煤层气是一种伴生于煤层中的非常规天然气，主要以吸附状态赋存在煤的孔隙中。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，准确分析煤层气的含气量和渗透性特征是指导煤层气开发的基础和关键^[1-4]。目前，煤层气前期勘探的主要技术手段是利用钻井取心工具获取煤层岩心进行储层物性和含气性研究，但煤心在取样过程中经过压力释放和取样操作，渗透率和含气量发生重大变化，导致测量结果失真，严重影响勘探开发方案的制订。

煤层气保压取心工具是针对上述问题开发的一种煤层地质岩心资料采集工具^[5-7]。20世纪70年代开始，为了勘探开发天然气水合物，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PCB、PTCS和APC等多种保压取心工具，并多次成功钻取了天然气水合物样品^[8]。国内也进行了相关技术研究^[9-13]，长城钻探工程公司在沁水盆地开展了多口煤层气保压取心现场试验，在实际应用中体现出“保油、保气”的显著优势。笔者在现有保压取心工具基础上，针对煤储层易碎、物性易随环境条件改变的地质特点，研制了具有围压加持和岩心温度保护双重优点的保温保压保形取心工具，确保获取的岩心始终处于或接近井底覆压状态，能减少起钻过程中吸附气和游离气的散失，延缓煤层自由裂缝的生成，准确求取煤层原始的孔隙度、渗透率和流体饱和度等地层参数。

1.   保温保压保形取心工具的研制

1.1   工具结构及技术参数

根据煤层气储层的地质特点和煤层气取心的技术要求，对深层煤层气保压取心工具进行了保形功能完善升级，形成了煤层气保温保压保形取心工具。该取心工具主要由转换接头、液压提升机构、分流接头、取心外筒、压力补偿总成、测量装置、保温保压保形取心内筒和球阀密封总成等组成（见图1），与原取心工具相比^[14]，主要是对球阀密封总成和保温保压保形取心内筒进行了设计改进。

图  1  保温保压保形取心工具结构

1.转换接头；2.液压提升机构；3.分流接头；4.取心外筒；5.压力补偿总成；6.测量装置；7.保温保压保形取心内筒；8.球阀密封总成；9.取心钻头

Figure  1.  Structure of coring tool with pressure maintenance, thermal insulation and shape preservation

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保温保压保形取心工具的本体外径为194.0 mm，配套使用ϕ215.9 mm取心钻头；获取的煤心直径达80.0 mm，额定保压60 MPa，煤心筒长度根据需要设计有1.30和3.00 m；采用液力加压和自锁式割心相结合的割心方式，割心完成后采取提钻的方式割取煤心。

1.2   技术原理

取心外筒上端与钻具连接，主要作用是传送钻压和扭矩；下端与取心钻头相连，在钻压和扭矩双重作用下对煤层进行切削，形成圆柱形煤心进入保温保压保形取心内筒。保温保压保形取心内筒是煤心的储存载体，取心内筒上端依次连接测量装置、压力补偿总成和液压提升机构，取心内筒下端连接球阀密封总成，对煤心进行密封保压；取心内筒外部充填保温性能较好的二氧化硅气凝胶保温材料，对煤心进行温度保持。取心钻具下钻和钻井过程中，球阀处于打开状态，保持煤心进筒通道畅通。完成取心作业后，液压提升机构关闭球阀密封总成和开启压力补偿总成。液压提升机构是液压动力执行机构，从井口投入专用钢球封堵钻井液通道憋压从而剪断销钉，反向抬升保温取心内筒组件，使保温取心内筒与外筒形成一个差动距离^[15]；在此差动过程中，球阀硬剪切煤心并旋转90°，完成保温保压保形取心内筒的密封，同时打开压力补偿机构的开关。压力补偿总成内置高压氮气，下钻和取心钻进中补偿总成处于关闭状态，球阀密封总成关闭后，压力补偿总成开始启动；内筒压力下降时，压力补偿总成可对保压内筒进行压力回注，保持内筒压力与近地层压力相近，实现煤心样品的压力保持。测量装置可对内筒中煤心的温度和压力进行连续测量和存储，通过细小的变化趋势了解煤心在起钻过程中的理化分解特征，直观地表征煤心的保温和保压效果。

