深层煤层气保压取心技术及应用研究

摘要

煤层气取心过程中，压力发生变化，会直接造成煤层岩心含气量及孔隙度等参数发生改变，这对煤层气体含量探测及煤层气成藏理论研究造成偏差。目前煤层气资源勘探取心采用的保压取心工具，保压能力低于50 MPa，不能满足深层煤层气资源精确勘查的需求。针对这一问题，研发了一种深层煤层气保压取心工具，保压能力60 MPa，单回次取心长度6.5 m，并通过理论分析、数值模拟、室内试验等方法验证了该工具的强度和安全性。在内蒙古某煤层气勘探井进行保压取心作业，共进行3筒保压取心，累计进尺9.4 m，收获岩心总长9.12 m，平均岩心收获率97%，保压成功率100%。研究结果表明：研制的深层煤层气保压取心工具性能可靠，可为煤层气、页岩气等非常规油气资源精确探测提供新的工具方法支撑。

关键词

资源勘探; 煤层气; 保压取心工具; 保压成功率

0 引言

煤层气是从煤岩中逸出的甲烷、二氧化碳和氮气等组成的混合气体，主要以吸附态赋存于煤孔隙中（70%~95%），少量以游离状态自由地存在于割理和其他裂缝或孔隙中（10%~20%），极少量以溶解态存在于煤层内的地下水中，属非常规天然气资源^［1］。煤储层与常规油气储层差异明显，煤层既是生气层，又是储气层，可改造性差。因此，准确分析煤层含气量及渗透性特征对于资源储量评价、揭示成藏机理等十分重要^［2-4］。目前，煤层气资源调查评价勘探的主要技术手段是采用常规绳索打捞取心钻具获取煤层岩心开展相关研究，但是在常规钻具获取煤心的过程中，岩心中的煤层气会因压力、温度的变化而逸散。为了确定打捞过程气损失量，通常利用 direct method算法进行修正估算^［5-8］，但是由于各地煤层参数的差异及外界环境因素的不确定性，常常造成气测结果出现较大偏差，极大地影响了后期对煤层气资源勘探开采方案的制定。

为了提高煤层气资源评价勘查精度，必须获取地层原位压力岩心来测量相关参数及建立计算模型。传统的取心工具不具备捕获压力岩心的能力，因此，开发一种可获取地层保压岩心的取心工具是当务之急。在过去的几年中，许多研究者对保压取心技术进行了研究^［9-15］。国外依托国际深海钻探计划（DSDP）和国际大洋钻探计划（ODP），研制了PTCS、FPC、PCS 和HRC等多种保压取心工具。国内，中国石油大学开发了PTPS保压取心工具，浙江大学研制了PTPC密封活塞保压取心工具，北京探矿工程研究所研制了TKP194-80型密闭保压取心工具（50 MPa），中国石油长城钻探公司开发了GW-CP194-80A型保压取心工具（50 MPa）。国内外保压取心工具的主要参数见表1。

表1  国内外保压取心工具参数

工具型号	研究机构	最大保压能力/MPa	岩心直径×长度/mm
PCB	国际深海钻探计划	35	Ø57.8×6000
PTCS	日本	30	Ø66.7×3000
FPC	欧盟	25	Ø50×1000
PCS	国际大洋钻探计划	69	Ø40×1000
HRC	欧盟	25	Ø50×1000
PTPC	浙江大学	30	Ø65×1000
PTPS	中国石油大学	30	Ø60×10000
TKP194-80B	北京探矿工程研究所	50	Ø80×6500
GW-CP194-80A	中国石油长城钻探公司	50	Ø80×6000

随着国家对煤层气资源勘查步伐加大，深层煤层气资源精确勘查需求显得尤为紧迫^［16-22］，目前煤层气资源勘探取心采用的保压取心工具保压能力低于50 MPa，不能满足深层煤层气资源精确勘查的需求。我们研制了一种用于深部地下煤层气资源勘查的新型保压取心工具，通过理论分析和数值模拟验证了工具的强度和工程安全性，通过室内实验及野外实际取心作业验证了取心系统的保压能力和取心系统的性能。该工具的研究可为深地保压取心技术及设备的研制提供理论指导和设计依据。

