(一)集气式煤层气取心系统
煤层气(亦称瓦斯)钻探采样是煤田勘探中一项重要工作,要求采取接近自然煤层气含量的煤心并收集煤中释出的气体,以查明煤层中赋存的煤层气含量及性质,为煤田开采和通风设计提供原始资料。常用的煤层气取样钻具有集气式单动双管和集气式双动双管两种钻具。
1.集气式单动双管钻具
集气式单动双管钻具由外管、带集气室的内管(试验部分)和带缓冲器的连动部分组成。该钻具结构如图4-26所示。
工作原理:钻具下入孔内预定煤层钻进,煤心顶破密封纸进入内管28,煤心和煤层泄出的煤层气通过内管接头25聚集在气室上部,内管及集气室中的水则经排水管23、阀门套管22、顶管18、支撑杆16、内异径接头7和顶杆3的回水孔排到钻具外。钻进0.3m左右即提钻,卸下试验部分密封后送化验室分析。
操作注意事项:
1)如图4-27所示,下钻前卸下试验部分,把抽气接头3拧在接头4(17)上,然后将试验部分倒立使内钻头垂直朝上。向内管注清水,用一短棍顶开阀门7(20)。当接头4(17)有水外溢时,说明内管中的空气已排出,内管注满水后用约1mm厚塑料纸(31)垫在内钻头端部,套上专用橡皮套,再垫一层塑料纸并用绳捆紧,要求下钻时不被水冲掉,钻进时能被煤心顶破。注水排气是为了保证煤心中煤层气的纯洁性和代表性。注水并封密内钻头后,配好外管下钻。
图4-26 集气式单动双管钻具
1—异径接头;2—保护管;3—顶杆;4—连接器;5—塞线;6—塞线压盖;7—内异径接头;8—限制器;9—减震弹簧;10—轴承;11—钢球;12—短管;13—塞线;14—塞线压盖;15—短管接头;16—支撑杆;17—接头;18—顶管;19—螺母;20—阀门;21—阀门弹簧;22—阀门套管;23—排水管;24—集气室;25—内管接头;26—通孔栓;27—外管;28—内管;29—爪簧;30—内钻头接头;31—薄膜塑料;32—内钻头;33—外钻头
图4-27 抽气接头与集气室阀门构造图
1—启闭螺钉;2—开关壳;3—抽气接头;4—接头(17);5—顶管(18);6—螺帽(19);7—阀门(20);8—阀门套管(22);9—排水管(23);10—阀门弹簧(21);11—胶垫;12—垫圈;13—真空胶皮管。括号中的数字为图426的零件号
2)为绝对保证各丝扣连接处不漏气,必须缠棉丝并涂铅油。
3)下钻速度要慢,尤其是钻具进入钻孔液面前必须放慢速度,防止密封纸被顶破,进入空气,影响煤层气采取质量。
4)钻具下至距孔底0.5m左右时,开泵冲孔5～10min,然后将钻具缓慢放到孔底开始钻进。严禁用此钻具扫孔,正常钻进中,严禁提动钻具。
5)回次终了,减水、稍加压钻进50mm左右,以压紧内钻头之煤心,造成堵塞,不致提钻时煤心中途脱落或因煤层气压力而冲掉。
6)提升钻具时,要求特别平稳,特别轻。
7)钻具提出孔口后应保持钻具向下倾斜,迅速卸下外管,立即用密封盖封住内钻头下端。再由支撑杆16处卸下试验部分,取出顶管18,迅速拧上塞头螺丝(或抽气接头),在其密封处涂上铅油,并将密封好的试验部分沉入水中10min左右检查是否漏气,如漏气则需要重新封闭。然后尽快送化验室。密封后的试验部分如图4-28所示。
图4-28 密封试验部分
1—塞头螺丝;2—排水管;3—煤层气;4—水;5—煤心;6—密封盖;7—胶垫
8)装有煤层气的试验部分应及时编号装箱运送,运送途中切勿冲击与急剧振动,以防漏气甚至煤层气爆炸。
9)钻具使用完毕,必须洗净涂油,三个部分分别放置保管(试验部分内壁不能涂油,因为油会影响化验准确性)。
2.集气式双动双管钻具
集气式双动双管(图4-29)的设计思路是排水集气原理。采样前钻具集气室和内管均充满液体,采样过程中进入内管的煤心失去地层应力,又经钻头的破坏,使赋存其中的煤层气释出并经导气管11的中心孔浮升到集气室顶部。而集气室内的液体受煤层气排挤经回水管10、出水管8、径异径接头1的回水孔排出。于是聚集于集气室液体上部的煤层气不会逸散。
