俱養(yǎng)社， 馬峰良， 華 立

(陜西省一三一煤田地質(zhì)有限公司，陜西韓城 715400)

0 引言

近年，我國煤礦井下瓦斯事故多發(fā)，在對煤礦瓦斯治理的過程中，地面鉆孔煤層瓦斯含量測定數(shù)據(jù)與煤礦井下監(jiān)測數(shù)據(jù)存在較大偏差引起諸多專家關注與思考。煤礦地質(zhì)技術人員將兩者對比顯示，其誤差高達20%～50%[1-2]。另外，隨著國家對煤礦瓦斯災害治理，煤層氣資源開發(fā)力度的加大，通過地面鉆孔獲取目的煤層瓦斯準確含量及成分，為后續(xù)煤礦開采瓦斯防治、煤層氣資源評價工作提供準確依據(jù)的重要性進一步凸顯[3-6]。因此，研究通過地面鉆孔獲取孔底地質(zhì)條件下目的煤層原始狀態(tài)的取心技術是當前急需解決的一項重要課題。

目前，保壓密閉取心技術是石油勘探開發(fā)中取得保持儲層流體完整巖心的一種有效方法[7]。應用該技術所取巖心不受鉆井液污染，且能保持地層原始壓力，對于正確認識井底條件下的原始地質(zhì)情況有著十分重要的意義。該技術所具有的技術性能特點，為解決地面鉆孔煤層瓦斯測定數(shù)據(jù)較大偏差問題提供了研究思路和方向[8-9]。為此，借鑒石油勘探保壓密閉取心技術思路，研制出了在孔底實現(xiàn)密封儲心內(nèi)筒的雙管單動式取心器，以解決常規(guī)雙管單動取心和繩索取心過程中煤心瓦斯氣體逸散損失的問題，使取得的煤心樣品，能精確分析煤層瓦斯含量和成分，進而形成科學準確測定煤層瓦斯含量的方法和手段，對地面鉆孔精準測定煤層瓦斯含量，提高煤層氣資源勘探開發(fā)和煤礦瓦斯災害治理水平具有重要意義。

1 取心器研制

1.1 設計原則

取心器的設計應遵循先進、可靠、方便基本原則，整體技術體性能應滿足密閉取心技術規(guī)范要求[10-11]。

1)適用于塊狀煤層和粉末狀煤層取心，一個鉆進回次內(nèi)完成煤層取心，并在孔底對取心內(nèi)筒進行封閉。

2)不額外增加施工現(xiàn)場設備設施配套，滿足立軸式液壓或機械巖心鉆機配套Φ50mm或Φ60mm地質(zhì)鉆桿的要求。

3)取心器基本參數(shù)符合Φ133mm孔徑，滿足一個鉆進回次取心長度要求。技術性能滿足煤心采取率95%以上，取心直徑不小于Φ55mm，煤層埋深1 000m以淺鉆孔要求。

4)為保證取心器使用的穩(wěn)定性、可靠性，最大限度的優(yōu)化取心器結(jié)構，使用成熟技術和標準通用零部件，大部分構件要使用35#CrMo(合金鋼)。

5)采用模塊化設計，滿足組裝、拆卸易于操作的要求。

1.2 主要技術參數(shù)

取心器總長5.2m，總質(zhì)量750kg，鉆頭外徑Φ133mm,內(nèi)徑Φ57mm，取心器外筒直徑Φ127mm，外筒長4.24m，內(nèi)筒長4m，可取心長度3.5m，取心直徑Φ57mm(圖1)。

1—大接頭；2—六方桿；3—六方套；4—鋼珠；5—差動滑套；6—剪銷；7—鎖卡鋼珠圖 1 取心器示意Figure 1 Schematic diagram of corer

1.3 工作原理

正常鉆進時，回轉(zhuǎn)扭矩經(jīng)大接頭(1)、六方桿(2)、六方套(3)傳遞到取心器外筒，帶動鉆頭實現(xiàn)回轉(zhuǎn)取心鉆進。采煤回次結(jié)束后，上提鉆具割斷巖心，投入鋼珠(4)后啟動泥漿泵，鋼珠落入差動滑套(5)頂端球座后，泵壓急劇升高，推動差動滑套下行剪斷剪銷(6)，釋放鎖閉鋼珠(7)，使外筒下落在球閥半滑環(huán)上，在其重力作用下推動球體旋轉(zhuǎn)90°而關閉球閥，將煤心密閉于內(nèi)筒之中。

