李 一，郭岐山，趙倩卿，馬振偉

(山西乾通新能源開發(fā)集團有限公司， 太原 030012)

0 引言

煤層的含氣量、滲透率、含氣飽和度、煤體結(jié)構(gòu)，以及煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)是開展煤層氣勘探評價及開發(fā)方案優(yōu)選的關(guān)鍵因素[1-5]。在煤層氣勘探初期，高煤巖心采取率、快速提心及最大限度的保證煤巖心原生物理結(jié)構(gòu)是進行煤層含氣量測試、頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)測試、煤儲層物性分析的基礎(chǔ)。長期的煤系天然氣勘探實踐表明，繩索取心技術(shù)具有煤巖心采取率普遍較高、煤巖心提心及出心迅速、操作便捷及工程費用低等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在煤層氣勘探開發(fā)中[6]。但我國煤層氣田普遍經(jīng)歷了多期構(gòu)造改造，煤系宏觀非均質(zhì)性較強，煤巖心的物理性質(zhì)多變，給繩索取心技術(shù)提出了很高的要求。不同地質(zhì)條件下的地區(qū)，需經(jīng)過多環(huán)節(jié)的取心操作和各項參數(shù)的探索過程，從而積累出一套適合本區(qū)的繩索取心關(guān)鍵工藝及技術(shù)體系。

古縣永樂北煤層氣勘查區(qū)塊位于沁水盆地西南緣，經(jīng)歷了多期構(gòu)造改造，發(fā)育南北向的高角度正斷層及寬緩褶皺[7-9]。該區(qū)煤系受強烈的構(gòu)造改造，斷層附近主力煤層及頂?shù)装鍘r心破碎明顯，繩索取心時易發(fā)生掉塊、巖心入筒困難等問題，給取心帶來很大困難。本項研究以煤層氣探井北5井繩索取心工程實踐為例，重點分析繩索取心過程中遇到的問題，并詳細闡述采取的改進措施，期望工程實踐成果為類似地區(qū)煤系氣繩索取心工程工藝提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征及井身設(shè)計

1.1 地質(zhì)特征

本區(qū)主要發(fā)育地層有：中奧陶系峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組和第四系。含煤地層主要為太原組和山西組。

1.2 井身設(shè)計

北5井位于山西古縣永樂北煤層氣區(qū)塊西部，由中煤地質(zhì)集團有限公司在2020年5月組織施工。本井設(shè)計井深900m，預(yù)計主力煤層9+10、11號煤層厚度5.05m，煤層埋深823m。需要對主力煤層進行繩索取心作業(yè)，以取得該區(qū)煤層含氣量、煤巖特性及頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)等相關(guān)參數(shù)。

本井設(shè)計二開井身結(jié)構(gòu)，一開使用Φ311.2mm鉆頭，下入Φ244.5mm套管坐入基巖20m。二開使用Φ215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深，下入Φ139.7mm套管完井。揭開太原組煤層頂板K2灰?guī)r3～5m后開始起鉆進行繩索取心作業(yè)。

2 巖心采取情況及原因分析

2.1 取心情況

本井鉆至太原組818m時開始取心作業(yè)。現(xiàn)場使用Φ215.9mm，4刀翼，16mm復(fù)合片鉆頭，WH-B型取心工具。鉆井液參數(shù)：密度1.05g/cm3，黏度28s。主要工程參數(shù)：鉆壓25～40kN，轉(zhuǎn)速45～60r/min，排量15～20L/s。在取心過程中，分別在第5回次和第7回次發(fā)生上提巖心管遇阻現(xiàn)象，現(xiàn)場經(jīng)過反復(fù)上提下放，最終成功提升至井口?；卮稳⌒膸r性均為石灰?guī)r，收獲率見表1，1～10回次為前期取心情況，收獲率較低。取出的巖心圖樣見圖1。

圖1 破碎巖心照片F(xiàn)igure 1 Crushed cores photo

表1 回次取心統(tǒng)計

2.2 原因分析

從現(xiàn)場取出的巖心判斷，巖性為深灰色灰?guī)r，破碎嚴重。斷口較平坦，不規(guī)則裂縫發(fā)育且有方解石填充。說明該區(qū)受構(gòu)造影響地層較為破碎，巖心進筒困難，未進筒的巖心落入井底易發(fā)生磨心，是造成取心收獲率低的主要原因。且由于碎巖心落入井底難以循環(huán)至地面，因此也會對主力煤層取心收獲率造成影響。

使用的取心鉆頭復(fù)合片直徑過大，對地層的攻擊性強，使本身就破碎的巖心更難進入巖心管內(nèi)筒。鉆井液性能難以維持井壁的穩(wěn)定，現(xiàn)場判斷上部地層存在掉塊現(xiàn)象導(dǎo)致巖屑渣掉落于巖心管造成上提困難。

