俱养社， 马峰良， 华 立

(陕西省一三一煤田地质有限公司，陕西韩城 715400)

0 引言

近年，我国煤矿井下瓦斯事故多发，在对煤矿瓦斯治理的过程中，地面钻孔煤层瓦斯含量测定数据与煤矿井下监测数据存在较大偏差引起诸多专家关注与思考。煤矿地质技术人员将两者对比显示，其误差高达20%～50%[1-2]。另外，随着国家对煤矿瓦斯灾害治理，煤层气资源开发力度的加大，通过地面钻孔获取目的煤层瓦斯准确含量及成分，为后续煤矿开采瓦斯防治、煤层气资源评价工作提供准确依据的重要性进一步凸显[3-6]。因此，研究通过地面钻孔获取孔底地质条件下目的煤层原始状态的取心技术是当前急需解决的一项重要课题。

目前，保压密闭取心技术是石油勘探开发中取得保持储层流体完整岩心的一种有效方法[7]。应用该技术所取岩心不受钻井液污染，且能保持地层原始压力，对于正确认识井底条件下的原始地质情况有着十分重要的意义。该技术所具有的技术性能特点，为解决地面钻孔煤层瓦斯测定数据较大偏差问题提供了研究思路和方向[8-9]。为此，借鉴石油勘探保压密闭取心技术思路，研制出了在孔底实现密封储心内筒的双管单动式取心器，以解决常规双管单动取心和绳索取心过程中煤心瓦斯气体逸散损失的问题，使取得的煤心样品，能精确分析煤层瓦斯含量和成分，进而形成科学准确测定煤层瓦斯含量的方法和手段，对地面钻孔精准测定煤层瓦斯含量，提高煤层气资源勘探开发和煤矿瓦斯灾害治理水平具有重要意义。

1 取心器研制

1.1 设计原则

取心器的设计应遵循先进、可靠、方便基本原则，整体技术体性能应满足密闭取心技术规范要求[10-11]。

1)适用于块状煤层和粉末状煤层取心，一个钻进回次内完成煤层取心，并在孔底对取心内筒进行封闭。

2)不额外增加施工现场设备设施配套，满足立轴式液压或机械岩心钻机配套Φ50mm或Φ60mm地质钻杆的要求。

3)取心器基本参数符合Φ133mm孔径，满足一个钻进回次取心长度要求。技术性能满足煤心采取率95%以上，取心直径不小于Φ55mm，煤层埋深1 000m以浅钻孔要求。

4)为保证取心器使用的稳定性、可靠性，最大限度的优化取心器结构，使用成熟技术和标准通用零部件，大部分构件要使用35#CrMo(合金钢)。

5)采用模块化设计，满足组装、拆卸易于操作的要求。

1.2 主要技术参数

取心器总长5.2m，总质量750kg，钻头外径Φ133mm,内径Φ57mm，取心器外筒直径Φ127mm，外筒长4.24m，内筒长4m，可取心长度3.5m，取心直径Φ57mm(图1)。

1—大接头；2—六方杆；3—六方套；4—钢珠；5—差动滑套；6—剪销；7—锁卡钢珠图 1 取心器示意Figure 1 Schematic diagram of corer

1.3 工作原理

正常钻进时，回转扭矩经大接头(1)、六方杆(2)、六方套(3)传递到取心器外筒，带动钻头实现回转取心钻进。采煤回次结束后，上提钻具割断岩心，投入钢珠(4)后启动泥浆泵，钢珠落入差动滑套(5)顶端球座后，泵压急剧升高，推动差动滑套下行剪断剪销(6)，释放锁闭钢珠(7)，使外筒下落在球阀半滑环上，在其重力作用下推动球体旋转90°而关闭球阀，将煤心密闭于内筒之中。

1.4 结构组成与技术要点

地面钻孔煤层瓦斯密闭保压取心器采用双管单动式结构，可有效避免取心钻进过程中对煤层的扰动及钻井液对煤层的冲刷破坏，利于获得较高采取率[12-13]。

1.4.1 差动机构

由大接头、六方杆、六方套、锁闭钢珠、密封圈、差动滑套、剪切环、剪销等组成。其作用是传递扭矩，经由大接头、六方杆、六方套至外管带动钻头取心钻进，回次结束后，投球憋压，差动滑套下行剪断剪销，使六方杆与六方套脱卡，实现内外管差动关闭球阀(图2)。

图2 差动机构结构示意Figure 2 Schematic diagram of differential mechanism

1.4.2 悬挂总成

由悬挂轴承、轴承托、轴承套轴承组成。内筒通过悬挂总成与外筒组成一体，在悬挂轴承的作用下，外筒回转钻进取心时内筒不回转，可避免钻进时对煤层的扰动，不破坏煤层结构(图3)。