1.4 結(jié)構組成與技術要點

地面鉆孔煤層瓦斯密閉保壓取心器采用雙管單動式結(jié)構，可有效避免取心鉆進過程中對煤層的擾動及鉆井液對煤層的沖刷破壞，利于獲得較高采取率[12-13]。

1.4.1 差動機構

由大接頭、六方桿、六方套、鎖閉鋼珠、密封圈、差動滑套、剪切環(huán)、剪銷等組成。其作用是傳遞扭矩，經(jīng)由大接頭、六方桿、六方套至外管帶動鉆頭取心鉆進，回次結(jié)束后，投球憋壓，差動滑套下行剪斷剪銷，使六方桿與六方套脫卡，實現(xiàn)內(nèi)外管差動關閉球閥(圖2)。

圖2 差動機構結(jié)構示意Figure 2 Schematic diagram of differential mechanism

1.4.2 懸掛總成

由懸掛軸承、軸承托、軸承套軸承組成。內(nèi)筒通過懸掛總成與外筒組成一體，在懸掛軸承的作用下，外筒回轉(zhuǎn)鉆進取心時內(nèi)筒不回轉(zhuǎn)，可避免鉆進時對煤層的擾動，不破壞煤層結(jié)構(圖3)。

圖3 懸掛總成結(jié)構示意Figure 3 Schematic diagram of suspension assembly mechanism

1.4.3 測壓部分

由測壓接頭、錐形閥、彈簧、密封圈、堵頭等組成，用以平衡內(nèi)筒壓力，測試內(nèi)筒保存的壓力值，或放空內(nèi)筒壓力，并作為內(nèi)筒到達地面后進行瓦斯含量測定的端口。

1.4.4 球閥關閉機構

由球體、上下閥座、預緊彈簧、球閥外殼、半滑環(huán)、密封圈、軸銷等件組成，用于封閉內(nèi)筒。在一個鉆進回次結(jié)束后，利用差動機構脫卡實現(xiàn)內(nèi)外筒結(jié)構分離，外筒相對位移下落于球閥半滑環(huán)上，靠外筒重力迫使半滑環(huán)推動球閥球體旋轉(zhuǎn)90°而關閉，使巖心密閉于內(nèi)筒中，以保持巖心所在地層壓力(圖4)。

圖4 球閥關閉機構結(jié)構示意Figure 4 Schematic diagram of ball valve airtight mechanism

1.4.5 內(nèi)外巖心筒部分

外筒采用Φ127mm石油鉆桿(壁厚10.5mm)，為鉆頭傳遞扭矩；內(nèi)筒采用Φ73mm油管(壁厚5.5mm)，內(nèi)筒既是儲存煤心的容器和密閉殼體，也是到達地面后瓦斯罐的替代容器。內(nèi)外筒間隙為16.5mm，為設置球閥關閉系統(tǒng)和通過鉆井液提供空間。

1.4.6 鉆頭

取心鉆頭采用六翼三階梯式結(jié)構，其切削面為錐形，水眼的方向朝向孔壁一側(cè)，避免鉆井液直接沖刷煤層。切削刃采用PDC材質(zhì)。塊狀煤層卡心采用卡簧卡座組合方式，粉末狀煤層采用防脫爪簧卡座組合方式。鉆頭外徑Φ133mm，內(nèi)徑Φ57mm，取心直徑不小于Φ55mm，可滿足地質(zhì)采樣、測試化驗要求。

2 取心器現(xiàn)場試驗

2.1 土層取心可靠性試驗

2019年4月,在韓城市板橋鎮(zhèn)柏林村黏土層中進行鉆具試驗。該區(qū)地層主要以第四系黏土、亞黏土為主，試驗的目的主要是驗證鉆具剪銷、差動、球閥關閉三個動作的連續(xù)性及匹配情況；剪切剪銷所需泵壓；鉆具在不同介質(zhì)中差動和球閥的動作是否均順暢、到位；卡心、取心情況；取心器密閉情況。

試驗設備使用DPP100-4型汽車鉆、BW4500型泥漿泵(最大排量450L/min、泵壓8MPa)、Φ50mm鉆桿，循環(huán)介質(zhì)分別采用普通膨潤土鉆井液和低固相鉆井液。

