GW-CP194-80M型煤层气双保压取心工具研制及现场试验

朱庆忠，苏雪峰，杨立文，苏 洋，罗 军

(1.中国石油华北油田分公司，河北 任丘 062552；2.中国石油长城钻探工程有限公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

煤层气是煤的伴生矿产资源，目前的开采方式主要以地面钻井开采为主，开采过程中气体通过解吸的方式脱离煤体运移产出[1-5]。但煤层渗透性较差，地面开采困难，因此，准确分析煤层气的含气量和渗透性特征对指导煤层气开发具有重要意义[6-11]。但在常规取心过程中，煤岩从井下提取至地面，由于压力等环境变化，煤岩孔隙结构及煤层气解吸都受到很大影响[11-15]。调研发现，国际上各类保压取心装置，如国际海洋钻探计划(DSDP)、日本PTCS取心器、中煤科工西安院密闭取心器等工具，能够实现地层压力的保持，借用到煤层气取心上可以获得准确的含气量数据[16-19]，但由于这些取心工具均无围压加载功能，无法实现煤岩的围压保持，难以确认取心后煤岩失压是否造成孔渗性能发生较大改变。为解决这一问题，研制了GW-CP194-80M型煤层气双保压取心工具，以双保压内筒作为岩心载体，成功实现了岩心的围压加载和流压保持，解决了岩心钻取过程中围压变化对煤心孔隙结构和渗透率影响的问题。

1 结构与原理

1.1 工具结构

GW-CP194-80M型煤层气双保压取心工具主要由保压内筒总成、差动总成、压力补偿总成、测量总成、外筒总成和取心钻头等结构组成，如图1所示。保压内筒总成的下端连接球阀密封装置，上端依次连接测量总成、压力补偿总成和差动总成。保压内筒设计为双层结构，内层为胶筒，外层为金属筒，中间腔体为围压腔，向围压腔中充入清水，即可对胶筒加载围压。差动总成为采用间隙插接配合的内外六方差动机构，可在液压作用下进行差动，进而控制球阀关闭和开启压力补偿；压力补偿总成充有高压氮气，可为胶筒围压加载提供气源；测量总成可对内筒压力和围压压力单独进行测量和数据存储。

图1 煤层气双保压取心工具结构Fig.1 Structure of CBM dual-pressure coring tool

1.2 工艺原理

在取心钻进过程中，保压内筒下部球阀处于打开状态，岩心通过球阀进入保压内筒，钻取岩心完成后，通过投球憋压剪断差动总成销钉，使内外筒产生差动[20-21]。在差动过程中，压力补偿总成的滑套开关打开，气道连通，其内部的高压氮气以气液补偿的方式将压力传递至保压内筒围压腔，对胶筒施加围压，围压设定值比井底液柱压力大2～3 MPa，在围压作用下，胶筒收缩将岩心包裹，筒内钻井液被排出，岩心受到围压保护。围压加载完成后，差动动作在液压作用下继续进行，并最终触发球阀关闭机构，将密封球阀关闭，使岩心密封在内筒当中。

1.3 技术参数

GW-CP194-80M型煤层气双保压取心工具外径为194.0 mm，取心钻头外径为215.9 mm，适用于井径为215.9 mm及以上的井眼；工具总长为6.0 m，单次取心长度为1.5 m，岩心直径为80 mm；双保压内筒额定内压为15 MPa；额定围压为20 MPa；取心工具采用自锁式割心方式[22]。

测量总成采用2套电子式压力测量仪器，可单独测量内压和围压。仪器采用高温高能电池，适应温度为-4～160 ℃，连续使用时间为300～360 h；压力传感器为多晶硅悬臂梁电阻应变式传感器，测压精度为0.1 MPa，最高测压为100.0 MPa；温度传感器测温精度为0.1℃，最高测温为120.0℃。

2 关键技术

2.1 球阀密封装置

球阀密封装置由球阀、密封活塞、球阀仓和强力弹簧组成(图2)。密封活塞端面嵌有密封圈，配合球阀表面进行单向密封，在高压体系下，通过内筒高压作用密封活塞，对球阀产生被动密封压力；密封活塞上部装有强力弹簧，可对球阀施加主动密封压力，确保在浅井或低压体系下也具有良好的低压密封效果。球阀密封装置上部连接双保压内筒，球阀在下钻和取心钻进期间为打开状态，取心钻进时，岩心通过球阀进入内筒；取心完成后，在内外筒差动作用下，外筒相对内筒下行，并推动球阀沿管柱轴向旋转90 °，使其变为关闭状态，岩心被密封和存储在内筒当中[23-30]。

图2 球阀密封装置工作示意图Fig.2 Working schematic diagram of ball valve sealing device

2.2 双保压内筒

双保压内筒为双层结构，内层为胶筒，外层为金属筒，胶筒和金属筒之间为围压腔，其结构如图3所示。胶筒采用特殊橡胶制成，两端为钢接头，胶筒与钢接头表面通过硫化处理黏接为一体，增强其耐压强度，最大承压为5 MPa。双保压内筒上部连接补偿总成，通过向围压腔中充入清水，即可对胶筒加载围压，在围压作用下，胶筒收缩包裹岩心，岩心受到围压保护。球阀将岩心密封在胶筒内部之后，即可实现加载岩心围压和保持流压。双保压内筒两端还分别设有增压接口和泄放接口，取心工具到达地面后，可实现带压拆卸，取出双保压内筒总成，直接作为渗透率实验岩心夹持器，利用供压设备进行地层条件下渗流特征测试及煤岩解吸规律研究。

