(壹)集氣式煤層氣取心系統
煤層氣(亦稱瓦斯)鉆探采樣是煤田勘探中壹項重要工作,要求采取接近自然煤層氣含量的煤心並收集煤中釋出的氣體,以查明煤層中賦存的煤層氣含量及性質,為煤田開采和通風設計提供原始資料。常用的煤層氣取樣鉆具有集氣式單動雙管和集氣式雙動雙管兩種鉆具。
1.集氣式單動雙管鉆具
集氣式單動雙管鉆具由外管、帶集氣室的內管(試驗部分)和帶緩沖器的連動部分組成。該鉆具結構如圖4-26所示。
工作原理:鉆具下入孔內預定煤層鉆進,煤心頂破密封紙進入內管28,煤心和煤層泄出的煤層氣通過內管接頭25聚集在氣室上部,內管及集氣室中的水則經排水管23、閥門套管22、頂管18、支撐桿16、內異徑接頭7和頂桿3的回水孔排到鉆具外。鉆進0.3m左右即提鉆,卸下試驗部分密封後送化驗室分析。
操作註意事項:
1)如圖4-27所示,下鉆前卸下試驗部分,把抽氣接頭3擰在接頭4(17)上,然後將試驗部分倒立使內鉆頭垂直朝上。向內管註清水,用壹短棍頂開閥門7(20)。當接頭4(17)有水外溢時,說明內管中的空氣已排出,內管註滿水後用約1mm厚塑料紙(31)墊在內鉆頭端部,套上專用橡皮套,再墊壹層塑料紙並用繩捆緊,要求下鉆時不被水沖掉,鉆進時能被煤心頂破。註水排氣是為了保證煤心中煤層氣的純潔性和代表性。註水並封密內鉆頭後,配好外管下鉆。
圖4-26 集氣式單動雙管鉆具
1—異徑接頭;2—保護管;3—頂桿;4—連接器;5—塞線;6—塞線壓蓋;7—內異徑接頭;8—限制器;9—減震彈簧;10—軸承;11—鋼球;12—短管;13—塞線;14—塞線壓蓋;15—短管接頭;16—支撐桿;17—接頭;18—頂管;19—螺母;20—閥門;21—閥門彈簧;22—閥門套管;23—排水管;24—集氣室;25—內管接頭;26—通孔栓;27—外管;28—內管;29—爪簧;30—內鉆頭接頭;31—薄膜塑料;32—內鉆頭;33—外鉆頭
圖4-27 抽氣接頭與集氣室閥門構造圖
1—啟閉螺釘;2—開關殼;3—抽氣接頭;4—接頭(17);5—頂管(18);6—螺帽(19);7—閥門(20);8—閥門套管(22);9—排水管(23);10—閥門彈簧(21);11—膠墊;12—墊圈;13—真空膠皮管。括號中的數字為圖426的零件號
2)為絕對保證各絲扣連接處不漏氣,必須纏棉絲並塗鉛油。
3)下鉆速度要慢,尤其是鉆具進入鉆孔液面前必須放慢速度,防止密封紙被頂破,進入空氣,影響煤層氣采取質量。
4)鉆具下至距孔底0.5m左右時,開泵沖孔5～10min,然後將鉆具緩慢放到孔底開始鉆進。嚴禁用此鉆具掃孔,正常鉆進中,嚴禁提動鉆具。
5)回次終了,減水、稍加壓鉆進50mm左右,以壓緊內鉆頭之煤心,造成堵塞,不致提鉆時煤心中途脫落或因煤層氣壓力而沖掉。
6)提升鉆具時,要求特別平穩,特別輕。
7)鉆具提出孔口後應保持鉆具向下傾斜,迅速卸下外管,立即用密封蓋封住內鉆頭下端。再由支撐桿16處卸下試驗部分,取出頂管18,迅速擰上塞頭螺絲(或抽氣接頭),在其密封處塗上鉛油,並將密封好的試驗部分沈入水中10min左右檢查是否漏氣,如漏氣則需要重新封閉。然後盡快送化驗室。密封後的試驗部分如圖4-28所示。
