姚彤寶，張春林，劉曉剛

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查總院，北京100039)

1 工程概述

HB01－V1井為我院2011年底獨(dú)立完成的一口煤層氣參數(shù)井+生產(chǎn)井。該井位于河南省鶴壁市山城區(qū)石林鎮(zhèn)李古道村，根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，取心層段為山西組二1煤及其頂?shù)装迳舷赂?0 m，要求煤心收獲率≮75%，巖心收獲率≮90%，煤(巖)心直徑≥68 mm，取心時(shí)間在15 min之內(nèi)(自打煤結(jié)束至煤心提出井口)。其目的是獲取儲(chǔ)層、儲(chǔ)藏參數(shù)，主要包括：二1煤埋深、厚度、煤巖及煤質(zhì)、煤層含氣量、成分、含氣飽和度、蘭氏體積、蘭氏壓力，儲(chǔ)層壓力及壓力梯度、應(yīng)力及應(yīng)力梯度、滲透率、儲(chǔ)層溫度以及頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)等。

該井設(shè)計(jì)井深837 m，完井方法為鋼套管+玻璃鋼套管擴(kuò)眼完井。井身設(shè)計(jì)為二開結(jié)構(gòu)(見圖1)：一開φ311 mm開孔，下入φ244.5 mm表層套管并封固至地表;二開采用φ215.9 mm鉆具鉆進(jìn)和取心，下入φ177.8 mm生產(chǎn)套管(含玻璃鋼套管)并封固至二1煤層頂板之上250 m以淺，并在煤層玻璃鋼套管層段依照設(shè)計(jì)擴(kuò)眼、造洞穴。全井要求全角變化率≤1.50°/30 m、最大井斜≤2.50°、井底水平位移≤20 m。

圖1 HB01－V1井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

本井實(shí)際完井井深805.5 m，完成設(shè)計(jì)地質(zhì)及工程設(shè)計(jì)要求，完井井身質(zhì)量較好。

一開鉆進(jìn)對(duì)鉆井液性能不做強(qiáng)制要求，鉆井液配制以防塌、防漏、保證正常鉆進(jìn)、提高鉆效為目的;二開煤系上覆地層原則上要求采用優(yōu)質(zhì)低固相鉆井液鉆進(jìn)，鉆井液密度≯1.05 g/cm3，鉆進(jìn)時(shí)適當(dāng)加入防塌處理劑，以及加入絮凝劑提升巖屑上返能力，達(dá)到安全鉆進(jìn)的目的;鉆進(jìn)至目的煤層二1煤頂板以上10 m至底板以下10 m，在保證鉆井安全與煤層采取率的前提下，要求原則上清水鉆進(jìn)。

2 大口徑繩索取心設(shè)計(jì)

2.1 大口徑繩索取心鉆具

根據(jù)本次地質(zhì)取心要求和實(shí)際工作情況，采用了平頂山五環(huán)實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的WH－B215×74型大口徑繩索取心鉆具(見圖2)。該套鉆具外管徑向尺寸為φ127 mm×11 mm，內(nèi)管尺寸為φ89 mm×5 mm，鉆具外管總長(zhǎng)3 m，內(nèi)管長(zhǎng)1.5 m。鉆具上、下端分別為可與φ127 mm鉆桿和φ215.9 mm鉆頭直接連接的API標(biāo)準(zhǔn)扣型。內(nèi)管在取煤心時(shí)可選用半合管。卡取煤(巖)心時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選用卡簧或爪簧。

圖2 WH－B215×74型繩索取心鉆具

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(dòng)、調(diào)節(jié)、卡取巖心及懸掛扶正等機(jī)構(gòu)。幾個(gè)主要機(jī)構(gòu)工作原理如下。

2.1.1 彈卡機(jī)構(gòu)

主要由彈卡架、彈卡等部件組成。其作用是內(nèi)管坐在外管內(nèi)時(shí)彈卡借助張簧的彈力張開，貼在彈卡室的內(nèi)壁上，上有彈卡擋頭，外有回收管，從而在鉆進(jìn)時(shí)限制內(nèi)管向上竄，為了防止磨損，借助彈卡擋頭的撥叉帶動(dòng)鉆具軸承上部隨外管旋轉(zhuǎn)，取心時(shí)打撈器的打撈鉤抓住撈矛頭，提升打撈器、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)，從而被提離外管進(jìn)而至地表。

2.1.2 單動(dòng)機(jī)構(gòu)

由2副推力軸承實(shí)現(xiàn)鉆具內(nèi)外管的單動(dòng)。

2.1.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

內(nèi)管總成坐在外管總成內(nèi)時(shí)，由下軸和螺母調(diào)節(jié)卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階間的間隙，保證在2～3 mm。

2.1.4 懸掛機(jī)構(gòu)

