煤层气含量测定用绳索密闭取心装置及技术研究

龙威成，孙四清

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤层气含量是表征煤储层特征的重要参数，是煤层气资源估算、产能预测和井网布置设计的重要依据[1-3]。大量实践表明，煤田地质勘探和煤层气资源勘探期间采用常规方法测得的煤层气含量低于煤层中实际气含量[4]。常规煤层气含量测试采用解吸法进行测试，其测试的气含量包括损失气、解吸气和残余气3 部分[5]。解吸气和残余气两部分均可以精确实测，但损失气量目前主要根据煤心初期瓦斯解吸规律，通过经验公式估算，这是造成煤层气含量测试偏低的主要原因。采用常规取心方法时，由于岩心管多为开放式或半封闭式，在获取的煤心从井底提至地面，以及在地面从岩心管取出装入煤层气解吸罐的过程，煤心暴露，大量气体逸散，而通过经验公式估算的损失气含量与实际相差较大；室内模拟实验也证明实际逸散的煤层气损失量可能是估算煤层气损失量的几倍至十几倍[6-8]。要提高地面煤层气含量测试精度，研制避免煤层取心过程中气体逸散的装置是主要途径之一。近年来，中煤科工集团西安研究院有限公司研发煤层密闭取心技术，并率先在煤矿井下进行试验，取得显著效果[9-10]；基于井下密闭取心技术研发的经验，结合地面井作业特点，开展地面密闭取心技术的研发。现场工程试验表明，地面密闭取心装置的应用能够大幅提高煤层气含量测定精度[11]，但目前地面密闭取心装置仍存在提大钻获取煤心的工序繁琐、劳动强度大、取心效率较低等问题。因此，笔者基于以往密闭取心技术与经验，研制地面井煤层绳索密闭取心装置及技术工艺，以期为地面井快速、密闭取心，精准测定煤层气含量参数提供技术及装备支持。

1 绳索密闭取心成套装置研制

1.1 绳索密闭取心装置

1.1.1 设计思路

现有的地面煤层密闭取心装置采用“三筒单动”式结构设计，“三筒”即取心外筒、取心内筒和液压推动筒，“单动”是指取心钻杆传递钻机动力至取心外筒，取心外筒带动取心钻头旋转钻进，而取心内筒和液压推动筒未转动。取心外筒起到传递动力和保护内部组件等作用，取心内筒是储存并密封煤心、解吸气体的容器，取心内筒上端安装解吸阀，实现取心内筒的取心–解吸一体化[12]，取心钻进结束后提出孔内所有钻具从而捞取取心内筒。由于采用三筒结构，装置外径达 120 mm，取心外筒长度达2 150 mm，装置体积、重量大，无法与现有绳索取心钻具匹配。

为满足地面井快速获取煤心、准确测定煤层气含量的目的，剖析现有煤层密闭取心技术及装置存在问题的基础上，提出地面井绳索密闭取心装置设计思路，如图1 所示。一是采用液压封堵头(置于上悬挂内)直接推动取心内筒下行、联动取心内筒球阀反转关闭的推动与关闭方式，取消原液压推动筒设计，简化密闭取心装置内部结构，增加取心内筒容量，缩小装置外部尺寸的同时最大限度缩小取心内筒组件的外径，取心内筒组件为图1 中除取心外筒和取心钻头外的其他部分，取心内筒组件的最大外径仅为93 mm，满足其在现有取心钻杆(ø114 mm)内部输送的需求；二是取心内筒组件上端增设打捞颈，其与增设的投送打捞装置(图2下部)、钢丝绳提升系统配合，实现快速提心及连续多次取心的目的。

图1 地面井绳索密闭取心装置结构Fig.1 Structure of wireline sealed coring device in surface well

1.1.2 构 成

依据地面井绳索密闭取心总体思路，设计加工了绳索密闭取心成套装置，该套装置包括密闭取心外筒、取心内筒、上悬挂/轴承组、液压推动总成、投球装置、投送打捞装置以及钻杆转接头等，主要部件如图2 所示，其中，取心内筒、液压推动总成、投球装置等构件安装在密闭取心外筒的内部，构成取心内筒组件。