图3 悬挂总成结构示意Figure 3 Schematic diagram of suspension assembly mechanism

1.4.3 测压部分

由测压接头、锥形阀、弹簧、密封圈、堵头等组成，用以平衡内筒压力，测试内筒保存的压力值，或放空内筒压力，并作为内筒到达地面后进行瓦斯含量测定的端口。

1.4.4 球阀关闭机构

由球体、上下阀座、预紧弹簧、球阀外壳、半滑环、密封圈、轴销等件组成，用于封闭内筒。在一个钻进回次结束后，利用差动机构脱卡实现内外筒结构分离，外筒相对位移下落于球阀半滑环上，靠外筒重力迫使半滑环推动球阀球体旋转90°而关闭，使岩心密闭于内筒中，以保持岩心所在地层压力(图4)。

图4 球阀关闭机构结构示意Figure 4 Schematic diagram of ball valve airtight mechanism

1.4.5 内外岩心筒部分

外筒采用Φ127mm石油钻杆(壁厚10.5mm)，为钻头传递扭矩；内筒采用Φ73mm油管(壁厚5.5mm)，内筒既是储存煤心的容器和密闭壳体，也是到达地面后瓦斯罐的替代容器。内外筒间隙为16.5mm，为设置球阀关闭系统和通过钻井液提供空间。

1.4.6 钻头

取心钻头采用六翼三阶梯式结构，其切削面为锥形，水眼的方向朝向孔壁一侧，避免钻井液直接冲刷煤层。切削刃采用PDC材质。块状煤层卡心采用卡簧卡座组合方式，粉末状煤层采用防脱爪簧卡座组合方式。钻头外径Φ133mm，内径Φ57mm，取心直径不小于Φ55mm，可满足地质采样、测试化验要求。

2 取心器现场试验

2.1 土层取心可靠性试验

2019年4月,在韩城市板桥镇柏林村黏土层中进行钻具试验。该区地层主要以第四系黏土、亚黏土为主，试验的目的主要是验证钻具剪销、差动、球阀关闭三个动作的连续性及匹配情况；剪切剪销所需泵压；钻具在不同介质中差动和球阀的动作是否均顺畅、到位；卡心、取心情况；取心器密闭情况。

试验设备使用DPP100-4型汽车钻、BW4500型泥浆泵(最大排量450L/min、泵压8MPa)、Φ50mm钻杆，循环介质分别采用普通膨润土钻井液和低固相钻井液。

经过多次反复取心试验中发现，投球、憋压及剪切剪销顺利但差动多次不能到位，分析原因为球阀悬挂位置不合理，差动系统脱扣后卡簧座卡于球体孔口。在对取心器悬挂位置改进后，差动机构、球阀系统关闭动作达到正常，球阀关闭动作的稳定性和可靠性达到90%以上，土层采取率达到100%。

2.2 煤层取心可靠性试验

2019年5月，在距离韩城市约5km的板桥乡进行钻具试验。该区属渭北煤田东部边缘， 可采煤层主要位于下二叠统山西组—上石炭统太原组。其中山西组岩性为由粗至细粒砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤组成清晰的沉积旋迥结构，砂岩中含大量的白云母片，在粉砂岩、砂质泥岩中含丰富的植物化石，底部为河床相中粒砂岩，含3号可采煤层。太原组以黏土岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，顶部含煤；中部以海相石灰岩及钙质页岩为主，间夹少量泥岩、粉砂岩及薄煤层，其中石灰岩1～3层；上部以灰黑色粉砂岩、砂质泥岩、黏土岩为主，夹薄层或透镜状菱铁矿、铁质砂岩或石英砂岩，含丰富的动植物化石，含5-1、11号可采煤层。

设备使用TXJ1600型机械岩心钻机、NBB260/7泥浆泵(最大排量260L/min、泵压7MPa)、Φ50mm钻杆，循环介质采用以钠基土粉、纯碱、高黏纤维素和腐殖酸钾配置的低固相钻井液。主要用来检查煤层密闭取心的可靠性，获取钻进技术参数、钻井液主要性能参数和煤心采取率，与常规取心器进行煤层瓦斯含量测试数据的对比。试验发现在煤层取心一个钻进回次结束后上提钻具割心，从钻具中投球启动泥浆泵憋压达到2MPa即剪断剪销，且差动系统、球阀关闭系统同步准确到位次数达到90%，煤层采取率达到了95%以上。

2.3 钻进技术参数及钻井液主要性能试验研究

由于煤层在取心钻进过程中易磨损缺失，尤其粉末状煤层易受钻井液冲刷导致取心率低而无法满足地质要求，除对取心器结构、钻头结构与水眼形式、卡心方式、内外钻头过水间隙等有特殊要求之外，还对煤层钻进技术参数和钻井液主要性能指标有特殊的技术要求。因此需对煤层密闭取心技术工艺进行进一步研究以提高煤心采取率。基于以往对煤层取心工艺技术特殊要求的认识，结合以往双管单动取心和绳索取心的经验设置参数范围，进行工艺参数优化，以取心结果验证并获取煤层密闭取心最佳工艺技术参数[14-17]。