在懸掛接頭下端有一個(gè)可拆卸的懸掛環(huán)，內(nèi)管總成到達(dá)預(yù)定的位置時(shí)，坐在外管總成的座環(huán)上。

2.1.5 打撈及脫卡機(jī)構(gòu)

由打撈鉤、打撈架、重錘和脫卡管等組成。撈取巖心時(shí)打撈器放入鉆桿內(nèi)，靠重錘快速下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)內(nèi)管上端時(shí)，打撈鉤抓住撈矛頭，從而把內(nèi)管提升上來。而當(dāng)撈取煤巖心遇阻時(shí)，可通過繩索絞車提拉鋼絲繩把安全銷拉斷或投下脫卡管釋放撈矛頭的方式使打撈器與內(nèi)管總成脫離，實(shí)現(xiàn)脫卡。

2.2 繩索取心鉆頭

本井采用φ215.9 mm PDC復(fù)合片取心鉆頭。鉆頭總體為階梯形結(jié)構(gòu)，即切削齒以一定排列呈階梯超前形克取地層。鉆頭的當(dāng)量階梯高度分別為10和15 mm，有效地增加了破碎巖石的自由面。但鉆頭內(nèi)徑較小，僅為φ75 mm，因而鉆頭底唇面相對(duì)較大，在破碎巖石時(shí)需較大鉆壓，這不利于井斜的控制和煤巖心采取率的提高。

2.3 煤層氣井繩索取心要求

(1)為確保煤層含氣量測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，取心內(nèi)管從提心開始至出井口時(shí)間要求小于2 min/100 m，煤樣到達(dá)地面后必須在10 min內(nèi)按煤層剖面順序裝入解析罐并迅速密封。

(2)為減少煤心的氣體損失，取心提鉆時(shí)，應(yīng)使鉆井液盡可能地充滿井筒，并盡可能地縮短煤心在空氣中的暴露時(shí)間。

(3)為保證煤心采取率，回次進(jìn)尺應(yīng)控制在1.0 m以內(nèi)。

(4)煤心采取要做到煤層結(jié)構(gòu)清楚、煤心不污染、不燃燒變質(zhì)、不混入雜質(zhì)，順序不能顛倒。

(5)為避免鉆井液沖刷煤心，取心鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)采用低泵量鉆進(jìn)。

3 HB01－V1井地質(zhì)條件

本井鉆遇地層自上而下為第四系(Q4)、第三系鶴壁組(N2h)、二疊系上石盒子組(P2s)、下石盒子組(P1x)、山西組(P1s)和石炭系太原組(C3t)，具體情況見表1。

表1 HB01－V1井鉆遇地層

鶴壁六礦是鶴壁礦區(qū)煤與瓦斯突出最為嚴(yán)重的礦井，二1煤為其單一主采煤層，平均厚度約8 m，全區(qū)煤層厚度變化小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造煤發(fā)育，造成煤層周圍地應(yīng)力改變后煤層機(jī)構(gòu)極易破壞而呈粉狀，甚至粒狀。煤層正常區(qū)段堅(jiān)固性系數(shù)可達(dá)0.6以上，當(dāng)應(yīng)力條件一旦改變，其堅(jiān)固性系數(shù)急劇下降。全區(qū)來看，二1煤為低灰、低硫、高發(fā)熱量貧煤，呈半亮～亮型，顆粒～粉狀，灰黑～黑灰色，局部可見條痕、植物莖葉化石;二1煤性脆、膠結(jié)松散，為軟～極軟煤。HB01－V1井預(yù)計(jì)煤厚9.0 m，測(cè)井解釋煤厚為10.17 m。

4 大口徑繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)

由于歷史客觀原因，臨近井資料參考價(jià)值較低，且非取心層段采用無巖心鉆進(jìn)、地層中亦無明顯標(biāo)志層，致使本井無法準(zhǔn)確確定取心鉆進(jìn)井深或?qū)游?。鑒于上述原因，本井施工過程中，密切觀察巖屑錄井和氣測(cè)錄井結(jié)果，結(jié)合實(shí)鉆情況和區(qū)域地質(zhì)，與甲方商定后自井深726.34 m處換鉆取心(設(shè)計(jì)取心層段753.00～782.00 m)。

4.1 取心鉆具組合及工藝參數(shù)

取心鉆具組合：φ215.9 mm取心鉆頭+繩索取心鉆具+φ127 mm鉆桿。

工藝參數(shù)：沖洗量10～15 L/s，鉆壓15～25 kN，轉(zhuǎn)速30～60 r/min;巖心段每次進(jìn)尺≯1.5 m，煤心段每次進(jìn)尺≯1.0 m。