图2 地面井绳索密闭取心成套装置Fig.2 Wireline sealed coring device for surface wells

①取心外筒 取心外筒置于密闭取心装置最外层，包括外筒和转换接头等。外筒前端通过丝扣安装密闭取心钻头，末端通过转接头与取心钻杆相连，一方面保护内置的取心内筒和液压推动总成等内部部件，另一方面连接钻杆传输旋转动力，带动钻头取心钻进。

② 取心内筒 取心内筒是收集、切断并密封煤心的部件，采用取心和解吸一体化设计，实现煤心在钻割后直至解吸全过程的密闭功能。取心内筒由剪切/关闭球阀、球阀转接头、取心筒管、解吸连接阀门以及定位轴承等组成。取心内筒前端通过转接头(球座)安装剪切/关闭球阀。取心筒管在取心过程中收集煤心，取心钻进结束后，剪切/关闭球阀截断煤心并将煤心密闭在取心筒内。取心筒末端安装解吸阀门，使取心内筒可兼作解吸罐，剪切/关闭球阀关闭的同时，关闭解吸阀门，取心结束后无需拆开取心内筒与煤样装罐，即可连接煤层气测试设备进行现场解吸测试。

③液压推动总成 液压推动总成位于悬挂总成和取心内筒之间，由液压推动头、投球装置以及销钉等组成。液压推动头由动力销钉固定在投球装置的管路卡槽中，与外筒、上悬挂(图1)共同形成了液压缸，液压缸压力上升至剪断动力销钉时，液压推动头下行。推动短节安装于液压推动头下端，液压推动头下行时，推动短节与取心内筒上端接触并使之下行，取心内筒球阀与推动环、解吸阀及固定触点接触，并各自实现反转关闭。

④ 投送打捞装置 投送打捞装置是实现地面井密闭取心装置快速输送到取心位置和提升获取密闭取心内筒组件的关键部件，如图2 所示，其主要包括捞矛头、震击器和加重杆等部件。为了便于密闭取心装置投球打压，捞矛头设计成公捞矛头；震击器和加重杆为加力装置，在投送取心内筒组件时用于震击并迫使取心内筒组件在取心外筒设定位置上定位(定位销弹出)。取心钻进到位后，钢丝绳提升系统连接工具串(捞矛头、震击器和加重杆的连接组合)由孔口向钻杆内下放，捞矛头在工具串自重的作用下冲击进入取心内筒组件上端的打捞颈，完成连接，启动钢丝绳提升系统上提取心内筒组件，完成打捞作业。

⑤ 其他组件 动力销钉是蓄能升压的关键，根据煤层地质条件和现场实际，可选配不同规格的动力销钉，材质为铜质或钢质销钉。封堵球可根据取心钻杆规格和投球装置水路尺寸选配，主要有ø20 mm、ø21 mm、ø23 mm 等规格高密度球。此外，密闭取心装置设计考虑了与各种钻机、钻具的搭配和衔接，可选配各种钻具变径接头。

1.2 密闭取心钻头

密闭取心钻头是密闭取心装置的重要部件之一，其设计的优劣直接影响煤心采取率和密闭取心装置关闭成功率。为了与密闭取心装置相配合，将密闭取心钻头设计成底喷式、内通孔式，并在钻头内部设计台阶面，与取心内筒球阀下推动环配合，同时为了满足现场不同工程试验条件需要，设计加工了PDC 和金刚石两种材质、ø146 mm/ø127 mm 两种外径的取心钻头。