取心过程中，钻井液从钻具、液压提升机构内部流入，经分流接头进入取心外筒与取心内筒之间的空隙，再由球阀密封总成与钻头预留的间隙流向井底，用于冷却取心钻头，并携带岩屑经井眼与钻具的环空上返至地面。

2.   取心工具关键技术

2.1   金属硬密封球阀密封技术

常规保压取心工具在应用过程中有时出现球阀关闭不到位、密封失效等问题，详细分析发现，主要原因为：1）钻井液固相含量高，小砂砾很容易进入球体与球座的配合间隙，并在球阀执行关闭动作时小砂砾容易将球座的密封圈带离原位，造成密封失效；2）当球座内部封存超高压力后，阀体的吊耳强度不足以平衡内部压力而产生变形，导致球体与球座分离。

为了解决上述问题，设计了圆弧闭合球阀^[16]。该圆弧闭合球阀主要由弹簧压头、复位弹簧、圆弧结构球座、球体仓、球体、转轴和带导向齿条的套筒等部件组成，其工作原理是：球阀在下钻和正常取心钻进中始终处于打开状态，为煤心入筒提供通道；当目标层位岩心钻取完成、需要关闭球阀时，从钻台处投入一个专用的憋压钢球、并继续泵入钻井液，憋压钢球落在取心工具液力提升机构的球座后封堵钻井液通道，在液压作用下剪断固定销钉，启动液力提升机构；在此过程中，取心外筒、取心钻头和带导向齿条的套筒均保持不动，取心内筒和圆弧闭合球阀等部件反向抬升${}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\;{\text{π}}{{ D}}$的距离（其中$D$为转轴齿轮的节度圆直径），从而推动球阀旋转90°完成关闭动作，实现保压取心内筒密封。圆弧闭合球阀的打开和关闭状态如图2所示。

图  2  圆弧闭合球阀的不同工作状态

1.弹簧压头；2.复位弹簧；3.圆弧结构球座；4.球体仓；5.球体；6.转轴；7.带导向齿条的套筒

Figure  2.  Different working states of arc closed ball-valve

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圆弧闭合球阀采用全密封式球体仓设计，可以耐受60 MPa压力不变形，解决了原球体仓无法承受如此大的压力而轻微变形的问题。圆弧闭合球阀内部封存的高压通过球座的台肩产生使球座更加紧贴球体的作用力，其内部压力越高，主动封闭力越大，越有利于密封；即使在浅井应用时，复位弹簧的回弹力一直作用在圆弧球座上，使圆弧球座与球体紧密贴合，以保证密封效果。

2.2   复合式保温取心内筒

2.2.1   复合式保温取心内筒结构设计

为了降低外界温度对煤心测试结果的影响，设计了复合式保温取心内筒。它包括4层复合式结构：最内层为随动保形胶膜，中层为橡胶筒，外层为金属筒，橡胶筒与金属筒之间的围压腔内填充保温性能良好的二氧化硅气凝胶保温层（见图3）。

图  3  复合式煤层气保温取心内筒剖面

1.金属筒；2.二氧化硅气凝胶保温层；3.橡胶筒；4.随动保形胶膜

Figure  3.  Profile of composite inner coring barrel for CBM with thermal insulation

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2.2.2   复合式保温取心内筒的工作机理

金属保温外筒上端连接测量装置，下端连接球阀密封总成。保温层材料选用二氧化硅气凝胶，该气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互交联构成的、具有空间网络结构的轻质纳米多孔材料，是目前隔热性能最好的固态材料。为了防止保温层被高压流体挤破，分别在其1/3、2/3处打几个通孔，用于传递流体的压力。橡胶筒是保压保温煤心的主要存储载体，比铝合金材质更易于切割，可以避免切割产生的局部热量对样品产生破坏；随动保形胶膜可将入筒的煤心进行包裹，阻隔钻井液污染煤心，并防止疏松煤心在保温筒内散落^[17]。

