0 引言

煤层气的主要成份是甲烷，又俗称瓦斯，是煤层自生自储的非常规天然气。世界上有74个国家或地区蕴藏着丰富的煤层气资源，煤层气开发日益受到世界各国及地区的重视。我国是能源消费大国，但国内大多数油田开采已进入中后期，随着勘探开发技术的进步，诸如煤层气、页岩气和致密页岩油等非常规油气将是我国未来能源开发的重点。煤层气的主要来源包括煤层颗粒基质表面吸附气、裂隙中的游离气、煤层水中溶解气和薄砂岩、碳酸盐岩等煤储层中的自由气^[1-2]。目前, 我国仅在晋南沁水高煤阶和鄂尔多斯东缘低煤阶煤层气实现商业化开采，且煤层深度均在800 m以内，深部区域被视为开发禁区。

2019年3月，华北油田在大城区块开发的大平7井，煤储层深度位于1 950~2 045 m，日产量达1.1×10⁴ m³，这是中国煤层气井勘探开发首次在这一深度取得的重大突破，同时也促使研究人员继续聚焦煤层气勘探开发工具的综合应用与技术创新发展。煤层气开发必须首先明确煤储层的关键参数之一——煤层气含量，这对于煤层气勘探开发工作中煤层气资源评价、煤层气井产能预测、资源开发潜力估算、开发靶区优选、井网布局，以及煤层瓦斯危险程度评价、瓦斯涌出量预测、巷道通风设计和管理等都至关重要^[3-4]。目前，准确获取深层煤层气含量最为直接有效的途径就是采用保温保压取心技术获取原始煤层样品。

1 煤层气取心的技术难点

煤储层与常规油气藏存在着明显差异，煤储层既是生气层又是储气层，改造性差，同时又由于其强度低、变形大，具有双重孔隙结构特征，导致煤体结构具有强烈的非均质性、储层物性的各向异性以及明显的应力敏感性^[5]，而且煤层气自身又容易分解和逸散。对于深层、超深层煤层气储层，在取样过程中，煤心经过压力释放和取样操作，含气量会发生较大变化，导致测量数据失真，严重影响煤层气开发方案的制定。

鉴于煤储层和煤层气的上述特征，地质与煤田勘探所用的系列绳索式取心工具存在着管体薄、螺纹强度低和岩心直径小等诸多问题^[6-7]，且大多数缺乏保压密闭功能，仅适用于埋藏较浅的煤层勘探开发。传统的油气井取心工具在煤层钻井取心过程中又因钻头水力冲蚀和钻柱扰动等原因难以获得高实用价值的煤心样品。因此，目前适用于深层超深层煤层气勘探开发的取心工具类型较少。

2 保温保压取心技术的研究现状

目前，我国煤层气勘探开发深度主要在800 m以内作业，多数作业不考虑地层温度和上覆岩层压力带来的影响。然而，随着煤层气勘探开发深度的增加，深层地热温度和地层压力已成为影响煤层气勘探开发的重要因素，促使传统的煤层气取心技术向保温保压取心方向发展。保温保压取心技术是指取出的岩心始终保持在原始地层温度、原始地层压力和原始形状的一种特殊取心方法。在石油和煤层气等领域，保温保压取心的目的是获得目标地层较为真实的孔隙度、含油/气饱和度和渗透率等相关地质资料，并尽可能地保证岩心各项参数测试的准确性^[8]，为后期勘探开发方案的制定提供详细的数据支撑。

2.1 国外研究现状

20世纪70年代，国际深海钻探计划和国际大洋钻探计划已着手研究和开发天然气水合物保压密闭取心的工具及相关工艺。1979年，Hunt提出保压密闭取心器的研制思路；Gerald Dickens等在1995年成功研制了深海钻探保压密闭取心器并将其应用于生产实践；1997年，《Nature》杂志登载了天然气水合物保压密闭取心器研制完成及成功应用的信息^[9]。

PTCS取心工具是由日本石油公司石油开发技术中心委托美国的Aumann和Associates进行设计、制作和室内试验，其总体结构和工作原理与ODP-PCS相似，采用双管单动结构、绳索直接提放岩心管的方式提取岩心^[10]。PTCS取心器一次采取岩心直径可达66.7 mm、岩心长度可达3 m；保温功能通过绝热型内管和电式内热管冷却等措施来实现，采用球阀机构用于形成密闭空间并保持取心系统压力，压力保持系统采用氮气蓄压器控制压力，并且压力保持能力可以达到30 MPa。

2.2 国内研究现状

目前，青岛海洋地质研究所、中国地质科学院勘探技术研究所、中国石油长城钻探工程公司、中石化胜利石油工程有限公司正在进行保温保压取心工具的研究工作，并取得了部分研究成果。