4.2 取心保障措施

4.2.1 場(chǎng)地和人員

井場(chǎng)專門騰出一塊場(chǎng)地，用于拆裝繩索取心工具和煤巖樣的清洗、丈量、照相等。

取心作業(yè)前技術(shù)交底，明確分工，責(zé)任到人，確保安全、準(zhǔn)確、及時(shí)。

夜間作業(yè)時(shí)，鉆臺(tái)、場(chǎng)地照明充分。

4.2.2 組裝與保養(yǎng)

為了確保取心鉆具在井下動(dòng)作可靠、有效，需在地表做好鉆具的組裝與保養(yǎng)工作。首先，應(yīng)按照裝配圖分別組裝好內(nèi)、外管總成和打撈器，并對(duì)鉆具的主要零件進(jìn)行認(rèn)真檢查;然后，把內(nèi)管總成裝入外管總成中，調(diào)整內(nèi)外管的長(zhǎng)度配合，并用打撈器試撈內(nèi)管總成，經(jīng)確認(rèn)合乎要求后，方能下孔使用?，F(xiàn)場(chǎng)組裝外管總成、內(nèi)管總成和打撈器的關(guān)鍵步驟和要求如下。

(1)外管總成的組裝：①裝入座環(huán)和扶正環(huán)時(shí)，應(yīng)放平擺正且用手推入，禁止用任何鐵器敲擊，以防損傷螺紋或使座環(huán)或扶正環(huán)變形，影響內(nèi)管的升降;②外管的彎曲度應(yīng)小于0.30 mm/m，否則應(yīng)進(jìn)行矯直;③外管總成上所有螺紋聯(lián)接處，要涂絲扣油并上緊。

(2)內(nèi)管總成的組裝：①檢查撈矛頭是否完整;②組裝彈卡機(jī)構(gòu)時(shí)，先將回收管套于彈卡架上，再通過回收管和彈卡架的槽，裝入彈卡和張簧，最后通過回收管的裝配孔把彈性銷打入;③裝好的彈卡動(dòng)作應(yīng)靈活，用手輕輕拉動(dòng)撈矛頭、回收管即可使彈卡縮回，此時(shí)彈卡兩翼間距應(yīng)小于或等于回收管直徑;推下回收管，彈卡應(yīng)立即張開，兩翼間距大于彈卡室內(nèi)徑;④所有彈性銷要裝正，其開口方向應(yīng)一致，且不能有晃動(dòng)現(xiàn)象;⑤緩沖彈簧的鎖母適當(dāng)鎖緊;⑥擰緊調(diào)長(zhǎng)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)螺母，以防倒扣，防止內(nèi)管總成在外管中上下頂死;⑦單動(dòng)軸承裝配時(shí)，不能過緊，也不能過松，以用手轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、不晃動(dòng)為好，軸承裝配完畢后，應(yīng)通過黃油嘴向軸承注油，軸承套內(nèi)需裝滿黃油;⑧卡簧座、內(nèi)管和內(nèi)管總成的上部連接必須同軸;⑨擰緊卡簧座并配好卡簧，一般卡簧的自由內(nèi)徑應(yīng)比鉆頭內(nèi)徑小0.2～1.5 mm。

(3)打撈器的組裝：①打撈鉤安裝時(shí)聯(lián)接需可靠，且不能向一側(cè)偏斜;②打撈器下部彈卡動(dòng)作應(yīng)靈活可靠。

將內(nèi)管總成裝入外管總成時(shí)，需認(rèn)真調(diào)節(jié)彈卡與彈卡擋頭頂面的間隙和卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階間隙。本次取心作業(yè)中，將彈卡與彈卡擋頭的頂面的間隙調(diào)為6 mm，卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階的間隙調(diào)至3～5 mm。同時(shí)，需保證內(nèi)管總成牢固地卡住在外管總成中，不能自彈卡擋頭端自由地倒出，只有使用打撈器才能順利撈出。

另外，為了保證正常使用鉆具，必須經(jīng)常檢查鉆具，特別是針對(duì)彈卡、彈簧、單動(dòng)軸承等關(guān)鍵部件，做好經(jīng)常性的維護(hù)和保養(yǎng)，及時(shí)涂抹油脂，必要時(shí)拆開更換。

4.2.3 下鉆

下鉆前，再次確認(rèn)入井鉆具各結(jié)構(gòu)聯(lián)接是否可靠、適當(dāng)，取心鉆頭與鉆具配合合理與否。

逐根檢查入井鉆桿內(nèi)是否有雜物、異物，確保打撈器和取心管順利通過。

及時(shí)觀察并記錄井筒內(nèi)液面高度，必要時(shí)需回注鉆井液。

嚴(yán)格控制下放速度，認(rèn)真記錄并分析鉆具下放過程不正常情況的深度、原因等，為降低鉆井液等對(duì)軟煤層的擾動(dòng)、沖刷，在距煤層5～10 m處循環(huán)鉆井液(避免在煤層段內(nèi)循環(huán))。