由上述原理可知,如内管过长或集气室过短,大量煤层气进入使回水管下端露出液面,煤层气便会经回水管、出水管、异径接头回水孔跑掉,造成采样失败。因此,集气室和内管的长度应根据所勘探的煤层气含量来决定。
采样操作分为准备工作、采样、密封三个工序。
(1)准备工作
采样前将内管各部件拆洗干净,给丝扣缠棉纱和涂铅油,并在管外连接处涂一层密封胶水,确保密封性良好。连接好的内管应通过5～10大气压或20～30大气压的打压试验。
图4-29 集气式双动双管钻具
1—异径接头;2—外管;3—外管钻头;4—内管钻头;5—胶管夹;6—胶管;7—气嘴;8—出水管;9—内管变丝接头;10—回水管;11—导气管;12—中间接头;13—岩心管;14—隔膜保护圈;15—内管钻头密封圈;16—密封胶圈;17—隔板;18—中间隔板;19—岩心管;20—集气室;21—内管;22—塑料纸隔膜
钻具下孔前内管要注满液体,排除其中的空气。灌注时将内管倒立,松开胶管夹5,见胶管6有液体流出时夹紧夹子并将煤心管注满。然后用隔膜保护圈、油纸或塑料膜密封内管钻头,并拧在内管上。最后放平内管,卸去气嘴7,接上异径接头和外管就可以下降钻具。
(2)采样操作
和前述单动双管一样,下钻要缓慢,防止冲破隔膜使泥浆进入内管。接近孔底时应一面冲孔一面下钻,以保证孔底清洁。钻进煤层采样过程中要控制回次进尺长度,一般0.5m左右,为卡牢煤心和封闭钻头底端,在提钻前应用大钻压干钻2～3min。
(3)密封工作
钻具提至地面后应保持垂直状态,迅速拧下外管,拧上钻头密封盖。拧上带胶管的气咀,并事先用夹子夹紧胶管。为确保钻头底端的密封可在钻头密封盖内放入大小适当的泥球再拧紧密封盖。擦洗干净内管外壁,各连接缝处重新涂一层密封胶水并放入水中检查是否漏气,然后迅速送化验室。
(二)页岩气密闭取心系统
页岩气是以多种相态存在,主体上富集于泥页岩及部分粉砂岩地层中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。页岩气勘探阶段钻探不同于普通地质岩心钻探,因为页岩岩心采取后需要进行气体总量和多项参数实验测定分析及井眼含碳量(TOC)测定等,因此需要进行页岩层密闭取心,目前密闭取心钻具类型主要有机械加压式和自锁式两种。
1.机械加压式密闭取心钻具
该密闭取心钻具(图4-30)主要由密闭堵头、取心钻头、岩心爪、内外岩心管总成、机械加压接头五部分组成。该钻具具有如下特点:①整个内管密封并装满密闭液,下端的密闭堵头通过3个销钉固定在钻头进口处;②钻具设计为“双管双动”结构;③取心钻头采用斜水眼且偏向井壁。
图4-30 机械加压式密闭取心钻具结构示意图
1—加压上接头;2—钢球;3—加压杆;4—六方套;5—密封圈;6—六方杆;7—加压下接头;8—悬挂接头;9—承压帽;10—丝堵;11—钢球;12—销钉;13—外管上接头;14—堵头;15—密封圈;16—内管接头;17—外管;18—钻头接头;19—钻头;20—活塞体;21—岩心爪;22—密封圈;23—销钉;24—触压头
钻具工作原理:密闭触压头超前于钻头,所以在钻头接触井底之前,密闭头固定销钉先被剪断,整个密闭头上行,管内的密闭液开始排出并在井底逐渐形成保护区,为密取做好准备。随着岩心不断形成,推动密闭堵头上行,因为内管上端是密封的,所以管内的密闭液就被岩心挤压从内管和岩心柱之间的环形间隙向下作等体积排出,连续均匀地涂抹在岩心表面形成保护膜,从而达到保护岩心免遭泥浆自由水污染的目的。由于在钻进过程中内外岩心管无相对运动,这就使得内管组合与钻头配合面成为可靠的静密封,有效地克服了泥浆浸入内管的可能性。取心钻头的水眼偏向井壁,使射流不直接冲刷岩心根部,有利于护心。取心完上提钻具投球加压割心,借助钻具的重力将承压帽销子剪断,悬挂钢球失去悬挂作用,使内管压在岩心爪上,迫使岩心爪收拢,卡紧岩心,上提钻具将岩心拔断。取出的岩心按规定取样,及时在现场化验分析。当岩心受泥浆污染时,示踪剂也必然浸入岩心,因此利用显色剂可鉴别岩样中有无示踪剂存在,便可换算出泥浆自由水对岩心的浸入量,岩心的密闭率为合格样品数与总样品数的百分比。
2.自锁式密闭取心钻具