图3 双保压内筒结构Fig.3 Structure of dual-pressure inner cylinder

2.3 气-液压力补偿总成

气-液压力补偿总成主要由高压氮气室、压力补偿接头、滑套开关、气-液隔离腔、气-液隔离活塞等结构组成(图4)。压力补偿接头上部连接高压氮气室，室内充有高压氮气；滑套开关通过剪切销钉固定在压力补偿接头顶部，滑套开关气道和补偿接头气道不连通，氮气室处于关闭密封状态；压力补偿接头下部连接气-液隔离腔，隔离腔被气-液隔离活塞分为上下2部分，气-液隔离活塞初始位置在隔离腔上部，隔离腔下部充满清水。

图4 气-液压力补偿总成结构Fig.4 Gas-liquid pressure compensation assembly structure

其工作原理为：取心钻进完成后，在内外筒差动作用下外筒下行，挡销碰触到滑套开关后将剪切销钉剪断，滑套开关下行至补偿接头下端，滑套开关气道和补偿接头气道连通，高压氮气通过气道进入气-液隔离腔上部并推动气-液隔离活塞，进而挤压液体补偿至围压腔体，实现气-液压力补偿。由于液体具有不可压缩性，液体补偿方式相较于气体补偿方式，围压状态更为稳定，可避免因胶筒密封性能失效导致氮气混入内筒，影响含气量测定。

3 性能实验

3.1 球阀密封装置密封及承压实验

连接保压内筒和球阀密封装置，转动球阀使其处于关闭位置，将内筒内注满清水，利用液相加压装置缓慢加压至预定压力后静置，测试球阀密封装置耐压性及密封性能(表1)。

表1 球阀密封装置密封性能测试结果Table 1 Sealing performance test of ball valve sealing device

由表1可知，球阀密封装置在2.5～30.0 MPa测试压力下均未发生压力泄漏，且外形完好，表明球阀密封装置具备良好密封性能。

3.2 胶筒承压实验

为检验胶筒耐压强度及密封性能，开展胶筒承压实验：①组装胶筒保压内筒总成，胶筒内部装入模拟岩心；②采用液相加压装置通过增压接口向胶筒内部泵入清水，增压5 MPa，使胶筒膨胀，并进行长时间静置，静置结束后取出胶筒观察破损和恢复情况；③再次组装胶筒保压内筒，采用液相加压装置通过围压接口向围压腔泵入清水，增压5 MPa，使胶筒压缩，并进行长时间静置，静置结束后取出胶筒观察破损和恢复情况。实验结果表明，胶筒在5 MPa压差下不破损、不泄露，卸除压力后胶筒形态和弹性恢复完好，可以满足围压加载需求。

4 现场试验

为检验GW-CP194-80M型煤层气双保压取心工具整体效果，2019年5月在沁水盆地M97-X井进行了煤层气取心现场试验。M97-X井构造位置为沁水盆地南部马必东区块西斜坡带，取心层位为山西组，以灰色、灰黑色砂泥岩互层夹煤层为主。试验取心井段为1 160.00～1 161.00 m，井底液柱压力为12.2 MPa，钻井液密度为1.05 g/cm3。工具入井前进行了注气、注液和试压测试，取心工具下入至井底后缓慢开泵循环钻井液，循环充分后进行取心钻进，转速为50 r/min，排量为12 L/s，钻压为50 kN。钻进完成后，投球剪断差动总成销钉，内外筒进行差动，开启围压补偿并控制球阀关闭。取心工具到达地面后，测得围压为13.5 MPa，内压为10.6 MPa，并成功取得0.85 m结构完整的煤岩样品(图5)，取得较好效果。

图5 黑色煤岩样品Fig.5 Black coal samples

5 结 论

(1) 研制了GW-CP194-80M型煤层气双保压取心工具，其差动系统、压力测量系统、气液围压加载系统、球阀密封系统设计合理，整体工作顺畅协调，实现了岩心的围压加载和流压保持。

(2) 该工具的球阀密封装置具有主、被动密封结合特点，密封性能好，承压能力强，可实现高、低压体系下的稳定密封，同时也满足了深井和浅井的煤层气保压取心作业需求。

(3) 该工具的保压内筒总成可实现带压拆卸，可直接接入后续测试流程，进行煤岩地层条件含气性、渗透性、解吸速率及最终采收率标定等多参数联合测试。

(4) 室内实验和现场试验表明，GW-CP194-80M型煤层气双保压取心工具已完全达到设计要求和现场应用条件。该工具的成功研制，为正确认识煤层气地质条件，建立适用于煤层气的开发基础理论提供了技术支撑。