龍威成，孫四清

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層氣含量是表征煤儲(chǔ)層特征的重要參數(shù)，是煤層氣資源估算、產(chǎn)能預(yù)測(cè)和井網(wǎng)布置設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[1-3]。大量實(shí)踐表明，煤田地質(zhì)勘探和煤層氣資源勘探期間采用常規(guī)方法測(cè)得的煤層氣含量低于煤層中實(shí)際氣含量[4]。常規(guī)煤層氣含量測(cè)試采用解吸法進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試的氣含量包括損失氣、解吸氣和殘余氣3 部分[5]。解吸氣和殘余氣兩部分均可以精確實(shí)測(cè)，但損失氣量目前主要根據(jù)煤心初期瓦斯解吸規(guī)律，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式估算，這是造成煤層氣含量測(cè)試偏低的主要原因。采用常規(guī)取心方法時(shí)，由于巖心管多為開(kāi)放式或半封閉式，在獲取的煤心從井底提至地面，以及在地面從巖心管取出裝入煤層氣解吸罐的過(guò)程，煤心暴露，大量氣體逸散，而通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式估算的損失氣含量與實(shí)際相差較大；室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)也證明實(shí)際逸散的煤層氣損失量可能是估算煤層氣損失量的幾倍至十幾倍[6-8]。要提高地面煤層氣含量測(cè)試精度，研制避免煤層取心過(guò)程中氣體逸散的裝置是主要途徑之一。近年來(lái)，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研發(fā)煤層密閉取心技術(shù)，并率先在煤礦井下進(jìn)行試驗(yàn)，取得顯著效果[9-10]；基于井下密閉取心技術(shù)研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地面井作業(yè)特點(diǎn)，開(kāi)展地面密閉取心技術(shù)的研發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)表明，地面密閉取心裝置的應(yīng)用能夠大幅提高煤層氣含量測(cè)定精度[11]，但目前地面密閉取心裝置仍存在提大鉆獲取煤心的工序繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、取心效率較低等問(wèn)題。因此，筆者基于以往密閉取心技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，研制地面井煤層繩索密閉取心裝置及技術(shù)工藝，以期為地面井快速、密閉取心，精準(zhǔn)測(cè)定煤層氣含量參數(shù)提供技術(shù)及裝備支持。

1 繩索密閉取心成套裝置研制

1.1 繩索密閉取心裝置

1.1.1 設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有的地面煤層密閉取心裝置采用“三筒單動(dòng)”式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，“三筒”即取心外筒、取心內(nèi)筒和液壓推動(dòng)筒，“單動(dòng)”是指取心鉆桿傳遞鉆機(jī)動(dòng)力至取心外筒，取心外筒帶動(dòng)取心鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，而取心內(nèi)筒和液壓推動(dòng)筒未轉(zhuǎn)動(dòng)。取心外筒起到傳遞動(dòng)力和保護(hù)內(nèi)部組件等作用，取心內(nèi)筒是儲(chǔ)存并密封煤心、解吸氣體的容器，取心內(nèi)筒上端安裝解吸閥，實(shí)現(xiàn)取心內(nèi)筒的取心–解吸一體化[12]，取心鉆進(jìn)結(jié)束后提出孔內(nèi)所有鉆具從而撈取取心內(nèi)筒。由于采用三筒結(jié)構(gòu)，裝置外徑達(dá) 120 mm，取心外筒長(zhǎng)度達(dá)2 150 mm，裝置體積、重量大，無(wú)法與現(xiàn)有繩索取心鉆具匹配。