杨立文^[11]在GWR194－115B取心工具的基础上，又专门设计研究了GW194-70BB型保温保压取心工具，主要用于提升天然气水合物样品钻取率^[12-15]。该工具主要由差动总成、氮气压力补偿机构、TPMS测量装置、真空内筒、真空外筒、球阀组件和取心钻头等组成，通过多部件协调配合实现了岩心样品的温度保持、压力保持和海量数据的测量，解决了传统取心工具不能保持天然气水合物样品的压力和温度导致的水合物样品挥发、测量数据不完整等问题。该取心工具在常规井试验中，获得了保压成功率93%、保温率80%、温度变化率2.0~2.5 ℃/h的良好验证效果。

3 深层超深层煤层气保压取心工具

根据煤层气储层的地质特点和煤层气取心的技术要求，结合国内外取心工具的调研情况, 研制了一种新型深层超深层煤层气保压取心工具。

3.1 取心工具结构

深层超深层煤层气保压取心工具主要由外筒、液压提升机构、压力补偿总成、测量装置、保温保压复合取心内筒、球阀密封组件和取心钻头等组成，其结构示意图如图 1所示。

3.2 工作原理

保压复合取心内筒的上端依次连接测量总成、压力补偿总成和液力提升机构，下端连接球阀密封装置和取心钻头。在下钻和取心过程中，球阀密封装置一直处于打开位置，保持复合取心内筒与取心钻头内径贯通^[16]；在井底钻取完岩心后，投入一个内径与液压提升机构球座相匹配的钢球，在液压力作用下推动保温保压复合取心内筒整体上提，使内筒与外筒产生相对移动，在此移动过程中球阀旋转关闭。此时复合取心内筒压力为井底静液柱压力，起到保持原始地层煤心压力的作用。一直处于工作状态的电子测量总成，随时记录内筒中岩心的压力和温度；压力补偿总成内置有高压氮气，在下钻和取心钻进过程中补偿总成处于关闭状态，在煤心切割完成后，在球阀密封装置完全关闭的同时，压力补偿总成开始启动。当内筒压力下降时，压力补偿总成可对保压内筒进行压力回注，始终保持内筒压力与原始地层压力相近，实现保压煤心样品的获取。

3.3 主要技术指标及优点

该型煤层气保压取心工具适用于套管规格为ø244.5 mm()或ø250.1 mm()的煤层气直井或井斜角小于30°的定向井，采用钻具起下的作业方式。工具总长6 m，最大外径194 mm，与工具相匹配的取心钻头外径215.9 mm，煤心直径75 mm，单次获取煤心样品长度4.5 m，保压能力30 MPa。

该工具的主要技术优点在于：将保压取心技术与密闭取心技术进行了有机融合设计，工具内筒中可以预存一定量的密闭保护液^[17]，在正常钻取煤心的过程中，密闭液用于防止钻井液侵蚀煤心，从而可以获得接近原始地层温度压力状态的煤心样品。同时，在保持温度和压力的状态下，还可以防止起钻过程中游离气逸出，并减慢了吸附气的解析速度，不仅提高了煤层气储量计算的准确性，而且提高了煤层其他理化数据计算的可靠性。

4 关键技术 4.1 铝合金保压内筒

由于煤心结构强度较低，过长的取心进尺不利于保证取心收获率，需采用单元长度较短的取心内筒。为保证煤心质量，保压内筒应具有较低的摩擦阻力，有利于煤心进筒。经过系列材质优选，最终确定保压内筒的材质为7075型硬质铝合金。调质处理后，7075型铝合金不仅具有足够的强度，而且具备抗腐蚀和摩擦因数小等优点。7075型铝合金保压内筒的外径为95 mm，内径为80 mm，有效长度为4.5 m，同时抗拉强度达560 MPa，屈服强度达505 MPa。

室内试验证实，保压内筒最大伸长率7%，保压能力达30 MPa以上，可以满足深度3 000 m以内煤层气井保压取心技术需要。

4.2 复合式保温外筒

保温技术主要包含被动保温、主动保温和复合保温3种保温措施。主动保温技术就是利用热电式内管和温度传感器测量控制的方式，将取心筒的温度一直维持在原始地层温度附近。该方式保温性能好，但存在着结构复杂、成本高以及保温筒本体难以切割等问题。被动保温技术则采用真空保温内胆、涂抹隔热涂层或充填隔热材料等物理结构设计，减少热对流和热辐射，其保温性能稍差，但具有结构简单、便于工程实施等优点，适用于浅层煤层气取心作业。复合保温技术集成了被动保温和主动保温的优点，但复杂的结构设计导致获取的岩心直径更小。