圖4-28 密封試驗部分
1—塞頭螺絲;2—排水管;3—煤層氣;4—水;5—煤心;6—密封蓋;7—膠墊
8)裝有煤層氣的試驗部分應及時編號裝箱運送,運送途中切勿沖擊與急劇振動,以防漏氣甚至煤層氣爆炸。
9)鉆具使用完畢,必須洗凈塗油,三個部分分別放置保管(試驗部分內壁不能塗油,因為油會影響化驗準確性)。
2.集氣式雙動雙管鉆具
集氣式雙動雙管(圖4-29)的設計思路是排水集氣原理。采樣前鉆具集氣室和內管均充滿液體,采樣過程中進入內管的煤心失去地層應力,又經鉆頭的破壞,使賦存其中的煤層氣釋出並經導氣管11的中心孔浮升到集氣室頂部。而集氣室內的液體受煤層氣排擠經回水管10、出水管8、徑異徑接頭1的回水孔排出。於是聚集於集氣室液體上部的煤層氣不會逸散。
由上述原理可知,如內管過長或集氣室過短,大量煤層氣進入使回水管下端露出液面,煤層氣便會經回水管、出水管、異徑接頭回水孔跑掉,造成采樣失敗。因此,集氣室和內管的長度應根據所勘探的煤層氣含量來決定。
采樣操作分為準備工作、采樣、密封三個工序。
(1)準備工作
采樣前將內管各部件拆洗幹凈,給絲扣纏棉紗和塗鉛油,並在管外連接處塗壹層密封膠水,確保密封性良好。連接好的內管應通過5～10大氣壓或20～30大氣壓的打壓試驗。
圖4-29 集氣式雙動雙管鉆具
1—異徑接頭;2—外管;3—外管鉆頭;4—內管鉆頭;5—膠管夾;6—膠管;7—氣嘴;8—出水管;9—內管變絲接頭;10—回水管;11—導氣管;12—中間接頭;13—巖心管;14—隔膜保護圈;15—內管鉆頭密封圈;16—密封膠圈;17—隔板;18—中間隔板;19—巖心管;20—集氣室;21—內管;22—塑料紙隔膜
鉆具下孔前內管要註滿液體,排除其中的空氣。灌註時將內管倒立,松開膠管夾5,見膠管6有液體流出時夾緊夾子並將煤心管註滿。然後用隔膜保護圈、油紙或塑料膜密封內管鉆頭,並擰在內管上。最後放平內管,卸去氣嘴7,接上異徑接頭和外管就可以下降鉆具。
(2)采樣操作
和前述單動雙管壹樣,下鉆要緩慢,防止沖破隔膜使泥漿進入內管。接近孔底時應壹面沖孔壹面下鉆,以保證孔底清潔。鉆進煤層采樣過程中要控制回次進尺長度,壹般0.5m左右,為卡牢煤心和封閉鉆頭底端,在提鉆前應用大鉆壓幹鉆2～3min。
(3)密封工作
鉆具提至地面後應保持垂直狀態,迅速擰下外管,擰上鉆頭密封蓋。擰上帶膠管的氣咀,並事先用夾子夾緊膠管。為確保鉆頭底端的密封可在鉆頭密封蓋內放入大小適當的泥球再擰緊密封蓋。擦洗幹凈內管外壁,各連接縫處重新塗壹層密封膠水並放入水中檢查是否漏氣,然後迅速送化驗室。
(二)頁巖氣密閉取心系統
頁巖氣是以多種相態存在,主體上富集於泥頁巖及部分粉砂巖地層中,以吸附或遊離狀態為主要存在方式的天然氣聚集。頁巖氣勘探階段鉆探不同於普通地質巖心鉆探,因為頁巖巖心采取後需要進行氣體總量和多項參數實驗測定分析及井眼含碳量(TOC)測定等,因此需要進行頁巖層密閉取心,目前密閉取心鉆具類型主要有機械加壓式和自鎖式兩種。