為滿足地面井快速獲取煤心、準(zhǔn)確測(cè)定煤層氣含量的目的，剖析現(xiàn)有煤層密閉取心技術(shù)及裝置存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出地面井繩索密閉取心裝置設(shè)計(jì)思路，如圖1 所示。一是采用液壓封堵頭(置于上懸掛內(nèi))直接推動(dòng)取心內(nèi)筒下行、聯(lián)動(dòng)取心內(nèi)筒球閥反轉(zhuǎn)關(guān)閉的推動(dòng)與關(guān)閉方式，取消原液壓推動(dòng)筒設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化密閉取心裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加取心內(nèi)筒容量，縮小裝置外部尺寸的同時(shí)最大限度縮小取心內(nèi)筒組件的外徑，取心內(nèi)筒組件為圖1 中除取心外筒和取心鉆頭外的其他部分，取心內(nèi)筒組件的最大外徑僅為93 mm，滿足其在現(xiàn)有取心鉆桿(?114 mm)內(nèi)部輸送的需求；二是取心內(nèi)筒組件上端增設(shè)打撈頸，其與增設(shè)的投送打撈裝置(圖2下部)、鋼絲繩提升系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)快速提心及連續(xù)多次取心的目的。

圖1 地面井繩索密閉取心裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wireline sealed coring device in surface well

1.1.2 構(gòu) 成

依據(jù)地面井繩索密閉取心總體思路，設(shè)計(jì)加工了繩索密閉取心成套裝置，該套裝置包括密閉取心外筒、取心內(nèi)筒、上懸掛/軸承組、液壓推動(dòng)總成、投球裝置、投送打撈裝置以及鉆桿轉(zhuǎn)接頭等，主要部件如圖2 所示，其中，取心內(nèi)筒、液壓推動(dòng)總成、投球裝置等構(gòu)件安裝在密閉取心外筒的內(nèi)部，構(gòu)成取心內(nèi)筒組件。

圖2 地面井繩索密閉取心成套裝置Fig.2 Wireline sealed coring device for surface wells

①取心外筒 取心外筒置于密閉取心裝置最外層，包括外筒和轉(zhuǎn)換接頭等。外筒前端通過(guò)絲扣安裝密閉取心鉆頭，末端通過(guò)轉(zhuǎn)接頭與取心鉆桿相連，一方面保護(hù)內(nèi)置的取心內(nèi)筒和液壓推動(dòng)總成等內(nèi)部部件，另一方面連接鉆桿傳輸旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，帶動(dòng)鉆頭取心鉆進(jìn)。

② 取心內(nèi)筒 取心內(nèi)筒是收集、切斷并密封煤心的部件，采用取心和解吸一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)煤心在鉆割后直至解吸全過(guò)程的密閉功能。取心內(nèi)筒由剪切/關(guān)閉球閥、球閥轉(zhuǎn)接頭、取心筒管、解吸連接閥門(mén)以及定位軸承等組成。取心內(nèi)筒前端通過(guò)轉(zhuǎn)接頭(球座)安裝剪切/關(guān)閉球閥。取心筒管在取心過(guò)程中收集煤心，取心鉆進(jìn)結(jié)束后，剪切/關(guān)閉球閥截?cái)嗝盒牟⒚盒拿荛]在取心筒內(nèi)。取心筒末端安裝解吸閥門(mén)，使取心內(nèi)筒可兼作解吸罐，剪切/關(guān)閉球閥關(guān)閉的同時(shí)，關(guān)閉解吸閥門(mén)，取心結(jié)束后無(wú)需拆開(kāi)取心內(nèi)筒與煤樣裝罐，即可連接煤層氣測(cè)試設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸測(cè)試。

③液壓推動(dòng)總成 液壓推動(dòng)總成位于懸掛總成和取心內(nèi)筒之間，由液壓推動(dòng)頭、投球裝置以及銷(xiāo)釘?shù)冉M成。液壓推動(dòng)頭由動(dòng)力銷(xiāo)釘固定在投球裝置的管路卡槽中，與外筒、上懸掛(圖1)共同形成了液壓缸，液壓缸壓力上升至剪斷動(dòng)力銷(xiāo)釘時(shí)，液壓推動(dòng)頭下行。推動(dòng)短節(jié)安裝于液壓推動(dòng)頭下端，液壓推動(dòng)頭下行時(shí)，推動(dòng)短節(jié)與取心內(nèi)筒上端接觸并使之下行，取心內(nèi)筒球閥與推動(dòng)環(huán)、解吸閥及固定觸點(diǎn)接觸，并各自實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)關(guān)閉。