1.3 装置调试

1.3.1 气密性检测

取心内筒的密闭性能检测是密闭取心装置使用前的基础而重要的工作，为达到密闭取心装置的密封气体能力，要求取心内筒保压能力不低于10 MPa。为此，在取心内筒组装完成后，须进行取心内筒的气密性检测。在室温28℃、相对湿度46%的环境中，取心内筒密封压力达到11.50 MPa(氮气气源)，保压60 min 压力不下降，即取心内筒满足气密性要求。

1.3.2 打压关闭试验

打压关闭试验是检验密闭取心装置是否能在一定压力下完成关闭动作的重要步骤，为此，在密闭取心装置组装完成后，进行打压关闭试验。采用专用打压检验设备，清水水源，密闭取心装置无切割阻力(空载)，安装2 个动力销钉，10 回次的打压试验均获得预期效果，取心内筒剪切球阀和解吸阀均关闭严密，试验关闭压力为3.0～4.5 MPa。试验表明，该套密闭取心装置在一定压力条件下，能按设计要求完成打压和关闭动作。

1.3.3 绳索投捞模拟试验

为检验密闭取心装置在地面井中的快速投送和回收工艺，进行密闭取心内筒组件的投送和打捞试验共计60 回次，包括钢丝输送方式37 次，自由落体方式投送23 次，后者是为了模拟密闭取心内筒组件在钢丝系统无操控、内筒组件后半程急速下坠等极端条件下的投捞效果。试验打捞成功率达到100%，钢丝绳输送方式投送成功率达到100%，自由落体方式投送成功率为83%，总体投送成功率达到 93%。试验表明，正常情况下，密闭取心装置通过钢丝绳提升系统进行快速投捞是可行的。但如果取心内筒组件急速下坠，取心内筒上端的动力剪切销钉被剪断，取心内筒下行导致下推动环与钻头内台阶面接触，可能使取心内筒提前密闭。

2 地面井绳索密闭取心技术工艺

地面井绳索密闭取心技术工艺流程如图3 所示，现场试验严格遵照流程执行，确保密闭取心质量和气含量测试准确性，主要试验步骤如下。

图3 绳索密闭取心工艺流程Fig.3 Technological process of wireline sealed coring

①钻孔施工 为保证地面井密闭取心装置顺利下入钻孔预定取心深度，以及钻取煤心时顺利排渣的需要，地面井施工钻孔最小孔径应大于密闭取心钻头外径(ø127 mm 或ø146 mm)；为了保证取心内筒组件在钻杆内可以通过，要求绳索取心钻杆内通径不小于ø101 mm，且不大于ø120 mm；密闭取心时宜采用清水取心钻进及割心关闭，必须采用泥浆或其他介质钻井液时，泥浆或钻井液密度不宜大于1.05 g/cm3；钻机配套泥浆泵应满足密闭取心泵注压力要求，且低流量时压力不低于15 MPa，最低档流量不得大于100 L/min。

② 密闭取心装置输送 钻孔施工至设计取心位置后，提出井内所有钻具。第一回次密闭取心，可将取心内筒组件与密闭取心外筒等安装好后，与取心钻头、钻杆可靠连接，并缓慢、匀速下入孔底。除第一次取心外，其余回次可由投送打捞装置直接将取心内筒组件输送入孔底的密闭取心装置内部，由此实现钻孔内的密闭、快速、连续取心。

③取心钻进 取心装置输送到位后，采用小排量钻井液循环直至井口返出钻井液为止，之后即可开始钻进取心，取心进尺应根据取心目的和煤层地质条件确定，一般取1.2～1.5 m 为宜。

④ 打压关闭 打压是实现取心内筒密封煤心的关键环节，基于绳索密闭取心装置的工作原理和结构，打压主要经历压力缓缓上升和压力骤然下降两个过程。取心钻进结束后，卸开最上端钻杆，由开口处投入封堵球，连接泥浆泵，检查高压管和设备连接可靠后，开启泥浆泵缓慢升压，待压力升高至最大值后骤然下降时，预判密闭取心内筒已关闭，即可停止打压。