取心內(nèi)管應(yīng)由撈矛器吊送至井底，并在繩索絞車上標(biāo)記好下入井內(nèi)鋼絲繩的位置，避免鋼絲繩打結(jié)、跳槽。

取心管吊入井底后，循環(huán)鉆井液并適速回轉(zhuǎn)，確保其就位后方可取心鉆進(jìn)。

4.2.4 鉆進(jìn)

鉆進(jìn)前，轉(zhuǎn)速、排量、鉆井液性能調(diào)整到設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

正常鉆進(jìn)時(shí)，送鉆均勻，保持設(shè)計(jì)的鉆進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)禁中途停泵、提鉆。

鉆時(shí)變快或變慢時(shí)，進(jìn)尺0.2～0.3 m后及時(shí)撈取巖心，確定地層變化。

4.2.5 割心

本井施工過程中，巖心取心段采用停泵后回轉(zhuǎn)割心辦法。若煤層段也采用這種方案，將可能造成局部煤心的燒變，不利于準(zhǔn)確獲得煤層相關(guān)參數(shù)，且考慮本井煤層為松散、粒狀的軟煤，煤層內(nèi)割心方案：爪簧卡心+不停泵+回轉(zhuǎn)(20～30 s)。

4.2.6 撈心

采用動(dòng)力頭鉆機(jī)時(shí)，可將整個(gè)鉆柱適當(dāng)提升至井口便于地面操作合適位置后卡死，然后投入打撈器。

為避免鋼絲繩打結(jié)，應(yīng)控制絞車下放速度，并觀察絞車上的井深標(biāo)記，下放適量的鋼絲繩以確保打撈住取心管。

在上提初期，宜將絞車調(diào)至低速擋，通過反復(fù)切換其正反轉(zhuǎn)，使得絞車具有較大的拉力將取心管拔出，當(dāng)明顯觀察到鋼絲繩拉力變小后，可將絞車調(diào)至較高擋位。

撈心過程注意觀察井內(nèi)液面，必要時(shí)回注鉆井液。

4.3 取心效果

本井實(shí)際取心層段為726.34～747.68 m，長(zhǎng)21.34 m，其中煤層10.28 m(鉆探)，共取心23回次，其中煤層取心13回次。收獲煤巖心總長(zhǎng)18.97 m，其中煤心8.58 m、巖心10.39 m;煤心采取率83.46%，巖心采取率93.94%。整井取心效果受到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督和甲方的高度評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語

大口徑繩索取心鉆具在HB01－V1井的應(yīng)用表明，該套取心工具結(jié)構(gòu)合理，組裝簡(jiǎn)便，性能穩(wěn)定，使用可靠，取心效果好，完全適應(yīng)煤層氣參數(shù)井取心要求。對(duì)于特厚軟煤中取心，在嚴(yán)控鉆進(jìn)工藝參數(shù)的同時(shí)，回次進(jìn)尺宜控制在0.7 m左右。這不僅能保證煤心的成柱性，從而提高采取率，也能滿足煤層氣現(xiàn)場(chǎng)解析或室內(nèi)分析瓦斯樣(單罐約需0.3 m煤樣)的要求。另外，通過密切觀察井下鉆進(jìn)情況在地面機(jī)具上的反應(yīng)，及時(shí)調(diào)整取心鉆具內(nèi)外管間隙或卡簧的形式，能夠有效防止取心作業(yè)中的空管現(xiàn)象。

［1］ 王志強(qiáng).大口徑繩索取心鉆進(jìn)工藝在孝義XB－003煤層氣鉆孔中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1)：95－99.

［2］ 尹中山，胡勛茂.四川煤層氣井施工的問題與對(duì)策［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(2)：4 －8.

［3］ 毛志新.保德區(qū)塊煤層氣叢式井快速鉆井技術(shù)研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(2)：12 －14.

［4］ 郭禮士.淺析軟煤及煤層氣鉆探取樣工具的結(jié)構(gòu)特征［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(12)：39 －42.

［5］ 李云峰.沁水盆地煤層氣參數(shù)井鉆井工藝［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006，33(9)：55 －57.

［6］ 包貴全.煤層氣鉆井工程中幾個(gè)重點(diǎn)技術(shù)問題的探討［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(12)：4 －8.

［7］ 顏丙宏，夏宗清，崔玉朝，等.煤層氣參數(shù)井繩索取心施工工藝［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(2)：19 －20

［8］ 曾鐵軍，左明星，徐培武.煤層氣鉆井技術(shù)的應(yīng)用研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，32(11)：48 －50.

［9］ 王永法，唐振偉.鶴煤公司六礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析［J］.中州煤炭，2010(2)：83－85.