1 保压取心工具的结构和工作机理

保压取心工具的结构如图1所示。该工具主要由5大模块组成：差动模块、动力传递机构、钻具外管、取心模块和取心钻头（图1a）。动力传递机构的前端和后端分别通过外管与差动模块和取心组件连接。在钻取岩心之前和期间，钻井液流经差动机构内部，并从底部流出差动机构。 然后，钻井液流过取心模块和外管之间的环形空间，并最后经取心钻头流出。钻取岩心后取心工具中钻井液的循环方向如图1（b）所示，钻取岩心后，钢球落到取心工具差动机构总成的底座上，触发一系列机械动作，实现球阀关闭。在机械动作之后，钻井液将通过差动器的侧壁流出该组件，并流过取心组件和外管之间的环形空间，最终从取心钻头流出。

图1  保压取心工具的结构示意

注：  红色箭头表示钻井液循环的方向

取心过程如图2所示。保压取心工具过程由4个基本步骤组成：（1）下放保压取心工具至井底，如图2（a）所示，保压取心工具的顶部连接至普通钻杆（通常需要连接钻铤以提供足够的钻压），并通过常规钻柱起下钻将钻杆下入工作层。（2）取心钻探，如图2（b）所示，当取心操作开始时，钻头下降，岩心逐渐进入取心模块。该过程基本上与常规取心相同。（3）完成割心操作后投下钢球，钻井液流道发生变化，经过一系列机械动作后，压力差动机构与外管脱开，如图2（c）所示，在获取岩心样品后，取心模块底部的岩心卡簧牢牢抓住岩心，提升井口中的钻柱岩心在卡簧处被拉断，完成割心操作。此时，密封球阀保持打开状态。将钢球从井口钻杆处投入，顺着钻杆内通道落在取心工具内的差动模块的底座上，钢球与底座形成密封配合。在液压作用下，底座悬挂销钉被剪断，导致外管与取心工具内管脱开，在重力作用下外管带着取心钻头下移。下移过程中通过机械传动带动球阀翻转90°，实现球阀密封岩心。（4）取回保压取心工具，如图2（d）所示，通过传统的管柱起下钻收回保压取心工具。保压取心工具的主要技术参数见表2。

图2  保压取心过程示意

表2  保压取心工具主要技术参数

参 数 项	数值
工具长度/m	9.2
取心直径/mm	80
岩心长度（单回次取心长度）/m	6.5
设计保压能力/MPa	60

从取心过程可以看出，差动模块总成和取心模块总是关键机构，直接决定了保压取心作业的成败。

2 取心模块总成设计

取心模块总成是保压取心工具中最重要的部件之一，主要功能为：（1）取心过程中获取岩心样品；（2）通过球阀关闭形成密闭腔体，实现提钻过程中内部岩心压力保持不变；（3）通过隔温层实现内部岩心温度保持不变。

2.1 取心模块总成结构

取心模块总成的结构如图3所示。由连接套、单动轴承组、承压岩心管、球阀机构组成。

图3  取心模块总成结构

（1）连接套：上部与差动总成连接，底部与岩心管连接。钻完后，差动总成带动连接套，进一步带动岩心管向上，完成一系列机械动作，实现球阀关闭。

（2）单动轴承组：该结构将外管和取心模块总成分开，钻探取心过程中，保持岩心管不转动，减少其它机构对岩心的扰动。

（3）岩心管：用于存放压力岩心的管子。取心过程中，岩心从取心钻头逐渐进入岩心管。密封球阀关闭后，内部形成密闭压力腔体，保持岩心压力不变。

（4）密封球阀机构：密封球阀用于密封岩心压力，属于承压结构件。当连接套将岩心管拉过密封球阀时，球阀关闭，形成密闭腔体。

2.2 岩心管设计

岩心管属于承压结构，当取心工具从井下提升到地面过程中，岩心管与密封球阀组成密封腔体，内部持续承受高压。因此，岩心管设计主要从材质、结构上考虑。设计的取心工具岩心管选用高强度不锈钢材质（0Cr17Ni4Cu4Nb05Cr17Ni4Cu4N不锈钢）。这种不锈钢是沉淀、淬水、马氏体的不锈钢，具有高强度、硬度和抗腐蚀等特性，屈服强度σ_S=1000 MPa，密度约为7.8 g/cm³，同时具有良好的机械加工性。为了提高保压取心工具的安全性，设计岩心管采用爆破破坏准则，根据《超高压容器设计标准》（GB/T 34019—2017），爆破压力为：

$$P_{\mathrm{b}}=\mathrm{1.12}P\frac{R_{\mathrm{P}\mathrm{0.2}}}{R_{\mathrm{P}\mathrm{0.2}}^T}$$

