李曉暉，程 林，李艷麗，和 新，孔令滬，滿國祥，朱立強，閆 路，王家一，張慧杰

(河北省地礦局國土資源勘查中心，河北石家莊050081)

1 概述

隨著煤層氣和頁巖氣勘查開發(fā)、地質(zhì)勘查、科學鉆探的逐步發(fā)展和深入，對取心鉆探的要求也越來越苛刻，要滿足深孔取心要求，適應各種地層，保證巖心采取率、取心的時效性、巖心的完整性，提高取心效率，縮短成井周期，諸多的要求使得我們必須對施工所采用的取心設備和工藝提出更高的標準。美國等發(fā)達國家已經(jīng)有較成熟的系列化大口徑取心鉆具，我國很多單位也在致力于這方面的研究，但仍存在一些問題，比如深孔取心鉆具強度不足、松軟地層巖心采取率不高等問題，都有待于我們進一步研究和提升。

我單位針對大口徑深孔及松軟地層取心難的問題，對于大口徑繩索取心鉆具進行了研究，并結(jié)合煤層取心、、地熱勘探取心進行了試驗。由于煤層有割理和裂隙發(fā)育、機械強度低、易碎、成柱性差、抗水力沖蝕能力和抗摩擦熱變能力較低的特點，用常規(guī)取心技術(shù)取心采取率極低，再加上起鉆時間長，易使煤層氣體在井筒內(nèi)嚴重散失，不能適應煤層氣勘探取心要求。而使用繩索取心技術(shù)則能很好的解決這一難題，它可以在很短的時間內(nèi)將巖心提到地面，不僅使巖心采取率大幅提高，而且還可以減少煤心在鉆井液中的浸泡時間，減少氣體的散逸量，保證分析結(jié)果的真實性、可靠性。煤層氣井取心除了要對儲層巖心進行常規(guī)的評價研究，最重要的是要在現(xiàn)場做煤心煤層氣含量的測定，并且現(xiàn)場采樣來測定煤層氣解析壓力、吸附壓力曲線等。為準確獲取上述參數(shù)，對煤層取心又多了一個取心直徑的要求，煤心直徑一般要求不能小于60 mm，針對以上要求，我們研制了新型大口徑繩索取心鉆具。

2 大口徑繩索取心鉆具的研究

大口徑繩索取心鉆具由取心鉆具和打撈器2部分組成，其中取心鉆具由外管總成和內(nèi)管總成組成。

2．1 取心鉆具的研究

2．1．1 外管總成

外管總成由轉(zhuǎn)換接頭、彈卡室、外管、扶正接頭、取心鉆頭以及座環(huán)、扶正環(huán)等部件組成(如圖1所示)。

外管總成和常規(guī)鉆具一樣連接于鉆柱底部，用于傳遞扭矩和鉆壓至取心鉆頭。為了適應深孔取心的特點，確保在鉆進中外管能夠承受較大的扭矩和壓力，在深孔鉆進中不會成為整個鉆柱的薄弱環(huán)節(jié)，我們對幾種管材的性能進行了對比(見表1)。

圖1 外管總成

表1 127 mm×9.19 mm規(guī)格幾種材料的性能對比

表1 127 mm×9.19 mm規(guī)格幾種材料的性能對比

管材 屈服強度σ0.2/MPa最小抗拉強 最小拉伸 最小扭轉(zhuǎn)屈服種類 最小 最大 度σb/MPa屈服/N/(N·m)E75 517 724 689 1759694 55815 X95 655 862 724 2228946 70698 G105 724 931 793 2463572 78140 S135 931 1138 1000 3167445 100466

雖然S135具有更高的性能，但是它對鉆井環(huán)境及應力具有更高的敏感性，對缺陷的容納率更低，也就是說在出現(xiàn)腐蝕或者缺陷時，會在短時間內(nèi)出現(xiàn)斷裂，所以綜合井深的要求，最終選擇符合API標準的127 mm×9.19 mm、G105材料作為外管材料。

外管總成中的轉(zhuǎn)換接頭、扶正接頭及彈卡室均選用中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)熱處理，性能優(yōu)于G105，內(nèi)孔通徑83 mm，在兩根外管的之間設扶正接頭，扶正接頭成螺旋形，在螺旋棱上焊碳化硼材料，可以保持外管一直處于鉆孔的中心，降低鉆頭與鉆桿的環(huán)隙過大造成孔斜的風險;在外管內(nèi)部的上下兩端分別設有座環(huán)和扶正環(huán)，座環(huán)和扶正環(huán)采用獨特的斜面內(nèi)六槽結(jié)構(gòu)，減小了泥漿的阻力，增大了泥漿通道的過水面積，避免了在基巖段沖孔時憋泵現(xiàn)象，同時對扶正環(huán)進行了特殊的化學鍍技術(shù)，能夠有效導直內(nèi)管，同時延長了扶正環(huán)和座環(huán)的使用壽命。