經(jīng)過多次反復取心試驗中發(fā)現(xiàn)，投球、憋壓及剪切剪銷順利但差動多次不能到位，分析原因為球閥懸掛位置不合理，差動系統(tǒng)脫扣后卡簧座卡于球體孔口。在對取心器懸掛位置改進后，差動機構、球閥系統(tǒng)關閉動作達到正常，球閥關閉動作的穩(wěn)定性和可靠性達到90%以上，土層采取率達到100%。

2.2 煤層取心可靠性試驗

2019年5月，在距離韓城市約5km的板橋鄉(xiāng)進行鉆具試驗。該區(qū)屬渭北煤田東部邊緣， 可采煤層主要位于下二疊統(tǒng)山西組—上石炭統(tǒng)太原組。其中山西組巖性為由粗至細粒砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤組成清晰的沉積旋迥結(jié)構，砂巖中含大量的白云母片，在粉砂巖、砂質(zhì)泥巖中含豐富的植物化石，底部為河床相中粒砂巖，含3號可采煤層。太原組以黏土巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，頂部含煤；中部以海相石灰?guī)r及鈣質(zhì)頁巖為主，間夾少量泥巖、粉砂巖及薄煤層，其中石灰?guī)r1～3層；上部以灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、黏土巖為主，夾薄層或透鏡狀菱鐵礦、鐵質(zhì)砂巖或石英砂巖，含豐富的動植物化石，含5-1、11號可采煤層。

設備使用TXJ1600型機械巖心鉆機、NBB260/7泥漿泵(最大排量260L/min、泵壓7MPa)、Φ50mm鉆桿，循環(huán)介質(zhì)采用以鈉基土粉、純堿、高黏纖維素和腐殖酸鉀配置的低固相鉆井液。主要用來檢查煤層密閉取心的可靠性，獲取鉆進技術參數(shù)、鉆井液主要性能參數(shù)和煤心采取率，與常規(guī)取心器進行煤層瓦斯含量測試數(shù)據(jù)的對比。試驗發(fā)現(xiàn)在煤層取心一個鉆進回次結(jié)束后上提鉆具割心，從鉆具中投球啟動泥漿泵憋壓達到2MPa即剪斷剪銷，且差動系統(tǒng)、球閥關閉系統(tǒng)同步準確到位次數(shù)達到90%，煤層采取率達到了95%以上。

2.3 鉆進技術參數(shù)及鉆井液主要性能試驗研究

由于煤層在取心鉆進過程中易磨損缺失，尤其粉末狀煤層易受鉆井液沖刷導致取心率低而無法滿足地質(zhì)要求，除對取心器結(jié)構、鉆頭結(jié)構與水眼形式、卡心方式、內(nèi)外鉆頭過水間隙等有特殊要求之外，還對煤層鉆進技術參數(shù)和鉆井液主要性能指標有特殊的技術要求。因此需對煤層密閉取心技術工藝進行進一步研究以提高煤心采取率?；谝酝鶎γ簩尤⌒墓に嚰夹g特殊要求的認識，結(jié)合以往雙管單動取心和繩索取心的經(jīng)驗設置參數(shù)范圍，進行工藝參數(shù)優(yōu)化，以取心結(jié)果驗證并獲取煤層密閉取心最佳工藝技術參數(shù)[14-17]。

2.3.1 鉆進技術參數(shù)試驗研究

就企業(yè)所得稅而言，我們要充分發(fā)揮其“自動穩(wěn)定器”的功效，實現(xiàn)“有所得征稅，無所得不征收；所得多的多征，所得少的少征”，充分體現(xiàn)“量能課征”的原則。因此，我國制造業(yè)企業(yè)減稅應通過調(diào)整所得稅的稅制結(jié)構，并適當降低個別稅種的稅率或取消個別稅種來加以實現(xiàn)。從社會保障費來看，要適當降低企業(yè)社會保險的繳費比例，這將助力于切實減輕制造業(yè)企業(yè)的稅費負擔。同時，還需斟酌借鑒國際經(jīng)驗開征新稅種(如社會保障稅)，降低消費稅稅率，適當提高個人所得稅在直接稅中的比重，切實做到結(jié)構性減稅。唯其如此，調(diào)整個人所得稅、企業(yè)所得稅、社會保障費的比重關系才能夠在降低制造業(yè)企業(yè)的稅收負擔方面發(fā)揮積極作用。