1.機械加壓式密閉取心鉆具
該密閉取心鉆具(圖4-30)主要由密閉堵頭、取心鉆頭、巖心爪、內外巖心管總成、機械加壓接頭五部分組成。該鉆具具有如下特點:①整個內管密封並裝滿密閉液,下端的密閉堵頭通過3個銷釘固定在鉆頭進口處;②鉆具設計為“雙管雙動”結構;③取心鉆頭采用斜水眼且偏向井壁。
圖4-30 機械加壓式密閉取心鉆具結構示意圖
1—加壓上接頭;2—鋼球;3—加壓桿;4—六方套;5—密封圈;6—六方桿;7—加壓下接頭;8—懸掛接頭;9—承壓帽;10—絲堵;11—鋼球;12—銷釘;13—外管上接頭;14—堵頭;15—密封圈;16—內管接頭;17—外管;18—鉆頭接頭;19—鉆頭;20—活塞體;21—巖心爪;22—密封圈;23—銷釘;24—觸壓頭
鉆具工作原理:密閉觸壓頭超前於鉆頭,所以在鉆頭接觸井底之前,密閉頭固定銷釘先被剪斷,整個密閉頭上行,管內的密閉液開始排出並在井底逐漸形成保護區,為密取做好準備。隨著巖心不斷形成,推動密閉堵頭上行,因為內管上端是密封的,所以管內的密閉液就被巖心擠壓從內管和巖心柱之間的環形間隙向下作等體積排出,連續均勻地塗抹在巖心表面形成保護膜,從而達到保護巖心免遭泥漿自由水汙染的目的。由於在鉆進過程中內外巖心管無相對運動,這就使得內管組合與鉆頭配合面成為可靠的靜密封,有效地克服了泥漿浸入內管的可能性。取心鉆頭的水眼偏向井壁,使射流不直接沖刷巖心根部,有利於護心。取心完上提鉆具投球加壓割心,借助鉆具的重力將承壓帽銷子剪斷,懸掛鋼球失去懸掛作用,使內管壓在巖心爪上,迫使巖心爪收攏,卡緊巖心,上提鉆具將巖心拔斷。取出的巖心按規定取樣,及時在現場化驗分析。當巖心受泥漿汙染時,示蹤劑也必然浸入巖心,因此利用顯色劑可鑒別巖樣中有無示蹤劑存在,便可換算出泥漿自由水對巖心的浸入量,巖心的密閉率為合格樣品數與總樣品數的百分比。
2.自鎖式密閉取心鉆具
大慶鉆井工程技術研究院研制的自鎖式密閉取心鉆具如圖4-31所示。該鉆具直徑Φ215mm,由大接頭、絲堵、外管上接頭、內外巖心管、外管下接頭、內管密封圈、卡箍巖心爪、密閉頭、剪銷和取心鉆頭等部件組成,屬於雙管雙動式鉆具。鉆具特點是:①適用於中深井、深井800～5500m井段密閉取心;②整體式巖心爪穩坐於鉆頭內腔錐面,卡心牢靠;③內外管懸掛裝置簡單,組裝、拆卸方便,省去了復雜的投球加壓法割心工藝;④配有多種類型取心鉆頭。
圖4-31 自鎖式密閉取心鉆具結構示意圖
1—大接頭;2—絲堵;3—接頭;4—外管;5—內管;6—下接頭;7—巖心爪;8—鉆頭;9—密閉頭
鉆具工作原理:取心鉆進時,內外管同時旋轉,內管裏註滿密閉液。當密閉頭通過巖心爪進入內管,密閉液則從其間隙流出,並均勻地塗在巖心表面上,形成壹層保護膜,防止泥漿浸入巖心。鉆取的巖心克服巖心爪的摩擦力進入內管。割心時,上提鉆具,巖心爪沿鉆頭內錐面下行,將巖心卡緊。當上提拉力達到巖心斷面極限拉斷力時,巖心即被割斷。