④ 投送打撈裝置 投送打撈裝置是實(shí)現(xiàn)地面井密閉取心裝置快速輸送到取心位置和提升獲取密閉取心內(nèi)筒組件的關(guān)鍵部件，如圖2 所示，其主要包括撈矛頭、震擊器和加重桿等部件。為了便于密閉取心裝置投球打壓，撈矛頭設(shè)計(jì)成公撈矛頭；震擊器和加重桿為加力裝置，在投送取心內(nèi)筒組件時(shí)用于震擊并迫使取心內(nèi)筒組件在取心外筒設(shè)定位置上定位(定位銷(xiāo)彈出)。取心鉆進(jìn)到位后，鋼絲繩提升系統(tǒng)連接工具串(撈矛頭、震擊器和加重桿的連接組合)由孔口向鉆桿內(nèi)下放，撈矛頭在工具串自重的作用下沖擊進(jìn)入取心內(nèi)筒組件上端的打撈頸，完成連接，啟動(dòng)鋼絲繩提升系統(tǒng)上提取心內(nèi)筒組件，完成打撈作業(yè)。

⑤ 其他組件 動(dòng)力銷(xiāo)釘是蓄能升壓的關(guān)鍵，根據(jù)煤層地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，可選配不同規(guī)格的動(dòng)力銷(xiāo)釘，材質(zhì)為銅質(zhì)或鋼質(zhì)銷(xiāo)釘。封堵球可根據(jù)取心鉆桿規(guī)格和投球裝置水路尺寸選配，主要有?20 mm、?21 mm、?23 mm 等規(guī)格高密度球。此外，密閉取心裝置設(shè)計(jì)考慮了與各種鉆機(jī)、鉆具的搭配和銜接，可選配各種鉆具變徑接頭。

1.2 密閉取心鉆頭

密閉取心鉆頭是密閉取心裝置的重要部件之一，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響煤心采取率和密閉取心裝置關(guān)閉成功率。為了與密閉取心裝置相配合，將密閉取心鉆頭設(shè)計(jì)成底噴式、內(nèi)通孔式，并在鉆頭內(nèi)部設(shè)計(jì)臺(tái)階面，與取心內(nèi)筒球閥下推動(dòng)環(huán)配合，同時(shí)為了滿足現(xiàn)場(chǎng)不同工程試驗(yàn)條件需要，設(shè)計(jì)加工了PDC 和金剛石兩種材質(zhì)、?146 mm/?127 mm 兩種外徑的取心鉆頭。

1.3 裝置調(diào)試

1.3.1 氣密性檢測(cè)

取心內(nèi)筒的密閉性能檢測(cè)是密閉取心裝置使用前的基礎(chǔ)而重要的工作，為達(dá)到密閉取心裝置的密封氣體能力，要求取心內(nèi)筒保壓能力不低于10 MPa。為此，在取心內(nèi)筒組裝完成后，須進(jìn)行取心內(nèi)筒的氣密性檢測(cè)。在室溫28℃、相對(duì)濕度46%的環(huán)境中，取心內(nèi)筒密封壓力達(dá)到11.50 MPa(氮?dú)鈿庠?，保壓60 min 壓力不下降，即取心內(nèi)筒滿足氣密性要求。

1.3.2 打壓關(guān)閉試驗(yàn)