当球阀密封总成关闭后，金属外筒与胶筒之间形成密闭空间，在压力补偿机构的作用下，近地层液柱压力挤压胶筒，对内部煤心样品施加围压保护，缓解振动导致新裂缝的生成、延展。胶筒下接头还设计有压力平衡孔，其主要作用是引导底部流体充盈在随动保形胶膜的外侧，使胶膜内外两侧压力平衡。

2.2.3   保温层厚度优化

为了选取合适的二氧化硅气凝胶保温层厚度，采用Solidworks Simulation软件模拟复合式煤层气保温取心内筒的温度场。为了减小计算量、提高模拟计算效率，不考虑随动保形胶膜和保温层上下两端的散热损失，只选取保温内筒的一个截面做稳态数值分析。假设保温胶筒内径80 mm，厚度5 mm；金属外筒内径140 mm，厚度10 mm；形成围压的介质为水，且各部分都紧密接触。地面温度20 ℃，地温梯度2.8 ℃/100m，估算埋深2 000 m某目标煤层的地层温度约为76 ℃。模拟分析二氧化硅气凝胶的厚度分别为0，10，15和20 mm时复合式煤层气保温取心内筒的径向温度分布，结果如图4所示。

图  4  不同厚度保温层保温取心内筒的径向温度分布

Figure  4.  Radial temperature distribution of inner barrel with different thermal insulation layer thickness

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由图4可知，二氧化硅气凝胶保温厚度分别为0，10，15和20 mm时，金属外筒最外侧温度分别是39.06，22.47，21.83和21.48 ℃。安装保温层后，保温性能显著提高，且保温层的厚度越厚其保温性能越优异，但厚度超过10 mm后温度的下降幅度不再明显。从经济效益角度考虑，保温层厚度可选择10 mm。

2.3   取心钻头优选

为了降低钻井液对煤心的污染，缩短煤心在钻井液中的浸泡时间，减少煤层气逸散，需要选用攻击性强、钻速高和使用寿命长的取心钻头。为此，优选了一种表镶、孕镶相结合的复合式金刚石取心钻头（见图5）。钻头表面采用天然金刚石颗粒作为表镶切削齿，胎体采用特质合金粉和人造金刚石颗粒烧结而成，具备表镶和孕镶钻头的双重优点，在保证足够强度的条件下还具有一定的韧性。另外，表镶的切削齿具有自清洗和再生功能，顶层材料磨损后，下一层的切屑材料又能发挥作用，确保钻头切屑齿具备较长的自锐生命周期，提高钻头的破岩能力和钻头进尺。

图  5  表镶、孕镶复合式金刚石取心钻头

Figure  5.  Surface-set and impregnated composite diamond coring bit

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2.4   钻具组合优化

以ϕ215.9 mm井眼为例，推荐选用以下钻具组合：ϕ215.9 mm表镶、孕镶复合式金刚石取心钻头+ϕ194.0 mm煤层气保压保形取心工具+ϕ171.0 mm浮阀（板式）+ϕ165.1 mm钻铤×2根+ϕ127.0 mm加重钻杆×10根+ϕ127.0 mm钻杆。

3.   取心技术措施

针对煤层气参数井的取心技术难点，在取心施工前准备、取心钻进、提心等环节制定了相应的技术措施^[18-19]：

1）取心前施工准备。应检查煤层气取心工具，特别是检查压力补偿总成是否能正常工作，并充入压力高于井底静液柱压力1～2 MPa的氮气，检查球阀关闭无阻卡，并调整钻头内台阶与带导向齿条套筒之间的装配间隙。另外，还需要根据地层状态和实钻情况调整钻井液性能，提前准备好随钻堵漏剂，确保井壁稳定、井内无掉块。

