山西省古縣永樂北區塊煤層氣井繩索取心難點與對策

李 一，郭岐山，趙倩卿，馬振偉

(山西乾通新能源開發集團有限公司， 太原 030012)

0 引言

煤層的含氣量、滲透率、含氣飽和度、煤體結構，以及煤層頂底板巖石物理力學性質等參數是開展煤層氣勘探評價及開發方案優選的關鍵因素[1-5]。在煤層氣勘探初期，高煤巖心采取率、快速提心及最大限度的保證煤巖心原生物理結構是進行煤層含氣量測試、頂底板力學性質測試、煤儲層物性分析的基礎。長期的煤系天然氣勘探實踐表明，繩索取心技術具有煤巖心采取率普遍較高、煤巖心提心及出心迅速、操作便捷及工程費用低等優勢，被廣泛應用在煤層氣勘探開發中[6]。但我國煤層氣田普遍經歷了多期構造改造，煤系宏觀非均質性較強，煤巖心的物理性質多變，給繩索取心技術提出了很高的要求。不同地質條件下的地區，需經過多環節的取心操作和各項參數的探索過程，從而積累出一套適合本區的繩索取心關鍵工藝及技術體系。

古縣永樂北煤層氣勘查區塊位于沁水盆地西南緣，經歷了多期構造改造，發育南北向的高角度正斷層及寬緩褶皺[7-9]。該區煤系受強烈的構造改造，斷層附近主力煤層及頂底板巖心破碎明顯，繩索取心時易發生掉塊、巖心入筒困難等問題，給取心帶來很大困難。本項研究以煤層氣探井北5井繩索取心工程實踐為例，重點分析繩索取心過程中遇到的問題，并詳細闡述采取的改進措施，期望工程實踐成果為類似地區煤系氣繩索取心工程工藝提供借鑒。

1 研究區地質特征及井身設計

1.1 地質特征

本區主要發育地層有：中奧陶系峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組和第四系。含煤地層主要為太原組和山西組。

1.2 井身設計

北5井位于山西古縣永樂北煤層氣區塊西部，由中煤地質集團有限公司在2020年5月組織施工。本井設計井深900m，預計主力煤層9+10、11號煤層厚度5.05m，煤層埋深823m。需要對主力煤層進行繩索取心作業，以取得該區煤層含氣量、煤巖特性及頂底板力學性質等相關參數。

本井設計二開井身結構，一開使用Φ311.2mm鉆頭，下入Φ244.5mm套管坐入基巖20m。二開使用Φ215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深，下入Φ139.7mm套管完井。揭開太原組煤層頂板K2灰巖3～5m后開始起鉆進行繩索取心作業。

2 巖心采取情況及原因分析

2.1 取心情況

本井鉆至太原組818m時開始取心作業?，F場使用Φ215.9mm，4刀翼，16mm復合片鉆頭，WH-B型取心工具。鉆井液參數：密度1.05g/cm3，黏度28s。主要工程參數：鉆壓25～40kN，轉速45～60r/min，排量15～20L/s。在取心過程中，分別在第5回次和第7回次發生上提巖心管遇阻現象，現場經過反復上提下放，最終成功提升至井口?；卮稳⌒膸r性均為石灰巖，收獲率見表1，1～10回次為前期取心情況，收獲率較低。取出的巖心圖樣見圖1。

圖1 破碎巖心照片Figure 1 Crushed cores photo

表1 回次取心統計

2.2 原因分析

從現場取出的巖心判斷，巖性為深灰色灰巖，破碎嚴重。斷口較平坦，不規則裂縫發育且有方解石填充。說明該區受構造影響地層較為破碎，巖心進筒困難，未進筒的巖心落入井底易發生磨心，是造成取心收獲率低的主要原因。且由于碎巖心落入井底難以循環至地面，因此也會對主力煤層取心收獲率造成影響。

使用的取心鉆頭復合片直徑過大，對地層的攻擊性強，使本身就破碎的巖心更難進入巖心管內筒。鉆井液性能難以維持井壁的穩定，現場判斷上部地層存在掉塊現象導致巖屑渣掉落于巖心管造成上提困難。