打壓關(guān)閉試驗(yàn)是檢驗(yàn)密閉取心裝置是否能在一定壓力下完成關(guān)閉動(dòng)作的重要步驟，為此，在密閉取心裝置組裝完成后，進(jìn)行打壓關(guān)閉試驗(yàn)。采用專用打壓檢驗(yàn)設(shè)備，清水水源，密閉取心裝置無(wú)切割阻力(空載)，安裝2 個(gè)動(dòng)力銷(xiāo)釘，10 回次的打壓試驗(yàn)均獲得預(yù)期效果，取心內(nèi)筒剪切球閥和解吸閥均關(guān)閉嚴(yán)密，試驗(yàn)關(guān)閉壓力為3.0～4.5 MPa。試驗(yàn)表明，該套密閉取心裝置在一定壓力條件下，能按設(shè)計(jì)要求完成打壓和關(guān)閉動(dòng)作。

1.3.3 繩索投撈模擬試驗(yàn)

為檢驗(yàn)密閉取心裝置在地面井中的快速投送和回收工藝，進(jìn)行密閉取心內(nèi)筒組件的投送和打撈試驗(yàn)共計(jì)60 回次，包括鋼絲輸送方式37 次，自由落體方式投送23 次，后者是為了模擬密閉取心內(nèi)筒組件在鋼絲系統(tǒng)無(wú)操控、內(nèi)筒組件后半程急速下墜等極端條件下的投撈效果。試驗(yàn)打撈成功率達(dá)到100%，鋼絲繩輸送方式投送成功率達(dá)到100%，自由落體方式投送成功率為83%，總體投送成功率達(dá)到 93%。試驗(yàn)表明，正常情況下，密閉取心裝置通過(guò)鋼絲繩提升系統(tǒng)進(jìn)行快速投撈是可行的。但如果取心內(nèi)筒組件急速下墜，取心內(nèi)筒上端的動(dòng)力剪切銷(xiāo)釘被剪斷，取心內(nèi)筒下行導(dǎo)致下推動(dòng)環(huán)與鉆頭內(nèi)臺(tái)階面接觸，可能使取心內(nèi)筒提前密閉。

2 地面井繩索密閉取心技術(shù)工藝

地面井繩索密閉取心技術(shù)工藝流程如圖3 所示，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)嚴(yán)格遵照流程執(zhí)行，確保密閉取心質(zhì)量和氣含量測(cè)試準(zhǔn)確性，主要試驗(yàn)步驟如下。

圖3 繩索密閉取心工藝流程Fig.3 Technological process of wireline sealed coring

①鉆孔施工 為保證地面井密閉取心裝置順利下入鉆孔預(yù)定取心深度，以及鉆取煤心時(shí)順利排渣的需要，地面井施工鉆孔最小孔徑應(yīng)大于密閉取心鉆頭外徑(?127 mm 或?146 mm)；為了保證取心內(nèi)筒組件在鉆桿內(nèi)可以通過(guò)，要求繩索取心鉆桿內(nèi)通徑不小于?101 mm，且不大于?120 mm；密閉取心時(shí)宜采用清水取心鉆進(jìn)及割心關(guān)閉，必須采用泥漿或其他介質(zhì)鉆井液時(shí)，泥漿或鉆井液密度不宜大于1.05 g/cm3；鉆機(jī)配套泥漿泵應(yīng)滿足密閉取心泵注壓力要求，且低流量時(shí)壓力不低于15 MPa，最低檔流量不得大于100 L/min。

② 密閉取心裝置輸送 鉆孔施工至設(shè)計(jì)取心位置后，提出井內(nèi)所有鉆具。第一回次密閉取心，可將取心內(nèi)筒組件與密閉取心外筒等安裝好后，與取心鉆頭、鉆桿可靠連接，并緩慢、勻速下入孔底。除第一次取心外，其余回次可由投送打撈裝置直接將取心內(nèi)筒組件輸送入孔底的密閉取心裝置內(nèi)部，由此實(shí)現(xiàn)鉆孔內(nèi)的密閉、快速、連續(xù)取心。

③取心鉆進(jìn) 取心裝置輸送到位后，采用小排量鉆井液循環(huán)直至井口返出鉆井液為止，之后即可開(kāi)始鉆進(jìn)取心，取心進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)取心目的和煤層地質(zhì)條件確定，一般取1.2～1.5 m 為宜。