式中：P_b——爆破压力，MPa；P——设计压力，60 MPa；R_P0.2——试验温度下材料屈服强度，MPa；$R_{\mathrm{P}\mathrm{0.2}}^T$——设计温度下材料屈服强度，MPa。

压力筒壁厚按照压力容器公式计算，当管子计算厚度t_s/D₀<1/6时，承受内压管的计算厚度：

$$t_{\mathrm{s}}=\frac{P_{\mathrm{b}}{D}_{\mathrm{O}}}{\mathrm{2}\left({\left[\delta \right]}^t{E}_{\mathrm{j}}+P_{\mathrm{b}}Y\right)}$$

设计管子壁厚为：

t_sd=t_s+C， C=C₁+C₂

式中：D₀——管子外径，mm；${\left[\delta \right]}^t$——设计温度下材料的许用应力，MPa；$E_{\mathrm{j}}$——焊接系数；t_sd——管子设计壁厚，mm；C——厚度附加量之和，mm；C₁——厚度减薄附加量，mm；C₂——腐蚀或腐蚀附加量，mm；D_i——管子内径，mm；Y——计算系数，当t_s/D₀<1/6时，参考表3，当t_s/D₀>1/6时，$Y=\frac{D_{\mathrm{i}}+\mathrm{2}C}{D_{\mathrm{i}}+D_{\mathrm{0}}+\mathrm{2}C}$。

表3  金属管道材料的计算系数

材料	温度/℃
	≤482	510	538	566	593	≥621
铁素体钢	0.4	0.5	0.7	0.7	0.7	0.7
奥氏体钢	0.4	0.4	0.4	0.4	0.5	0.7
其它韧性金属	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4

管子外径设定为D₀=115 mm，根据公式计算得出壁厚≮3.77 mm，出于安全考虑，管子壁厚设定为6 mm（安全系数1.5）。

为了进一步验证岩心管的可靠性，对管子进行了力学校核。对于高压厚壁的容器而言，设计时主要考虑避免过度的塑性变形或过大的弹性变形。衡量变形程度的准则有3个，即弹性失效准则、塑性失效准则、爆破失效准则。厚壁容器设计中，采用弹性失效准则，根据弹性最大应变能理论推导出岩心管最大理论应力为：

$${\delta }_{\mathrm{s}}=\frac{\sqrt[]{\mathrm{3}\left(\mathrm{1}-\mu \right)+\mathrm{2}\left(\mathrm{1}+\mu \right)K^{\mathrm{2}}}}{K^{\mathrm{2}}-\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{b}}$$

式中：μ——材料料泊松比；K——容器外、内径比值。

计算得到管子承受的最大应力为685.44 MPa，小于材质许用屈服值（1000 MPa），形变较小，满足设计要求。

为了确保岩心管的安全和正常操作，使用软件分析管子在60 MPa作用下的von Mises应力和最大等效应变（图4、图5），以验证岩心管的安全性。

图4  60MPa载荷下岩心管von Mises应力分布

图5  60MPa载荷下岩心管等效应变分布

从有限元分析结果来看，岩心管最大应力为573 MPa，远小于材料许用应力（1000 MPa），满足设计要求。

3 差动模块总成设计

取心过程中，当岩心完全进入岩心管后，差动模块总成通过连接套将取心模块总成向上提升出球阀中心孔，然后关闭球阀，实现压力密封。差动模块动作执行的可靠性关系到取心工具保压成功效果。

3.1 差动模块总成工作原理

图6所示为差动模块总成的结构和工作原理。差动模块总成由内筒和外筒组成，内筒顶部受约束，外筒底部通过连击套连接取心模块总成。为了限制该组件的外筒与内筒的移动，设计球形限位结构。在初始状态下，钻井液正常流过差动模块总成中心通道，并沿底部的流道流出。钻探取心完毕后，将钢球从地面落下并泵送至底座上，堵塞初始流道，从而改变流动方向。限位销将在流体动力压力下被切断，同时底座向下移动，限位钢球滑落至凹槽内，外管与内筒分开，提升内筒，进而带动取心模块上移，球阀在外筒的带动下转动90°，形成密封。