(三)天然氣水合物保壓、保真取心系統
天然氣水合物(亦稱可燃冰)主要成分是甲烷(CH4),遇熱迅速分解,可燃。1m3天然氣水合物在標準溫度、壓力下能釋放出164m3甲烷氣體。天然氣水合物大都賦存於高原永凍層和海底,它在地下儲層中以固體狀態存在。用常規鉆探取心方法,天然氣水合物將隨著鉆具提升(溫度上升、壓力變小)而從固態變為氣態和液態,從而無法獲取天然氣水合物儲層的地質資料。所以,天然氣水合物鉆探必須有特殊的保溫、保壓取心鉆具。近年來,我國對天然氣水合物的勘探十分重視,中國石油大學(華東)和中國石化勝利油田鉆井工藝研究院***同研制的“天然氣水合物深水深孔鉆探取心系統”進行了下井試驗,並獲得成功。
該取心系統(圖4-32)由鉆具懸掛總成,鎖定機構、取心內管、保溫保壓管、取心外管球閥機構、取心鉆頭、壓力補償裝置、測溫測壓記錄系統及內管回收裝置等組成。
深部巖心鉆探技術與管理
1—打撈頭;2—限位及鎖定總成;3—外限位體;4—密封機構;5—轉動軸承;6—壓力補償裝置及泄壓機構;7—保溫保壓管;8—內管扶正體;9—外管;10—過渡接頭;11—內管鞋;12—巖心爪;13—球閥關閉機構;14—保溫保壓記錄系統;15—取心鉆頭
系統工作原理:用取心專用鉆桿將繩索取心內管組合送入海底進行取心作業,取心結束後,通過繩索提起取心內管總成,帶動活塞上行,產生負壓使球閥關閉,實現保溫保壓取心。需要進行全面鉆進時,從井口投入鉆頭塞堵塞流道,實現取心鉆頭的全面鉆進。連續取心時,用繩索提出鉆頭塞組合,然後投入取心內管總成,實現取心作業。
系統的結構特點:
1)考慮鉆具外形尺寸的限制,優選金屬真空保溫管,內外表面噴塗等離子保溫材料的被動保溫方式,系統保溫管設計如圖4-33所示。
圖4-33 保溫管示意圖
2)在球閥關閉機構附近設有壓力溫度記錄儀,起鉆後現場可測出保溫保壓管內的溫度、壓力並與壓力溫度記錄儀的回放值進行比較,得出取心系統的保溫保壓結果。
3)保溫保壓取心管及內部結構單動,避免了對巖樣的幹擾,有利於提高巖樣收獲率。
4)鉆具外管帶周向鎖定機構,可實現取樣與全孔鉆進的轉換。
5)靠液壓和繩索機構的聯合作用實現球閥機構關閉和釋放機構的工作,安全可靠。
6)巖心管采用低摩阻復合材料或鋁合金,有利於巖心的進入。
7)取心鉆頭配有多種切削齒,以適應軟硬程度不同的地層,利用繩索使巖樣從井底到地面的時間縮短,有利於實現保溫保壓目的。
天然氣水合物深水深孔取心系統在山東渤海灣淺海地區勝利CB25GA-6井進行現場取心試驗,在井深375～379.3m間進行了2次作業,***取心4.3m,平均巖心收獲率為95.35%。最多壹次取心3.1m,收獲率為100%;鉆具出井口後通過現場快速測試技術對保壓情況進行了測試,實行不同時間段間隔測試,第壹次測試壓力為4.25MPa,在16.5h後測壓為4.213MPa,降低0.037MPa,獲得了較好的效果。