⑤ 打捞内筒组件 将投送打捞装置与绞车提升系统连接，缓慢下入孔底，到达预计深度后，投送打捞装置嵌入密闭取心内筒组件的打捞颈，之后即可启动绞车提升系统，将取心内筒组件提至孔口，取出取心内筒。需要继续取心时，可更换取心内筒后，重复步骤②—⑤进行绳索密闭取心。

⑥ 取心内筒气密性检测及称重 取心内筒取出后，应立即检查取心内筒的气密性。确认取心内筒球阀关闭良好后，将取心内筒密封端浸入清水中，观察5 min，检查有无气泡冒出。称量取心后取心器内筒质量，估算煤心样品质量。之后即可将取心内筒放入现场恒温水浴，并可连接解吸仪进行现场解吸。

3 绳索密闭取心工程试验

为了检验地面煤层气井绳索密闭取心装置的性能及煤层气含量测试结果准确度，通过分析调研，选择在晋城矿区寺河井田开展现场工程试验。

3.1 试验区概况

晋城矿区寺河井田位于沁水煤田南部、晋城矿区中东部，井田发育了一系列近SN—NNE 向的宽缓褶曲，形成井田内岩(煤)层的波状起伏，地层倾角3°～15º，一般在10º以内。主要含煤地层为二叠系下统山西组(P1s)和石炭–二叠系太原组(C2P1t)，平均厚136.02 m。含煤15 层，煤层总厚14.67 m，含煤系数10.8%，其中可采和局部可采煤层3 层，总厚度10.32 m，3 号和15 号为主要可采煤层，9 号为局部可采煤层，寺河煤矿主采3 号煤层，该煤层位于山西组下部，煤厚4.45～8.75 m，平均6.31 m，结构属简单—较简单型。

寺河井田3 号煤层煤体坚硬程度总体属于中硬，煤的坚固性系数一般为0.79～3.13，平均值为1.91；煤层变质程度较高，煤种为无烟煤；煤层气(瓦斯)含量较高，寺河区块地面井实测3 号煤层埋深在200～400 m 段煤层气含量平均约为11.32 m3/t，埋深400～700 m 段煤层气含量约为7.67～25.76 m3/t；寺河煤矿东井实测 3 号煤层瓦斯含量为 8.47～28.10 m3/t，西井实测3 号煤层瓦斯含量为11.69～21.80 m3/t[13-14]。寺河煤矿为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯灾害一直困扰煤矿的安全高效生产，煤层气含量大于16 m3/t 的区域采煤前进行煤层气地面井预抽[15]，实现采煤采气一体化[16-17]，本次绳索密闭取心试验选择在地面抽采效果检验井中进行。

3.2 岩层密闭取心试验

钻井施工至目标煤层以上20 m 时，开展岩层密闭取心试验，以便掌握井内状况、检验密闭取心装置井内输送是否通畅，以及事先解决可能存在的问题或隐患。试验技术人员进入SHX2-01 井现场，共完成2 个回次的岩层密闭取心试验，密闭取心层段为135～160 m。第1 回次取心进尺0.90 m，岩心长0.40 m，岩性为砂岩、泥岩互层，取心内筒关闭严密，密闭取心钻头水眼有被泥岩堵实现象；第2 回次取心进尺1.20 m，岩心长1.00 m，岩性为砂岩、泥岩互层，取心内筒关闭严密。

现场试验结果表明：试验地面井井径、钻机、钻杆等方面与密闭取心装置配合良好，钻井液参数、泥浆泵压力等能够满足地面井密闭取心试验要求；现场实际工况下，密闭取心装置各组件能够联动实现既定动作；取心钻进过程，高转速、低钻压、小排量可以钻取到较为完整的柱状岩心。

