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雜、機具不配套問題，降低了生產成本，提高了經濟效益。合理的鉆進參數和泥漿性能，保證了取心質量和取心率。經過在沁水盆地的推廣應用，取得了良好的社會和經濟效益。

　　關鍵詞：發表煤礦開采論文,煤層氣勘探,鉆井,繩索取心,效果

　　煤層氣是以吸附狀態為主(70%-95%)儲集在煤層孔隙和裂隙中的非常規天然氣。在煤層氣勘探開發中，煤層的埋深、厚度、滲透率、儲層壓力、地應力，煤巖的煤質特征、割理、裂隙發育程度、含氣量、含氣飽和度、溫吸附曲線等，以及煤層頂底板巖石物理力學性質等參數，是決定煤層氣開發成敗的關鍵因素，而取出煤心是獲取這些參數的主要手段，要提高這些參數準確性，就要有高的巖心收獲率、盡可能短的提鉆時間、盡可能短的出筒及裝罐時間和較好的煤心原始形態，繩索取心技術能夠快速的獲取煤心，因此繩索取心技術作為不提鉆而由特制鉆桿撈取巖心的先進方法，因其鉆進效率高、勞動強度低、巖心采取率高、取心時間短、巖心完整度和純潔性好的特點，且滿足煤層氣取心要求，廣泛應用在煤層氣勘探開發中。

　　1 繩索取心工具

　　煤層氣勘探與地質探礦不同，大多煤層氣勘探井又兼做煤層氣開發試驗井，因此，一方面要求終孔直徑215.9mm，滿足抽氣試驗，另一方面為了獲取準確的測試參數，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。采用常規地質勘探繩索取心工具進行煤層氣探勘，若先取心后擴孔，則費工費時，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，經濟效益低下，為此，我單位自主研發了既滿足要求又經濟效益高的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，半合管式設計，可以保證更好的煤心原始形態和更短的裝罐時間，滿足測試要求。取心鉆頭外徑215.9mm，底噴式設計可以減小鉆井液對煤心的沖刷，提高取心率。

　　2 繩索取心工藝

　　2.1 鉆進參數

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

　　2.1.1 鉆壓

　　壓力要跟上指在鉆進過程中，要緩緩加壓直到本回次最后10公分時鉆壓在原來鉆壓的基礎之上再增加1～2t。在取心鉆進中，若鉆壓跟不上，則會導致巖心樹心困難，巖心不能及時進入內筒，延長了鉆頭對巖心的研磨時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重而變細，取心爪不能卡住巖心而使巖心丟失，這對煤心收獲率的影響甚為嚴重。取巖心與取煤心時對鉆壓的要求有很大的差別，具體要求如下：

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

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

　　2.1.2 轉速

　　由于煤巖較軟，而且不穩定，轉速過快對煤層擾動大，易造成掉塊，影響取心效果，為了取心作業的保險期間，一般要求取心時應盡量保持低轉速不變。

　　2.1.3排量

　　在取巖心的過程中，對泵排量沒有嚴格的要求，但泵排量是取煤心的關鍵因素。由于煤巖膠結差，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。在取心過程中，一般要求泵的排量應盡可能的小，取煤心時排量通常控制在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中占主導作用。

　　2.2.1 粘度

　　由于煤巖具有膠結差，脆而軟，割理和裂隙相當發育，極易破碎;抗水力沖蝕和摩擦熱變能力低;成柱性差，取心時易發生煤心滑動和擠壓，樹心困難等特性，因此繩索取心時，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，取煤心時就對泥漿粘度提出了嚴格的要求。若泥漿粘度太低，則會增加泥漿對煤心的沖蝕作用，同時影響樹心，最終導致煤巖被水沖掉的危險。正常鉆進時的泥漿粘度在20s左右，然而在取煤心時要求泥漿的粘度上調到23s左右。在取煤心過程中，提高泥漿粘度有以下優點：減弱泥漿對煤巖的沖蝕作用、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。泥漿的比重對取心作業的影響主要體現在兩方面。一方面，繩索取心設備主要有取心鉆頭、卡簧、取心內筒、取心外筒組成，其中由于內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會堵塞內外筒之間的間隙。如此一來在上提取心內筒時內外筒之間會產生很大的摩擦力，阻礙了取心內筒的順利上提，另一方面，泥漿的比重越大，取心筒上部泥漿柱對取心筒產生的壓力就越大，從而增加了取心內筒上提的難度。

　　因此，在取心過程中要嚴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篩等除砂設備來控制泥漿的比重及固相含量，從而達到順利上提取心內筒的目的。

　　3 在沁水盆地應用情況

　　沁水盆地是目前國內開發較為成功的煤層氣區塊，WH-B型繩索取心工具在該地區廣泛應用，并取得了較好的效果。

　　3.1 地質條件

　　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巖層。太原組及本溪組為砂泥巖與石灰巖，石灰巖中常含燧石。峰峰組以石灰巖為主，夾有薄層泥巖或泥灰巖及石膏層。主要目的層為3號煤、15號煤,即3號煤底板以下40m，15號煤底板30m，井深400-1200米。

　　3.2 主要鉆井設備及工具

　　該地區煤層氣開發主要使用設備及工具：GZ-2600、GZ-2000、TSJ-2000鉆機，27mA/75T型井架，青州350、TBW850、TBW1200泥漿泵，8V190/540HP、12V135/240HP動力機，FZ28-21防噴器，SQC-882氣測儀,ZQG-200×2砂泥聯除器，VZS-D振動篩，WH-B型繩索取心鉆具，165mm無磁鉆鋌，單點測斜儀，泥漿測試儀等。

　　3.3鉆井工藝

　　3.3.1井身結構

　　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技術套管固井.

　　3.3.2鉆具組合

　　一開：φ311mm鉆頭+ф309mm穩定器+φ203鉆鋌×18m+ф309mm穩定器+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(內徑94mm)鉆桿+方鉆桿

　　3.4鉆井液

　　3.4.1鉆井液配制及維護

　　鉆進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、廣譜護壁劑等。配制泥漿之前，膨潤土要進行預水化浸泡處理，并充分攪拌。每班設一名泥漿管理員，隨時監測調整泥漿性能，檢修、維護泥漿凈化裝置，保證其正常運轉，保證沖洗液各項性能指標符合要求。

　　3.4.2鉆井液指標

　　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

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

　　3.5技術經濟效果

　　經過隨機抽取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口井出現事故，采取補采措施完成施工;取心率最高達到100%，最低81%，平均采取率93.5%;煤心產狀、結構、夾矸清晰，無污染，裝罐時間均小于20min(煤層深度均在1000m以內);取得了較好的技術效果。

　　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，簡化了生產工序，降低了生產成本，大幅提高了經濟效益。

　　4 結論及建議

　　(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，提高了經濟效益。

　　(2)通過實踐證明，配套的鉆進參數合理，合適鉆壓、低排量、低轉速有利于提高取心率。

　　(3)泥漿性能是取心作業順利的保障，取心前一定要調整好泥漿，并循環兩周。

　　(4)由于取煤心的特殊性，及其特殊的工藝，取心時應特別注意操作細節，做好各項準備工作。

　　參考文獻

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