提高煤心收获率的研究与应用

2020-01-09卢林祝

钻采工艺 2019年6期

黄鑫，洪毅，卢林祝，张磊

(1长江大学工程技术学院 2湖北省地质局第七地质大队 3中国石油塔里木油田公司轮南油气开发部油气藏地质研究所)

黑龙江鹤岗盆地和鸡西盆地主要含煤地层位于白垩系城子河组。鹤岗盆地的城子河组岩性主要为灰白色、粗砂岩、细砾岩、灰黑色粉砂岩并含有丰富的多层厚煤层；鸡西盆地的城子河组岩性主要为灰白色、细砂岩、灰黑色粉砂岩和煤层[1]。煤层收获率一般要大于等于75%才能满足钻井取心的要求，从两盆地历年煤层取心数据统计[2]，煤心收获率不高，煤心成柱形差，多为粉煤。而煤心收获率低将直接影响着该区域煤矿资源的评价，影响着煤层气资源储量准确性的计算，从而在一定程度上限制了煤炭和煤层气资源的勘查与开发[3]。因此研究和解决煤心收获率低的问题，对鸡西和鹤岗地区的资源勘查和开发具有非常重要的现实意义。

一、煤心收获率低原因分析

鸡西和鹤岗盆地城子河组的煤岩相对于该地层的其它岩石，岩性较软，胶结程度低，钻时快，如果用钻取普通岩心的方法来钻取煤心，特别是钻取粉煤，很容易导致煤心收获率偏低。两盆地的煤心收获率低主要来源于地质因素和工程因素两方面[4]。

1. 地质因素

煤心胶结性差，松散难成柱状，一般表现为块状、碎屑状、粉粒状。煤心的溶蚀性较大，尤其以粉煤更为明显，容易被钻井液溶蚀或冲洗。

2. 工程因素

(1)钻进参数不合理。钻压过大，钻速过快，钻具发生激烈振动甚至跳钻，使煤心受到强烈的力学破坏，导致对煤心磨损严重；泥浆泵的排量过大，泵压过高会导致钻井液的流量和流速增加，从而会加大对煤心的冲刷力，加剧对煤心的冲毁程度。

(2)司钻操作不当。提钻取心过早或者提钻过猛导致煤心易破碎和折断；选取的取心钻具不匹配如卡簧抓心松动易造成煤心出现脱落的问题；延长取心回次长度使得煤心被挤压、破碎而不易进入取心内管。

二、提高煤心收获率解决措施

地质因素难以避免，主要从工程因素研究解决措施[5]，以绳索取心钻具(单动双管)为例[6]。

1. 优化改进取心钻具结构

绳索取心钻具结构主要由外管总成和内管总成组成，对钻头、内管、卡取装置、调节机构进行优化。

1.1 钻头

根据以往钻头使用情况分析得知[7-8]，使用的底喷式钻头的水口水路存在缺陷。新改进的底喷式钻头在水眼处设置一道“隔水墙”，钻井液从钻杆内流向岩心外管与内管之间的环空间隙，再到钻头的“隔水墙”，使得钻井液的流向一分为二并且水压力在此处大大降低，大部分钻井液流进水眼出钻头，并且适当增加水眼的个数和增大水眼的面积，防止水眼因个数少、面积小易被岩屑颗粒堵住通道，剩余的少量钻井液从钻头内壁斜台与卡簧座之间缝隙流出钻头。由于钻井液水压力的降低和流量的减少，对煤心冲刷能力就会减小，煤心的收获率会提高，改进后的钻头如图1。

图1 新改进的底喷式钻头(水眼8个)

1.2 内管

改进的取心内管采用半合管结构，即由岩心管轴线加工成两个半管。相比单一的内管而言，半合管可以更好的保持煤心的原始状态(特别是粉煤)，方便取出煤心，也便于录井工作人员获取相对准确的地质数据。半合管的内壁采用镀铬处理,厚度约0.05 mm，半合管内壁的光滑程度会提高，减少煤心进入半合管的摩擦力,进而提高煤心的收获率。

1.3 煤心卡取装置

改进煤心卡取装置主要从卡簧和卡簧座着手，见图2和图3。

图2 两种不同功用的卡簧

图2(a)的卡簧只能卡住完整的岩心柱子，而对煤块、粉煤难以发挥它应有的作用，图2(b)的卡簧只能单纯的卡住煤块或者粉煤，但很难卡住完整的岩心柱子，且卡簧片容易被岩心折断。将两种卡簧巧妙地组合在一起，这样既能卡住完整的岩心柱子，也能防止煤块、粉煤脱离岩心内管。

图3 改进前的卡簧座(上)和改进后的卡簧座(下)

改进前的卡簧座底部水口高度约8 mm,通过加工改进将水口基本磨平，这种细微改进也减少了钻井液对煤心的冲刷。

1.4 调节机构

调节机构主要包括锁紧片、调节螺母和可调螺杆。可调螺杆进入外管接头的深度控制钻头内壁斜台与卡簧座之间的间隙，而间隙的大小直接决定了钻井液对煤心的冲刷程度。根据实践经验和流体力学理论得知[9-11]：钻遇软煤时，间隙调整一般为0.5～1.0 mm；钻取硬煤时，间隙调整一般为1.0～2.0 mm；其它情况时，间隙调整一般为2～4 mm或者大于4 mm。这样使得大部分钻井液从钻头的水眼流出，减少了钻井液对煤心的冲刷。