3 煤巖心采取率提高對策

3.1 巖石段取心情況

通過現場取得的巖心情況判斷，破碎巖心難以進入取心筒內管且容易掉落井底造成磨心是收獲率低的主要原因，因此應首先對井底進行清理。

選用Φ177.8mm撈筒(本體長1.42m)+Φ127mm鉆桿組合鉆具，下至井底，提離井底30cm開泵循環，然后關泵并緩慢提鉆至距離井底70cm，反復3次開停泵。起鉆至井口，撈出巖心單體長度3～10cm，累計長度約65cm。

通過分析鉆頭破巖原理，首次選用的Φ215.9mm，4刀翼16mm復合片鉆頭對地層的攻擊性較大，對破碎地層使巖心更難進入取心筒內管。后選用的Φ177.8mm，8刀翼9mm復合片鉆頭，更多接觸圍巖獲得支撐，減少鉆頭對地層的攻擊性，能更穩定的切削地層。且該鉆頭的另一個特點是水眼斜向外側, 使鉆井液不直接沖刷巖心柱表面，進而保證了巖心收獲率，最后再進行擴眼作業進而達到井身質量要求。

調整鉆井液失水控制在9mL以內，防止過大的失水導致上部地層泥巖段因吸水膨脹導致掉塊。并將鉆井液密度提至1.07～1.09g/cm3，維持井壁的穩定。由此避免在提升取心筒時再次發生遇阻事故。

通過對鉆井參數的探索，針對較為破碎的地層，樹心完成后較大的鉆壓和較低的轉速更有利于破碎的巖心進入巖心筒內管。同時在保證攜巖的前提下，應降低排量減少鉆井液對巖心的沖刷。本井在后續施工中，當使用小鉆壓樹心完成后，鉆壓逐漸提升至40kN，轉速控制在45r/min。排量降低至15L/s。

通過以上技術措施，在剩余回次(11～15)的取心過程中，巖心收獲率明顯提高(表1)。

3.2 煤層段取心情況

本井取心至827.8m處開始開始鉆遇煤層。使用以上技術措施，依然可以保證煤層段較高的取心收獲率，但值得注意的是，在本井取心第16回次和第19回次收獲率有所降低，而其它回次的收獲率基本都能達到100%。從取上來的煤心看，本井鉆遇的煤層媒體結構較差，屬于碎粒煤。在取心的各回次中，如果鉆遇的巖性單一，則收獲率不會受到影響。但由于煤層的物理性質和巖層物理性質差異大，因此當一個回次中先鉆遇巖層再鉆遇煤層時，如果煤體結構較差，則較軟的煤層難以將較為堅硬的巖層推入巖心管內筒，煤層容易被沖掉，進而降低取心收獲率。而從本井取心的第17回次可以看出，當先鉆遇煤層再鉆遇巖層，由于先鉆遇的煤層已經順利進入巖心管內筒，不會受到鉆井液沖刷，后鉆遇的較硬的巖層也容易推動煤心繼續進入巖心管，因此收獲率未受到影響。所以在即將取到煤層時，現場應仔細操作(表2)。當遇到鉆時突然加快，應果斷停止取心作業，上提鉆具割心。保證本回次的收獲率不收影響。

表2 煤層段取心統計

4 結論

1)針對較為破碎的地層取心作業，優選適合的鉆頭對保證取心收獲率至關重要?？蛇x擇多刀翼，小直徑復合片且水眼噴射方向向外的鉆頭，減少鉆頭對地層的沖擊性。

2)取心作業前應將鉆井液密度調整至設計上限，嚴格控失水，確保井壁穩定，在確定井筒內滿足施工條件后方可進行取心作業。

3)當收獲率較低時首先應判斷井底是否干凈清潔，當多回次收獲率較低時，應采取一定措施保證井底清潔后方可繼續作業。

4)可使用小鉆壓樹心，后逐步提升鉆壓，配合低轉速、低排量作業，保證巖心順利進入巖心筒內管。