取心鉆頭采用階梯式復合片鉆頭，這種結(jié)構(gòu)設計既能避免在硬地層中鉆進不進尺，又能避免在軟地層中鉆頭泥包現(xiàn)象。

2．1．2 內(nèi)管總成

內(nèi)管總成包括打撈機構(gòu)、彈卡機構(gòu)、懸掛機構(gòu)、緩沖機構(gòu)、單動機構(gòu)、斷心機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)、取心機構(gòu)等部件(如圖2所示)。該部分是實現(xiàn)取樣的直接部分，內(nèi)管用來容納巖心，內(nèi)外管之間既要有足夠的孔間環(huán)隙，可實現(xiàn)大泵量沖洗作業(yè)，也要避免環(huán)空太大，造成內(nèi)外管在鉆進過程中不同心的問題;取心內(nèi)管選用ZT590鋼級73 mm×3 mm無縫管，內(nèi)管總成投放到位后可通過定位機構(gòu)懸掛于外管內(nèi)，保證內(nèi)外管之間定位可靠，準確到位，不能有相互竄動，并通過單動機構(gòu)保證內(nèi)管相對于巖心不轉(zhuǎn)動，降低了對巖心的磨損;取心機構(gòu)根據(jù)巖心物理形態(tài)的不同設計有:完整巖心樣本卡簧取心機構(gòu)、破碎巖心樣本攔卡簧取心機構(gòu)和粉狀巖心樣本攔簧取心機構(gòu)(如圖3所示)。在破碎巖心樣本取心時為避免鉆井液對煤心的沖蝕，取心管頂部設有鋼珠單向閥;在破碎巖心樣本和粉碎巖心樣本取心時采用短內(nèi)管，減小鉆井液靜壓力;在粉碎巖心樣本取心時采用半合管取心，方便巖心樣本的取出。

圖2 內(nèi)管總成

圖3 三種取心機構(gòu)

2．2 打撈器的研制

打撈器包括鋼絲繩緊固及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、重錘、脫卡機構(gòu)、蓄能機構(gòu)、撈取機構(gòu)(如圖4所示)。內(nèi)管打撈機構(gòu)是在內(nèi)管取滿巖心后將內(nèi)管總成從外管及鉆柱內(nèi)孔提出的機構(gòu)，內(nèi)管打撈器靠繩索絞車投放，打撈鉤在打撈住撈矛頭之后提升，彈卡鉗從彈卡室內(nèi)脫出，整個內(nèi)管與外管分離，隨打撈機構(gòu)提出孔口。

3 技術(shù)參數(shù)及創(chuàng)新

3．1 鉆具的技術(shù)參數(shù)

圖4 打撈器結(jié)構(gòu)

鉆具總長:3390 mm

可取巖心長度:1900 mm

可取巖心直徑:62 mm

鉆柱允許通過的最大直徑:82.5 mm

適應地層:煤層及軟～中硬地層

適用井深:2500 m以淺

3．2 技術(shù)創(chuàng)新

(1)扶正接頭成螺旋形，在螺旋棱上焊碳化硼材料，可以保持外管一直處于鉆孔的中心，降低鉆頭與鉆桿環(huán)隙過大造成孔斜的風險。

(2)座環(huán)和扶正環(huán)采用獨特的斜面內(nèi)六槽結(jié)構(gòu)，減小了泥漿的阻力，增大了泥漿通道的過水面積，避免了在基巖段沖孔時憋泵現(xiàn)象，同時對扶正環(huán)進行了特殊的化學鍍處理，能夠起到有效導直內(nèi)管的作用，同時延長了扶正環(huán)和座環(huán)的使用壽命。

(3)大口徑繩索取心鉆頭采用八翼階梯式刮刀PDC保徑鉆頭(如圖5所示)，由1308和1008兩種型號的PDC復合片，和保徑PDC條焊接在鋼制基體上而成，該鉆頭具有壽命長、機械轉(zhuǎn)速高、低侵蝕、低壓降的特點，能較好的滿足松軟地層取心的要求。階梯式結(jié)構(gòu)有效減小了鉆頭與孔底的接觸面積;鉆頭的水眼設計采用外傾斜水眼和小角度內(nèi)傾水眼相結(jié)合，既保證了一小部分鉆井液冷卻和潤滑巖心，防止巖心燒磨，又將大部分鉆井液導離巖心柱，使液流對巖心沖蝕破壞最小。