大庆钻井工程技术研究院研制的自锁式密闭取心钻具如图4-31所示。该钻具直径Φ215mm,由大接头、丝堵、外管上接头、内外岩心管、外管下接头、内管密封圈、卡箍岩心爪、密闭头、剪销和取心钻头等部件组成,属于双管双动式钻具。钻具特点是:①适用于中深井、深井800～5500m井段密闭取心;②整体式岩心爪稳坐于钻头内腔锥面,卡心牢靠;③内外管悬挂装置简单,组装、拆卸方便,省去了复杂的投球加压法割心工艺;④配有多种类型取心钻头。
图4-31 自锁式密闭取心钻具结构示意图
1—大接头;2—丝堵;3—接头;4—外管;5—内管;6—下接头;7—岩心爪;8—钻头;9—密闭头
钻具工作原理:取心钻进时,内外管同时旋转,内管里注满密闭液。当密闭头通过岩心爪进入内管,密闭液则从其间隙流出,并均匀地涂在岩心表面上,形成一层保护膜,防止泥浆浸入岩心。钻取的岩心克服岩心爪的摩擦力进入内管。割心时,上提钻具,岩心爪沿钻头内锥面下行,将岩心卡紧。当上提拉力达到岩心断面极限拉断力时,岩心即被割断。
(三)天然气水合物保压、保真取心系统
天然气水合物(亦称可燃冰)主要成分是甲烷(CH4),遇热迅速分解,可燃。1m3天然气水合物在标准温度、压力下能释放出164m3甲烷气体。天然气水合物大都赋存于高原永冻层和海底,它在地下储层中以固体状态存在。用常规钻探取心方法,天然气水合物将随着钻具提升(温度上升、压力变小)而从固态变为气态和液态,从而无法获取天然气水合物储层的地质资料。所以,天然气水合物钻探必须有特殊的保温、保压取心钻具。近年来,我国对天然气水合物的勘探十分重视,中国石油大学(华东)和中国石化胜利油田钻井工艺研究院共同研制的“天然气水合物深水深孔钻探取心系统”进行了下井试验,并获得成功。
该取心系统(图4-32)由钻具悬挂总成,锁定机构、取心内管、保温保压管、取心外管球阀机构、取心钻头、压力补偿装置、测温测压记录系统及内管回收装置等组成。
深部岩心钻探技术与管理
1—打捞头;2—限位及锁定总成;3—外限位体;4—密封机构;5—转动轴承;6—压力补偿装置及泄压机构;7—保温保压管;8—内管扶正体;9—外管;10—过渡接头;11—内管鞋;12—岩心爪;13—球阀关闭机构;14—保温保压记录系统;15—取心钻头
系统工作原理:用取心专用钻杆将绳索取心内管组合送入海底进行取心作业,取心结束后,通过绳索提起取心内管总成,带动活塞上行,产生负压使球阀关闭,实现保温保压取心。需要进行全面钻进时,从井口投入钻头塞堵塞流道,实现取心钻头的全面钻进。连续取心时,用绳索提出钻头塞组合,然后投入取心内管总成,实现取心作业。
系统的结构特点:
1)考虑钻具外形尺寸的限制,优选金属真空保温管,内外表面喷涂等离子保温材料的被动保温方式,系统保温管设计如图4-33所示。
图4-33 保温管示意图
2)在球阀关闭机构附近设有压力温度记录仪,起钻后现场可测出保温保压管内的温度、压力并与压力温度记录仪的回放值进行比较,得出取心系统的保温保压结果。
3)保温保压取心管及内部结构单动,避免了对岩样的干扰,有利于提高岩样收获率。
4)钻具外管带周向锁定机构,可实现取样与全孔钻进的转换。
5)靠液压和绳索机构的联合作用实现球阀机构关闭和释放机构的工作,安全可靠。
6)岩心管采用低摩阻复合材料或铝合金,有利于岩心的进入。
7)取心钻头配有多种切削齿,以适应软硬程度不同的地层,利用绳索使岩样从井底到地面的时间缩短,有利于实现保温保压目的。
天然气水合物深水深孔取心系统在山东渤海湾浅海地区胜利CB25GA-6井进行现场取心试验,在井深375～379.3m间进行了2次作业,共取心4.3m,平均岩心收获率为95.35%。最多一次取心3.1m,收获率为100%;钻具出井口后通过现场快速测试技术对保压情况进行了测试,实行不同时间段间隔测试,第一次测试压力为4.25MPa,在16.5h后测压为4.213MPa,降低0.037MPa,获得了较好的效果。
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