④ 打壓關(guān)閉 打壓是實(shí)現(xiàn)取心內(nèi)筒密封煤心的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于繩索密閉取心裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)，打壓主要經(jīng)歷壓力緩緩上升和壓力驟然下降兩個(gè)過(guò)程。取心鉆進(jìn)結(jié)束后，卸開(kāi)最上端鉆桿，由開(kāi)口處投入封堵球，連接泥漿泵，檢查高壓管和設(shè)備連接可靠后，開(kāi)啟泥漿泵緩慢升壓，待壓力升高至最大值后驟然下降時(shí)，預(yù)判密閉取心內(nèi)筒已關(guān)閉，即可停止打壓。

⑤ 打撈內(nèi)筒組件 將投送打撈裝置與絞車(chē)提升系統(tǒng)連接，緩慢下入孔底，到達(dá)預(yù)計(jì)深度后，投送打撈裝置嵌入密閉取心內(nèi)筒組件的打撈頸，之后即可啟動(dòng)絞車(chē)提升系統(tǒng)，將取心內(nèi)筒組件提至孔口，取出取心內(nèi)筒。需要繼續(xù)取心時(shí)，可更換取心內(nèi)筒后，重復(fù)步驟②—⑤進(jìn)行繩索密閉取心。

⑥ 取心內(nèi)筒氣密性檢測(cè)及稱重 取心內(nèi)筒取出后，應(yīng)立即檢查取心內(nèi)筒的氣密性。確認(rèn)取心內(nèi)筒球閥關(guān)閉良好后，將取心內(nèi)筒密封端浸入清水中，觀察5 min，檢查有無(wú)氣泡冒出。稱量取心后取心器內(nèi)筒質(zhì)量，估算煤心樣品質(zhì)量。之后即可將取心內(nèi)筒放入現(xiàn)場(chǎng)恒溫水浴，并可連接解吸儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸。

3 繩索密閉取心工程試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)地面煤層氣井繩索密閉取心裝置的性能及煤層氣含量測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度，通過(guò)分析調(diào)研，選擇在晉城礦區(qū)寺河井田開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

晉城礦區(qū)寺河井田位于沁水煤田南部、晉城礦區(qū)中東部，井田發(fā)育了一系列近SN—NNE 向的寬緩褶曲，形成井田內(nèi)巖(煤)層的波狀起伏，地層傾角3°～15o，一般在10o以內(nèi)。主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和石炭–二疊系太原組(C2P1t)，平均厚136.02 m。含煤15 層，煤層總厚14.67 m，含煤系數(shù)10.8%，其中可采和局部可采煤層3 層，總厚度10.32 m，3 號(hào)和15 號(hào)為主要可采煤層，9 號(hào)為局部可采煤層，寺河煤礦主采3 號(hào)煤層，該煤層位于山西組下部，煤厚4.45～8.75 m，平均6.31 m，結(jié)構(gòu)屬簡(jiǎn)單—較簡(jiǎn)單型。

寺河井田3 號(hào)煤層煤體堅(jiān)硬程度總體屬于中硬，煤的堅(jiān)固性系數(shù)一般為0.79～3.13，平均值為1.91；煤層變質(zhì)程度較高，煤種為無(wú)煙煤；煤層氣(瓦斯)含量較高，寺河區(qū)塊地面井實(shí)測(cè)3 號(hào)煤層埋深在200～400 m 段煤層氣含量平均約為11.32 m3/t，埋深400～700 m 段煤層氣含量約為7.67～25.76 m3/t；寺河煤礦東井實(shí)測(cè) 3 號(hào)煤層瓦斯含量為 8.47～28.10 m3/t，西井實(shí)測(cè)3 號(hào)煤層瓦斯含量為11.69～21.80 m3/t[13-14]。寺河煤礦為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災(zāi)害一直困擾煤礦的安全高效生產(chǎn)，煤層氣含量大于16 m3/t 的區(qū)域采煤前進(jìn)行煤層氣地面井預(yù)抽[15]，實(shí)現(xiàn)采煤采氣一體化[16-17]，本次繩索密閉取心試驗(yàn)選擇在地面抽采效果檢驗(yàn)井中進(jìn)行。