2）取心工具下放。控制工具下放速度不大于1.0 m/s，每下钻500 m憋通水眼一次，并且严控下钻遇阻不超过50 kN；下钻期间如遇阻严重，严禁使用取心钻头和取心工具进行划眼或通井作业。取心工具下至距离目标取心层位2.00 m处应缓慢循环钻井液，防止瞬时钻井液压力过大提前剪断差动机构的剪切销钉，导致球阀提前关闭和压力补偿机构提前开启。待泵压显示正常后，充分清洗井底，方可进行正常取心作业。

3）取心钻进。综合考虑地质情况、钻井机具的配套和施工安全等多种因素，分阶段优化钻井参数。引心期间，为了使煤心以较完整的形态进入取心内筒，应将钻压控制在10～15 kN，钻具转速控制在40 r/min左右；正常钻进取心期间，为了缩短煤心在钻井液中的浸泡时间、降低对煤心的污染程度，应促使煤心快速进入保温保压保形取心内筒，将钻压控制在40～50 kN，钻具转速控制在60 r/min；磨心期间，钻压应先升至60 kN，然后再降至30 kN，钻具转速控制在60 r/min，并在原处干钻10 min；割心期间，钻压控制在10 kN以内，钻具停止转动，从井口处投入专用钢球，依靠液压提升机构的差动作用使球阀旋转90°，从而密封取心内筒。

4）提心。煤心提取过程中应保持匀速提升，避免钻具振动对煤心造成损害；提心过程中应定时往井内注入钻井液，以保持井底有足够的静液柱压力，防止发生井喷事故。

4.   现场应用

G-X20井位于目标区块西部斜坡带，地层平缓，上部地层以棕红色含钙质结核泥岩、灰黑色泥岩为主，夹带厚层肉红色砂岩；取心层位为本溪组煤层，取心的目的是了解本溪组煤储层的特征和物性、落实本溪组的煤层气含量，为目标区块勘探开发方案的制订提供基础数据。

按照预先制定的取心技术方案，该井累计保压取心3筒次，总进尺9.60 m。取心工具下至目标取心层位后未出现30 kN以上的遇阻点。正常取心过程中，表孕镶取心钻头钻时均匀，未出现钻速明显降低的现象，出井后未发现有明显掉齿，整体新度仍然保持在85%以上。投球关闭球阀过程中，泵压升高幅度正常，取心工具到达地面后查看球阀处于关闭状态，检测压力为24.31 MPa，与井深2 477 m处的静液柱压力（29.98 MPa）相比，保压率达到了81.08%；第2筒和第3筒取心作业整体正常，地面测试保压率分别达到了86.07%和80.20%。取心共获取9.07 m长的煤心，平均煤心收获率为94.48%（见表1）。

表  1  岩心收获率和保压率

Table  1.  Core recovery and pressure maintenance rate

筒次	取心井段/m	进尺/m	岩心长/m	收获率，%	静液柱压力/MPa	地面压力/MPa	保压率，%
1	2 474.07～2 477.27	3.20	3.10	96.88	29.98	24.31	81.08
2	2 477.27～2 480.57	3.30	3.05	92.42	30.01	25.83	86.07
3	2 480.57～2 483.67	3.10	2.92	94.19	30.05	24.10	80.20

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5.   结论与建议

1）煤层气保温保压保形取心工具设计合理，可行性强，有助于获取更为全面、真实的地层岩心资料，解决煤层气取心“保气、保形”难的问题。

2）设计的圆弧闭合球阀有效克服了球阀关闭不到位、密封圈出槽问题，密封性显著提高；复合式保温取心内筒增设的随动保形胶膜对煤心进行预包裹，有效降低了钻井液对煤心的污染，为后期煤心的准确测试创造了条件。

3）现场应用表明，煤层气保温保压保形取心工具运行平稳、性能可靠，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提供了技术支撑。

4）建议加强煤层气现场保压取心技术研究，注重后期保压岩心的处理技术和配套机具的研发，为进一步推广应用奠定基础。