2.3.1.1 鉆壓

韓城礦區(qū)石炭-二疊系煤層為中硬煤層(3.0>f>1.5)，可鉆性級別≤Ⅳ級，屬軟—較軟巖層，易于鉆進。綜合以往常規(guī)雙管單動取心器和繩索取心鉆進煤層時采用的鉆壓，本研究選擇煤層密閉取心的鉆壓為10～30kN，在試驗中進一步優(yōu)化。通過對3、5、11號煤層進行逐回次取心試驗，對于塊狀煤層取心鉆壓為20～28kN、粉末狀煤層取心鉆壓為13～18kN時，可穩(wěn)定快速地完成煤層取心鉆進，未出現(xiàn)煤心脫落或堵心現(xiàn)象。選用3號煤層鉆進進尺與取心長度對比，采取率達到95%以上。

2.3.1.2 轉(zhuǎn)速

在巖心鉆探中，較高轉(zhuǎn)速有利于提高機械鉆速，但在煤層取心鉆進時采取較高轉(zhuǎn)速會對煤層造成擾動而影響采取率，因此煤層取心鉆進時應降低轉(zhuǎn)速。本研究通過試驗，認為對于塊狀煤層鉆進轉(zhuǎn)速為60～100r/min，粉末狀煤層鉆進轉(zhuǎn)速為40～70r/min時，配合試驗鉆壓參數(shù)穩(wěn)定進尺，有利于保護煤心形成，提高煤心采取率。

2.3.1.3 排量

泥漿泵排量是影響煤層采取率的一項重要因素，在煤層取心鉆進過程中，尤其對于結(jié)構松散的粉末狀煤層，易受鉆井液沖刷而影響采取率。通過對3、5、11號煤層多回次取心試驗，發(fā)現(xiàn)對于塊狀煤層取心排量為100～150L/min、粉末狀煤層取心排量為50～80L/min時，采取率達到95%以上。

由于密閉取心器鉆頭直徑為Φ133mm，取心外筒直徑為Φ127mm，取心外筒與鉆孔環(huán)空間隙僅有3mm，要求鉆井液具有良好的護壁和潤滑性能，保證取心過程中全孔段孔壁穩(wěn)定，同時要降低外筒下移時與孔壁的摩擦阻力。試驗過程中采用鈉基土粉、純堿、高黏纖維素和腐殖酸鉀配置的低固相鉆井液作為鉆孔沖洗液，根據(jù)以往在渭北石炭二疊系煤層取心經(jīng)驗設置性能指標，通過對煤層取心鉆進進行取心效果驗證。對于塊狀煤層鉆進鉆井液密度為1.03～1.08g/cm3、黏度為18～24s，粉末狀煤層鉆進鉆井液密度為1.03～1.05g/cm3，黏度為22～28s。

在對煤層取心鉆進技術參數(shù)及鉆井液主要性能指標的試驗中，使用低固相鉆井液作為鉆孔循環(huán)介質(zhì)，按照試驗取得的鉆進參數(shù)范圍，做好各參數(shù)的控制和配合，取心器提至地面顯示，煤層各鉆進回次均取得了95%以上的采取率，且球閥關閉狀態(tài)穩(wěn)定，密閉取心技術性能可靠。

2.4 瓦斯含量測試對比

通過上述試驗發(fā)現(xiàn)，使用常規(guī)雙管單動取心器對渭北石炭-二疊系5、11號煤層取心，并與密閉取心器進行煤層瓦斯含量測試對比，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 密閉取心與常規(guī)取心瓦斯含量測試對比

對比表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：密閉取心是常規(guī)取心方法獲得瓦斯含量的4～5倍，效果十分明顯。

3 結(jié)語

1)經(jīng)過試驗驗證，研制的地面鉆孔煤層瓦斯密閉取心器符合密閉取心技術規(guī)范和要求，密閉可靠性達到95%以上。

2)通過在于渭北石炭-二疊系塊狀煤層和粉末狀煤層的試驗，取得煤層密閉取心鉆進最優(yōu)的工藝技術參數(shù)，對該區(qū)域3、5、11號煤層的采取率均達到95%～100%。

3)設計的孔底關閉儲心內(nèi)筒，可代替瓦斯罐直接用于瓦斯解吸，使煤層瓦斯含量測定方法更為科學。

4)該取心器自孔底割心后及至地面進行瓦斯解析的整個過程，煤心始終被密閉于取心內(nèi)筒，可有效解決以往常規(guī)取心或繩索取心發(fā)生瓦斯氣體逸散的缺陷，為科學、準確測定煤層瓦斯氣體含量提供了技術支撐。