圖5 取心鉆頭

(4)3種取心機構(gòu)的設計，在完整地層采用完整巖心樣本取心機構(gòu)，由卡簧卡住巖心(圖6、圖7);在破碎地層采用破碎巖心樣本取心機構(gòu)，由攔卡簧攔卡巖心(圖8)，雙重作用下確保巖心不掉落;在粉碎地層采用粉碎巖心樣本取心機構(gòu)，由攔簧在巖心重力作用下完全合攏(圖9)，保證粉碎巖心不掉落。根據(jù)不同的地層更換取心機構(gòu)就能滿足不同物理形態(tài)巖心的取心要求，保證了巖心的采取率。

圖6 卡簧座

圖7 卡簧

圖8 攔卡簧

4 應用試驗

4．1 煤層氣井施工應用

圖9 攔簧

河南豫中地質(zhì)勘查工程公司在河南省焦作市修武縣進行煤層氣井施工時使用了我們研制的大口徑繩索取心鉆具，井深900 m，取心深度30 m。從煤層頂板上5 m開始取心，穿過煤層底板下2 m后結(jié)束，取心總長度26.7 m，煤層以粉煤為主，中間有塊煤，鉆壓控制在15～25 kN，轉(zhuǎn)速48 r/min，泥漿排量8 L/s，泵壓1.5 MPa，每回次進尺1.5 m，每班可取心5～6次，采取率為89%(其中巖心采取率為95%，煤心采取率為86%)。整個取心過程未提鉆，由于磨損更換兩次攔簧，結(jié)束取心后提鉆檢查，鉆頭未出現(xiàn)明顯磨損。在使用中鉆具性能可靠、巖心采取率高，完全滿足了煤層氣鉆探取心的需要。

圖10為施工現(xiàn)場。

圖10 施工現(xiàn)場

4．2 地熱井施工應用

我單位于2014年在河北省趙縣進行地熱井勘查施工時使用了該套大口徑繩索取心鉆具，實際井深2200 m，地層情況:0～219.9 m為第四系地層，巖性為粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、中砂、細砂呈不等厚互層;219.9～545.6 m為新近系明化鎮(zhèn)組，上部以砂巖為主，下部為砂巖與泥巖呈不等厚互層;545.6～879.2 m為新近系館陶組，上部砂巖與泥巖呈不等厚互層;下部以砂巖、砂礫巖為主;879.2～2200 m為古近系沙河街組，上部為泥巖夾薄層砂巖;下部為泥巖夾薄層砂巖、砂礫巖。取心孔段分別為:800～1030、2000～2100 m，取心鉆進總進尺 330 m，巖心采取總長度290 m，圖11為所取的巖心，平均巖心采取率87.9%。在鉆至750 m處提鉆一次，將全面鉆進用215.9 mm牙輪鉆頭更換為215.9 mm取心鉆頭;在鉆至1600 m處提鉆一次檢查鉆頭，整個取心過程共更換卡簧22次，回次進尺1.5 m，沒有出現(xiàn)內(nèi)管打撈失效的情況，說明內(nèi)外管的同心度較好，強度較高。但存在的問題是在要求巖心的采取長度長時，打撈頻次太高，影響施工效率，所以如何在確保鉆具合理可靠的前提下，增加一次性可取巖心長度，減少打撈頻次將作為我們下一步的研究方向。

圖11 采取的巖心

5 結(jié)語

研制的大口徑繩索取心鉆具能應用API標準的5 in鉆桿進行繩索取心作業(yè);取心鉆頭直徑為215.9 mm，在不取心地層可換用215.9 mm牙輪鉆頭快速通過;適應不同物理形態(tài)的取心機構(gòu)及繩索取心技術(shù)，大大地提高了巖心的采取率和準確率。可滿足大口徑深孔及松軟地層取心需要，在煤層氣取心、油田取心、頁巖氣取心、科學鉆探、地熱井取心中，具有廣闊的推廣使用前景。

［1］ 周全興．鉆采工具手冊［M］．北京:科學出版社，2002．

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［3］ 孫松堯．鉆井機械［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2006．

［4］ 王達，等．地質(zhì)鉆探手冊［M］．湖南長沙:中南大學出版社，2014．

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