3 煤巖心采取率提高對策

3.1 巖石段取心情況

通過現(xiàn)場取得的巖心情況判斷，破碎巖心難以進入取心筒內(nèi)管且容易掉落井底造成磨心是收獲率低的主要原因，因此應(yīng)首先對井底進行清理。

選用Φ177.8mm撈筒(本體長1.42m)+Φ127mm鉆桿組合鉆具，下至井底，提離井底30cm開泵循環(huán)，然后關(guān)泵并緩慢提鉆至距離井底70cm，反復(fù)3次開停泵。起鉆至井口，撈出巖心單體長度3～10cm，累計長度約65cm。

通過分析鉆頭破巖原理，首次選用的Φ215.9mm，4刀翼16mm復(fù)合片鉆頭對地層的攻擊性較大，對破碎地層使巖心更難進入取心筒內(nèi)管。后選用的Φ177.8mm，8刀翼9mm復(fù)合片鉆頭，更多接觸圍巖獲得支撐，減少鉆頭對地層的攻擊性，能更穩(wěn)定的切削地層。且該鉆頭的另一個特點是水眼斜向外側(cè), 使鉆井液不直接沖刷巖心柱表面，進而保證了巖心收獲率，最后再進行擴眼作業(yè)進而達到井身質(zhì)量要求。

調(diào)整鉆井液失水控制在9mL以內(nèi)，防止過大的失水導(dǎo)致上部地層泥巖段因吸水膨脹導(dǎo)致掉塊。并將鉆井液密度提至1.07～1.09g/cm3，維持井壁的穩(wěn)定。由此避免在提升取心筒時再次發(fā)生遇阻事故。

通過對鉆井參數(shù)的探索，針對較為破碎的地層，樹心完成后較大的鉆壓和較低的轉(zhuǎn)速更有利于破碎的巖心進入巖心筒內(nèi)管。同時在保證攜巖的前提下，應(yīng)降低排量減少鉆井液對巖心的沖刷。本井在后續(xù)施工中，當使用小鉆壓樹心完成后，鉆壓逐漸提升至40kN，轉(zhuǎn)速控制在45r/min。排量降低至15L/s。

通過以上技術(shù)措施，在剩余回次(11～15)的取心過程中，巖心收獲率明顯提高(表1)。

3.2 煤層段取心情況

本井取心至827.8m處開始開始鉆遇煤層。使用以上技術(shù)措施，依然可以保證煤層段較高的取心收獲率，但值得注意的是，在本井取心第16回次和第19回次收獲率有所降低，而其它回次的收獲率基本都能達到100%。從取上來的煤心看，本井鉆遇的煤層媒體結(jié)構(gòu)較差，屬于碎粒煤。在取心的各回次中，如果鉆遇的巖性單一，則收獲率不會受到影響。但由于煤層的物理性質(zhì)和巖層物理性質(zhì)差異大，因此當一個回次中先鉆遇巖層再鉆遇煤層時，如果煤體結(jié)構(gòu)較差，則較軟的煤層難以將較為堅硬的巖層推入巖心管內(nèi)筒，煤層容易被沖掉，進而降低取心收獲率。而從本井取心的第17回次可以看出，當先鉆遇煤層再鉆遇巖層，由于先鉆遇的煤層已經(jīng)順利進入巖心管內(nèi)筒，不會受到鉆井液沖刷，后鉆遇的較硬的巖層也容易推動煤心繼續(xù)進入巖心管，因此收獲率未受到影響。所以在即將取到煤層時，現(xiàn)場應(yīng)仔細操作(表2)。當遇到鉆時突然加快，應(yīng)果斷停止取心作業(yè)，上提鉆具割心。保證本回次的收獲率不收影響。

表2 煤層段取心統(tǒng)計

4 結(jié)論

1)針對較為破碎的地層取心作業(yè)，優(yōu)選適合的鉆頭對保證取心收獲率至關(guān)重要?？蛇x擇多刀翼，小直徑復(fù)合片且水眼噴射方向向外的鉆頭，減少鉆頭對地層的沖擊性。

2)取心作業(yè)前應(yīng)將鉆井液密度調(diào)整至設(shè)計上限，嚴格控失水，確保井壁穩(wěn)定，在確定井筒內(nèi)滿足施工條件后方可進行取心作業(yè)。

3)當收獲率較低時首先應(yīng)判斷井底是否干凈清潔，當多回次收獲率較低時，應(yīng)采取一定措施保證井底清潔后方可繼續(xù)作業(yè)。

4)可使用小鉆壓樹心，后逐步提升鉆壓，配合低轉(zhuǎn)速、低排量作業(yè)，保證巖心順利進入巖心筒內(nèi)管。