2.3.1 钻进技术参数试验研究

就企业所得税而言，我们要充分发挥其“自动稳定器”的功效，实现“有所得征税，无所得不征收；所得多的多征，所得少的少征”，充分体现“量能课征”的原则。因此，我国制造业企业减税应通过调整所得税的税制结构，并适当降低个别税种的税率或取消个别税种来加以实现。从社会保障费来看，要适当降低企业社会保险的缴费比例，这将助力于切实减轻制造业企业的税费负担。同时，还需斟酌借鉴国际经验开征新税种(如社会保障税)，降低消费税税率，适当提高个人所得税在直接税中的比重，切实做到结构性减税。唯其如此，调整个人所得税、企业所得税、社会保障费的比重关系才能够在降低制造业企业的税收负担方面发挥积极作用。

2.3.1.1 钻压

韩城矿区石炭-二叠系煤层为中硬煤层(3.0>f>1.5)，可钻性级别≤Ⅳ级，属软—较软岩层，易于钻进。综合以往常规双管单动取心器和绳索取心钻进煤层时采用的钻压，本研究选择煤层密闭取心的钻压为10～30kN，在试验中进一步优化。通过对3、5、11号煤层进行逐回次取心试验，对于块状煤层取心钻压为20～28kN、粉末状煤层取心钻压为13～18kN时，可稳定快速地完成煤层取心钻进，未出现煤心脱落或堵心现象。选用3号煤层钻进进尺与取心长度对比，采取率达到95%以上。

2.3.1.2 转速

在岩心钻探中，较高转速有利于提高机械钻速，但在煤层取心钻进时采取较高转速会对煤层造成扰动而影响采取率，因此煤层取心钻进时应降低转速。本研究通过试验，认为对于块状煤层钻进转速为60～100r/min，粉末状煤层钻进转速为40～70r/min时，配合试验钻压参数稳定进尺，有利于保护煤心形成，提高煤心采取率。

2.3.1.3 排量

泥浆泵排量是影响煤层采取率的一项重要因素，在煤层取心钻进过程中，尤其对于结构松散的粉末状煤层，易受钻井液冲刷而影响采取率。通过对3、5、11号煤层多回次取心试验，发现对于块状煤层取心排量为100～150L/min、粉末状煤层取心排量为50～80L/min时，采取率达到95%以上。

由于密闭取心器钻头直径为Φ133mm，取心外筒直径为Φ127mm，取心外筒与钻孔环空间隙仅有3mm，要求钻井液具有良好的护壁和润滑性能，保证取心过程中全孔段孔壁稳定，同时要降低外筒下移时与孔壁的摩擦阻力。试验过程中采用钠基土粉、纯碱、高黏纤维素和腐殖酸钾配置的低固相钻井液作为钻孔冲洗液，根据以往在渭北石炭二叠系煤层取心经验设置性能指标，通过对煤层取心钻进进行取心效果验证。对于块状煤层钻进钻井液密度为1.03～1.08g/cm3、黏度为18～24s，粉末状煤层钻进钻井液密度为1.03～1.05g/cm3，黏度为22～28s。

在对煤层取心钻进技术参数及钻井液主要性能指标的试验中，使用低固相钻井液作为钻孔循环介质，按照试验取得的钻进参数范围，做好各参数的控制和配合，取心器提至地面显示，煤层各钻进回次均取得了95%以上的采取率，且球阀关闭状态稳定，密闭取心技术性能可靠。

2.4 瓦斯含量测试对比

通过上述试验发现，使用常规双管单动取心器对渭北石炭-二叠系5、11号煤层取心，并与密闭取心器进行煤层瓦斯含量测试对比，测试数据如表1所示。

表1 密闭取心与常规取心瓦斯含量测试对比

对比表1数据发现：密闭取心是常规取心方法获得瓦斯含量的4～5倍，效果十分明显。

3 结语

1)经过试验验证，研制的地面钻孔煤层瓦斯密闭取心器符合密闭取心技术规范和要求，密闭可靠性达到95%以上。

2)通过在于渭北石炭-二叠系块状煤层和粉末状煤层的试验，取得煤层密闭取心钻进最优的工艺技术参数，对该区域3、5、11号煤层的采取率均达到95%～100%。

3)设计的孔底关闭储心内筒，可代替瓦斯罐直接用于瓦斯解吸，使煤层瓦斯含量测定方法更为科学。

4)该取心器自孔底割心后及至地面进行瓦斯解析的整个过程，煤心始终被密闭于取心内筒，可有效解决以往常规取心或绳索取心发生瓦斯气体逸散的缺陷，为科学、准确测定煤层瓦斯气体含量提供了技术支撑。