图6  差动模块总成的结构和工作原理

3.2 差动模块工作压力计算

从工作原理看，差动机构启动需要的力满足：

$$P_{\mathrm{C}}A\ge f+F_{\mathrm{b}}+T$$

式中：P_C——液压压力，Pa；A——受压接触面积，m²；F_b——剪切限位销所需的力，N；$f$——密封环的总摩擦力，N；T——限位钢球与底座的摩擦力，N。

$$f=\mathrm{2}\mu \mathrm{\pi }DrE(\mathrm{1}-\frac{D-d}{\mathrm{4}r})\sqrt[]{\mathrm{1}-\frac{{(D-d)}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{16}{r}^{\mathrm{2}}}}$$

式中：$\mu$——O形环和密封表面之间的摩擦系数；D——密封面直径，m；E——O形圈材料的弹性模量，Pa；d——O形环槽内径，m；r——O形圈的截面半径，m。

根据上式，计算摩擦力为582 N。

$$F_{\mathrm{b}}=\mathrm{2}{\tau }_{\mathrm{b}}{A}_{\mathrm{b}}$$

式中：${\tau }_{\mathrm{b}}$——材料剪切强度，Pa；A_b——销的横截面积，m²。

计算得到需要最少P_C≥7.3 MPa的液压压力实现差动解锁。

3.3 取心工具差动启动压力室内试验

为了验证差动模块启动压力，保障取心工具差动动作的可靠性，在室内进行差动压力试验。试验时外管的顶部连接到液压泵，钢球提前放在差动总成的底座上，堵塞液压流道。开启液压泵，向差动机构内部注入液压压力，当限位销钉受力大于其剪切应力强度后，限位销钉发生塑性变形进而被剪断。试验结果见图7，当差动机构内部压力达到7.5 MPa左右后，销钉断裂，内管与外管脱开。

图7  差动模块启动压力试验数据

4 取心工具室内压力试验

将取心工具从井下提升到地面之后，保压取心工具的外部压力将降低到环境压力，而岩心管内部压力仍为井底压力。在这种情况下，工具整体密封能力将直接影响系统内的最终压力。为了验证取心系统的压力密封能力，在室温下进行了取心工具耐压室内试验。试验时向取心工具岩心管内注入水压，并实时记录压力随时间变化情况。记录的结果如图8所示。压力在26 min时增加到60 MPa以上，并保持压力30 min以上，密封阀没有压力泄漏。此外，将压力增加至70.1 MPa并保持该压力20 min，取心工具仍没有泄漏。根据室内压力试验结果可验证设计的保压取心工具保压能力≥60 MPa，满足设计要求。试验现场如图9所示。

图8  取心工具压力试验数据

图9  取心工具压力试验现场

5 煤层气保压取心作业应用

为了验证设计的保压取心工具在实际取心作业中的性能，在内蒙古一煤层气资源勘探工程中进行了煤层气保压取心作业。图10为保压取心工具现场作业照片。取心层位为太一段，目的是了解太一段煤储层的特征和物性，落实太原组的煤层气含量，为目标区块勘探开发方案的制订提供基础数据。

图10  保压取心作业照片

按照保压取心实施方案，该井共开展煤层气保压取心3筒，井深2810 m（井底静液柱压力约34 MPa），累计进尺9.4 m，收获岩心总长9.12 m，平均岩心收获率97%（详见表4）。

表4  保压取心作业情况

筒次	井段/m	进尺/m	岩心长/m	收获率/%	地面压力/MPa	保压率%
1	2810.40~2815.35	4.95	4.82	97.34	28.24	83.1
2	2815.35~2817.35	2.0	2.0	100	28.12	82.7
3	2817.35~2819.80	2.45	2.3	93.88	29.27	86.1

6 结论与建议

（1）研制的煤层气保压取心工具单回次最大取心长度为6.5 m，取心直径80 mm，最大保压能力60 MPa。

（2）根据计算，承压岩心管的壁厚应不小于3.77 mm，实际壁厚为6 mm。通过仿真计算及室内压力试验结果可以保证设计的取心工具的安全性。

（3）煤层气保压取心现场作业表明，研制的煤层气保压取心工具运行平稳、性能可靠，达到了设计的要求和现场应用条件，该工具的成功研制，有助于提高煤层气资源勘查精度。

（4）建议进一步推广煤层气保压取心技术与工艺方法，配套研制煤层气保压取心岩心后处理技术装备，增加煤层气保压取心作业效率，提高资源勘查精度。