随着科学技术的日新月异，同时具有传输电力和测量信号的智能钻杆技术已在国外工程中应用，并逐渐步入商业化进程^[18]，该技术或将引发一场井下石油工具革新。为此，创新选用智能钻杆和帕尔贴集成设计将是未来复合式保温外筒的设计方向，它能够解决常规电池的电量不足和电压不稳等诸多问题，经过系列优化设计，温度误差可以控制在±1.0 ℃以内。

4.3 液压提升机构

为提升球阀的关闭效果，降低维护难度，优化设计了液压提升机构^[19]。该机构主要由安全接头、中心滑动套筒、活塞组件和取心外筒等4个关键部件组成，其结构示意图如图 2所示。中心滑动套筒和活塞组件采用销钉定位。工作时，在井口处投入钢球进行憋压，当压力达到设计的剪切压力后销钉被剪断，活塞组件在液压作用下实现上提，进而推动复合取心内筒和密封球阀等内部组件整体上移而外筒保持不动，在内外筒相对移动的过程中密封球阀总成旋转相应角度后关闭。该装置具有提升力大、维护简单、安全可靠的特点，并且安全接头直接与取心外筒连接，从而提升其抗拉和抗扭性能，降低了维护难度。

4.4 压力补偿总成

在起钻过程中，往往会出现密封件渗漏、钻具震动以及环空压力降低等外界因素造成的内筒压力下降问题，此时需要通过压力补偿总成对复合取心内筒进行补压。压力补偿总成主要由高压氮气室和气液隔离腔组成。在下钻之前，将相当于井底钻井液压力2.0~2.5倍的氮气注入到高压氮气室。在煤心钻取过程中，压力补偿总成处于关位状态，直到下端的密封球阀总成关闭时，压力补偿总成的开关才会被连通。当内筒压力缓慢降低时，压力开关开启气源通道，高压氮气进入气液隔离腔。隔离腔顶部设计有隔离活塞，隔离活塞将隔离腔分为两部分，上部为气体腔，下部为液体腔。压力补偿总成工作时，释放氮气进入气体腔，气体压力达到一定程度后推动隔离活塞下行，进而推动液体对内筒进行压力回注，实现了内筒压力的补偿。

5 室内性能试验

为了检测该型煤层气保压取心工具的各项性能指标，进行了液压提升机构与球阀密封装置联机试验和压力补偿机构功能试验。

5.1 液压提升机构与球阀密封装置联机试验 5.1.1 试验步骤

(1) 组装煤层气保压取心工具，并将其下入试验井筒，如图 3所示。

(2) 将液压提升机构灌满清水。

(3) 逐次连接高压管线和液相加压装置。

(4) 缓慢加压至剪切销钉剪断，记录销钉剪断压力并观察球阀关闭程度。

5.1.2 试验结果

销钉剪切压力试验数据如表 1所示。试验结果表明：液压提升机构的销钉平均剪断压力为10.5 MPa，然后反向抬升内筒运动；球阀能够完全关闭，球阀仓本体无变形，满足设计要求。

5.2 压力补偿机构功能试验 5.2.1 试验步骤

(1) 组装压力补偿机构，将其与氮气瓶和气相加压装置逐次连接，如图 4所示。

(2) 利用气相加压装置向高压氮气室缓慢加压10、20和30 MPa。

(3) 静置6 h后观察压力变化。

(4) 将泄压开关移至开位，释放氮气。

(5) 卸开装置，观察密封件有无刺漏和变形等情况。

5.2.2 试验结果

向高压氮气室冲入氮气，长时间静置后未发现压力泄漏；泄压开关打开后，氮气成功排出。这表明高压氮气室与隔离活塞耐压性能符合要求，各部件密封性能良好且没有发生变形。

6 结论与建议

(1) 深层超深层煤层气保压取心工具具有保压和密闭的双重优点，可以获取到更接近原始地层压力状态的煤心样品，能最大限度地避免煤层气的分解和逸散，可为煤层气的精细勘探开发提供可靠的技术支撑。

(2) 该型保压取心工具涉及密封球阀总成、压力补偿总成等精密部件，对零部件加工精度和密封元件质量都有较高的要求，上述精密部件的加工质量和配合度直接决定保压取心的效果，因此在进行现场试验时应注意核心部件的加工质量和零配件的优选。

(3) 国内缺乏深层超深层煤层气保压取心的现场应用，由于现场施工经验较少，在保证煤层气取心工具性能优良的前提下，还需要加强深层煤层气钻井工艺方面的研究，优选合适的取心参数，以保证深层煤层气保温保压取心的实际效果。