但存在如下问题：取心内筒组件采用绳索投送后，打捞器与取心内筒组件分离较为困难；取心内筒内无卡簧，在上提钻杆与投球环节，部分岩心可能从内筒中掉出。

针对上述问题，技术人员采取调整打捞工艺相关参数、在取心内筒内部增设卡簧等措施，以便在煤层段获得预期取心效果。

3.3 煤层密闭取心气含量测定

选择晋城矿区煤层气抽采效果检测井 SHX2-01、SHX2-02 和SHX3-02 井作为本次试验井，上述3 口井均对3 号煤层进行了煤层气抽采，绳索密闭取心试验也在3 号煤层中开展，通过实际测定方法检验煤层气井抽采效果。此外，为对比密闭取心效果，同一层煤采用常规(绳索)取心和绳索密闭取心进行取样，取样参数见表1。SHX2-01 井常规取心2 个，绳索密闭取心1 个，取心过程顺利，绳索提心用时5 min(提心速度66.92 m/min)，取心内筒关闭严密；SHX2-02 井常规取心3 个，密闭取心1 个，因绳索打捞失败而采用提钻取心，耗时182 min(提心速度2.39 m/min)，样品密封严密；SHX3-02 井常规取心2 个，密闭取心1 个，取心内筒关闭严密，绳索提心过程顺利，绳索提心耗时5 min(提心速度63.60 m/min)。

所采取样品及时放入现场恒温水浴中，模拟储层温度条件，参照GB/T 19559—2008《煤层气含量测定方法》相关规定进行解吸，之后送至实验室进一步化验测试，测试结果见表1，试验区3 号煤层气含量常规取心测值为5.60～8.79 cm3/g，密闭取心气含量测值为7.25～9.86 cm3/g。结合以往测定煤层气含量数据(平均值11.32 m3/t)分析可知，试验区3号煤层气含量明显降低，地面井煤层气抽采效果显著；单井同一煤层对比分析可知，煤层密闭取心空气干燥基气含量为常规(绳索)取心气含量测值的1.12～1.17 倍。综上分析可见，地面煤层气井绳索密闭取心技术提高了煤层气含量测定准确度的同时，也提高了密闭取心效率。

表1 煤层取心及气含量测定结果Table 1 Coal seam coring and gas content determination results

4 结论

a.研制地面井煤层绳索密闭取心装置，提出地面井煤层绳索密闭取心技术工艺。煤层绳索密闭取心内筒组件上端设计绳索投捞接口(打捞颈)，配套设计绳索投捞工具串和绳索提升系统，实现取心内筒组件的快速下放与提升；采用液压推动头直接推动取心内筒下行的方式达到球阀旋转关闭的目的，在保证足够的取心内筒容积(内径达到48 mm)和环空间隙的同时，将密闭取心装置外径最小化(ø114 mm)，配套ø127 mm 取心钻头，使整套密闭取心装置适用较多井型。

b.选择晋城矿区中硬、高变质、高瓦斯煤层区的地面井进行煤(岩)层绳索密闭取心工程试验，获得3 号煤层常规取心样品7 个，密闭取心样品3 个，样品气含量测试结果为试验区煤层气抽采效果评价提供了准确的数据支撑。工程试验效果考察表明，单井同一煤层密闭取心空气干燥基气含量为常规(绳索)取心气含量测值(平均值)的1.12～1.17 倍，绳索提心速度为63.60～66.92 m/min，地面煤层气井绳索密闭取心气含量测定技术在提高煤层气含量测定准确度的同时，大幅缩短密闭取心所需时间，降低作业强度并提高密闭取心的效率。晋城矿区煤层气抽采检验井中的密闭取心与常规取心煤层抽采剩余气含量测试对比试验也表明，中硬、高变质、较低气含量的煤层中绳索取心煤层气含量测试结果误差较小。

c.地面井煤层绳索密闭取心气含量测试技术为地面井煤层参数精准测试提供了有效手段，具有较好的实用价值。今后需要继续开展不同地质条件下，尤其是碎软煤层绳索快速密闭取心工程试验与应用推广，不断完善地面井煤层绳索密闭取心气含量测试技术体系。