3.2 巖層密閉取心試驗(yàn)

鉆井施工至目標(biāo)煤層以上20 m 時(shí)，開(kāi)展巖層密閉取心試驗(yàn)，以便掌握井內(nèi)狀況、檢驗(yàn)密閉取心裝置井內(nèi)輸送是否通暢，以及事先解決可能存在的問(wèn)題或隱患。試驗(yàn)技術(shù)人員進(jìn)入SHX2-01 井現(xiàn)場(chǎng)，共完成2 個(gè)回次的巖層密閉取心試驗(yàn)，密閉取心層段為135～160 m。第1 回次取心進(jìn)尺0.90 m，巖心長(zhǎng)0.40 m，巖性為砂巖、泥巖互層，取心內(nèi)筒關(guān)閉嚴(yán)密，密閉取心鉆頭水眼有被泥巖堵實(shí)現(xiàn)象；第2 回次取心進(jìn)尺1.20 m，巖心長(zhǎng)1.00 m，巖性為砂巖、泥巖互層，取心內(nèi)筒關(guān)閉嚴(yán)密。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)地面井井徑、鉆機(jī)、鉆桿等方面與密閉取心裝置配合良好，鉆井液參數(shù)、泥漿泵壓力等能夠滿足地面井密閉取心試驗(yàn)要求；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況下，密閉取心裝置各組件能夠聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)既定動(dòng)作；取心鉆進(jìn)過(guò)程，高轉(zhuǎn)速、低鉆壓、小排量可以鉆取到較為完整的柱狀巖心。

但存在如下問(wèn)題：取心內(nèi)筒組件采用繩索投送后，打撈器與取心內(nèi)筒組件分離較為困難；取心內(nèi)筒內(nèi)無(wú)卡簧，在上提鉆桿與投球環(huán)節(jié)，部分巖心可能從內(nèi)筒中掉出。

針對(duì)上述問(wèn)題，技術(shù)人員采取調(diào)整打撈工藝相關(guān)參數(shù)、在取心內(nèi)筒內(nèi)部增設(shè)卡簧等措施，以便在煤層段獲得預(yù)期取心效果。

3.3 煤層密閉取心氣含量測(cè)定

選擇晉城礦區(qū)煤層氣抽采效果檢測(cè)井 SHX2-01、SHX2-02 和SHX3-02 井作為本次試驗(yàn)井，上述3 口井均對(duì)3 號(hào)煤層進(jìn)行了煤層氣抽采，繩索密閉取心試驗(yàn)也在3 號(hào)煤層中開(kāi)展，通過(guò)實(shí)際測(cè)定方法檢驗(yàn)煤層氣井抽采效果。此外，為對(duì)比密閉取心效果，同一層煤采用常規(guī)(繩索)取心和繩索密閉取心進(jìn)行取樣，取樣參數(shù)見(jiàn)表1。SHX2-01 井常規(guī)取心2 個(gè)，繩索密閉取心1 個(gè)，取心過(guò)程順利，繩索提心用時(shí)5 min(提心速度66.92 m/min)，取心內(nèi)筒關(guān)閉嚴(yán)密；SHX2-02 井常規(guī)取心3 個(gè)，密閉取心1 個(gè)，因繩索打撈失敗而采用提鉆取心，耗時(shí)182 min(提心速度2.39 m/min)，樣品密封嚴(yán)密；SHX3-02 井常規(guī)取心2 個(gè)，密閉取心1 個(gè)，取心內(nèi)筒關(guān)閉嚴(yán)密，繩索提心過(guò)程順利，繩索提心耗時(shí)5 min(提心速度63.60 m/min)。

