，转3～5圈进行割心。

（2）取煤心时钻压从8t起缓缓加压至9t～10t后稳定钻压，钻至本筒进尺最后20公分时钻压加至11t；割心时停钻上提5公分左右，转3～5圈进行割心。

2.1.2转速

由于煤岩较软，而且不稳定，转速过快对煤层扰动大，易造成掉块，影响取心效果，为了取心作业的保险期间，一般要求取心时应尽量保持低转速不变。

2.1.3排量

在取岩心的过程中，对泵排量没有严格的要求，但泵排量是取煤心的关键因素。由于煤岩胶结差，脆而软，易破碎，容易被泥浆冲掉，因此在取心过程中泵的排量不能太大，否则煤就有被冲掉的危险。在取心过程中，一般要求泵的排量应尽可能的小，取煤心时排量通常控制在360～480L/min较为合适，软煤360～400L/min，硬煤400～480L/min。

2.2泥浆性能

在取心过程中，泥浆就是取心钻进的血液。与岩心和煤心直接接触的就是泥浆，因此泥浆性能的好坏直接影响着取心收获率。泥浆的众多性能中粘度和比重在取心作业中占主导作用。

2.2.1粘度

由于煤岩具有胶结差，脆而软，割理和裂隙相当发育，极易破碎；抗水力冲蚀和摩擦热变能力低；成柱性差，取心时易发生煤心滑动和挤压，树心困难等特性，因此绳索取心时，煤心收获率普遍较低。为了克服煤岩的易破碎、抗冲蚀、树心难的特点，取煤心时就对泥浆粘度提出了严格的要求。若泥浆粘度太低，则会增加泥浆对煤心的冲蚀作用，同时影响树心，最终导致煤岩被水冲掉的危险。正常钻进时的泥浆粘度在20s左右，然而在取煤心时要求泥浆的粘度上调到23s左右。在取煤心过程中，提高泥浆粘度有以下优点：减弱泥浆对煤岩的冲蚀作用、为煤岩的树心提供有利保障、减少了取心钻头对煤心的研磨。

2.2.2比重

在取心过程中要求泥浆的比重不能太大，更重要的是要求泥浆中的固相含量不能过高。泥浆的比重对取心作业的影响主要体现在两方面。一方面，绳索取心设备主要有取心钻头、卡簧、取心内筒、取心外筒组成，其中由于内外筒之间的间隙不大。若泥浆中的固相含量过高，尤其是含有大量的岩屑时会堵塞内外筒之间的间隙。如此一来在上提取心内筒时内外筒之间会产生很大的摩擦力，阻碍了取心内筒的顺利上提，另一方面，泥浆的比重越大，取心筒上部泥浆柱对取心筒产生的压力就越大，从而增加了取心内筒上提的难度。

因此，在取心过程中要严格控制泥浆的比重及固相含量。可以通过安装固相过滤器和振动筛等除砂设备来控制泥浆的比重及固相含量，从而达到顺利上提取心内筒的目的。

3在沁水盆地应用情况

沁水盆地是目前国内开发较为成功的煤层气区块，WH-B型绳索取心工具在该地区广泛应用，并取得了较好的效果。

3.1 地质条件

开孔层位为第四系20-50m，其下为二叠系石千峰组，完钻层位为奥陶系峰峰组，施工中将钻遇石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组、本溪组、峰峰组。其中石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组以砂泥岩为主，上石盒子组顶部有燧石层及硅质岩层。太原组及本溪组为砂泥岩与石灰岩，石灰岩中常含燧石。峰峰组以石灰岩为主，夹有薄层泥岩或泥灰岩及石膏层。主要目的层为3号煤、15号煤,即3号煤底板以下40m，15号煤底板30m，井深400-1200米。

3.2 主要钻井设备及工具

该地区煤层气开发主要使用设备及工具：GZ-2600、GZ-2000、TSJ-2000钻机，27mA/75T型井架，青州350、TBW850、TBW1200泥浆泵，8V190/540HP、12V135/240HP动力机，FZ28-21防喷器，SQC-882气测仪,ZQG-200×2砂泥联除器，VZS-D振动筛，WH-B型绳索取心钻具，165mm无磁钻铤，单点测斜仪，泥浆测试仪等。

3.3钻井工艺

3.3.1井身结构

一开采用φ311mm钻至基岩，下入φ244.5mm表层套管；

二开采用φ215.9mm镶齿牙轮钻至完井，下入φ139.7mm技术套管固井.

3.3.2钻具组合

一开：φ311mm钻头+ф309mm稳定器+φ203钻铤×18m+ф309mm稳定器+φ178钻铤×36m+φ159mm钻铤×54m+方钻杆

二开：Φ215.9mm钻头+φ203mm钻铤×18m+ф214mm稳定器×2m+ф178mm钻铤×36m+ф159mm钻铤×54m+ф127mm钻杆+方钻杆

煤心采取：Φ215.9mmPDC取心钻头+WH-B绳索式半合管工具+Φ127mm（内径94mm）钻杆+方钻杆

3.4钻井液

3.4.1钻井液配制及维护

钻进选用聚丙烯酰胺低固相钻井液，主要材料有:水解聚丙烯酰胺、CMC、钠土粉、纯碱、广谱护壁剂等。配制泥浆之前，膨润土要进行预水化浸泡处理，并充分搅拌。每班设一名泥浆管理员，随时监测调整泥浆性能，检修、维护泥浆净化装置，保证其正常运转，保证冲洗液各项性能指标符合要求。

3.4.2钻井液指标

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

3.4.3工艺参数

冲洗量360-480L/min（6-8L/s），钻压15-25KN,转速40-50rpm。

3.5技术经济效果

经过随机抽取32口煤层气取心井效果分析，一次性完成取心要求30口井，2口井出现事故，采取补采措施完成施工；取心率最高达到100%，最低81%，平均采取率93.5%；煤心产状、结构、夹矸清晰，无污染，装罐时间均小于20min（煤层深度均在1000m以内）；取得了较好的技术效果。

部分块煤、粉煤取心照片

采用该绳索取心工具，可以一次成孔，而且取心率高，简化了生产工序，降低了生产成本，大幅提高了经济效益。

4结论及建议

（1）研制的WH-B型绳索取心工具能够很好的满足煤层气勘探井的需求，简化了施工工序，提高了经济效益。

（2）通过实践证明，配套的钻进参数合理，合适钻压、低排量、低转速有利于提高取心率。

（3）泥浆性能是取心作业顺利的保障，取心前一定要调整好泥浆，并循环两周。

（4）由于取煤心的特殊性，及其特殊的工艺，取心时应特别注意操作细节，做好各项准备工作。

参考文献

[1]华北石油地质局.煤层气译文集.河南科学技术出版社.1990

[2]大港油田.钻井工程技术（中）.石油工艺出版社.1999

[3]孙茂远.中国煤层气产业政策研究.煤炭工业出版社.2002

作者简介：姬利平（1971-），男，1996年毕业于广东佛山煤田学校，现在河南省煤田地质局三队从事煤田勘探工作。