所采取樣品及時(shí)放入現(xiàn)場(chǎng)恒溫水浴中，模擬儲(chǔ)層溫度條件，參照GB/T 19559—2008《煤層氣含量測(cè)定方法》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行解吸，之后送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步化驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，試驗(yàn)區(qū)3 號(hào)煤層氣含量常規(guī)取心測(cè)值為5.60～8.79 cm3/g，密閉取心氣含量測(cè)值為7.25～9.86 cm3/g。結(jié)合以往測(cè)定煤層氣含量數(shù)據(jù)(平均值11.32 m3/t)分析可知，試驗(yàn)區(qū)3號(hào)煤層氣含量明顯降低，地面井煤層氣抽采效果顯著；單井同一煤層對(duì)比分析可知，煤層密閉取心空氣干燥基氣含量為常規(guī)(繩索)取心氣含量測(cè)值的1.12～1.17 倍。綜上分析可見(jiàn)，地面煤層氣井繩索密閉取心技術(shù)提高了煤層氣含量測(cè)定準(zhǔn)確度的同時(shí)，也提高了密閉取心效率。

表1 煤層取心及氣含量測(cè)定結(jié)果Table 1 Coal seam coring and gas content determination results

4 結(jié)論

a.研制地面井煤層繩索密閉取心裝置，提出地面井煤層繩索密閉取心技術(shù)工藝。煤層繩索密閉取心內(nèi)筒組件上端設(shè)計(jì)繩索投撈接口(打撈頸)，配套設(shè)計(jì)繩索投撈工具串和繩索提升系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)取心內(nèi)筒組件的快速下放與提升；采用液壓推動(dòng)頭直接推動(dòng)取心內(nèi)筒下行的方式達(dá)到球閥旋轉(zhuǎn)關(guān)閉的目的，在保證足夠的取心內(nèi)筒容積(內(nèi)徑達(dá)到48 mm)和環(huán)空間隙的同時(shí)，將密閉取心裝置外徑最小化(?114 mm)，配套?127 mm 取心鉆頭，使整套密閉取心裝置適用較多井型。

b.選擇晉城礦區(qū)中硬、高變質(zhì)、高瓦斯煤層區(qū)的地面井進(jìn)行煤(巖)層繩索密閉取心工程試驗(yàn)，獲得3 號(hào)煤層常規(guī)取心樣品7 個(gè)，密閉取心樣品3 個(gè)，樣品氣含量測(cè)試結(jié)果為試驗(yàn)區(qū)煤層氣抽采效果評(píng)價(jià)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。工程試驗(yàn)效果考察表明，單井同一煤層密閉取心空氣干燥基氣含量為常規(guī)(繩索)取心氣含量測(cè)值(平均值)的1.12～1.17 倍，繩索提心速度為63.60～66.92 m/min，地面煤層氣井繩索密閉取心氣含量測(cè)定技術(shù)在提高煤層氣含量測(cè)定準(zhǔn)確度的同時(shí)，大幅縮短密閉取心所需時(shí)間，降低作業(yè)強(qiáng)度并提高密閉取心的效率。晉城礦區(qū)煤層氣抽采檢驗(yàn)井中的密閉取心與常規(guī)取心煤層抽采剩余氣含量測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)也表明，中硬、高變質(zhì)、較低氣含量的煤層中繩索取心煤層氣含量測(cè)試結(jié)果誤差較小。

c.地面井煤層繩索密閉取心氣含量測(cè)試技術(shù)為地面井煤層參數(shù)精準(zhǔn)測(cè)試提供了有效手段，具有較好的實(shí)用價(jià)值。今后需要繼續(xù)開(kāi)展不同地質(zhì)條件下，尤其是碎軟煤層繩索快速密閉取心工程試驗(yàn)與應(yīng)用推廣，不斷完善地面井煤層繩索密閉取心氣含量測(cè)試技術(shù)體系。