PDC钻头在西部软岩地层冻结造孔施工中的应用

2014-11-26孙右好

中国煤炭 2014年7期

彭伟高伟孙右好任强

(1.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，014316；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013；3.天地科技建井研究院，北京市朝阳区，100013)

近年来，随着西部能源开发战略的推进，我国煤矿开采建设的重心逐渐转移至陕甘宁、内蒙、新疆等西部地区。西部地区具有冲积层浅、基岩厚度大的特点，这与东部冲积层厚度大、基岩段薄的特点正好相反。东部地层冻结法凿井冻结造孔技术已经比较成熟，形成一套完善的冻结造孔工艺体系。在西部软岩地层中，冻结法具有冻结发展速度快、交圈时间短、冻结壁稳定性好等对冻结有利因素，但同时也存在冻结造孔施工难度大、钻进效率低、偏斜不易控制、纠偏成功率低等不利条件，因此西部软岩地层对冻结造孔施工技术提出了更高要求。

1 施工现状及存在问题

东部地层中冻结造孔施工中常用的钻头为三牙轮钻头，在第三系、第四系地层中选用钢齿，在基岩段选用镶齿，两种类型钻头搭配使用较为普遍，钻具采用∅108mm立轴＋∅89mm钻杆＋∅159mm钻铤＋∅190mm三牙轮钻头，设备选用TSJ-2000型钻机配备BW850／50泥浆泵，采用以上钻头、钻具、设备进行施工优势明显，安全、快速、高效、技术成熟稳定。目前西部软岩井筒冻结造孔施工中，依然采用三牙轮镶齿钻头施工。西部软岩岩石相对硬度高、厚度大、井筒深，采用三牙轮镶齿钻头进行冻结造孔施工造成施工效率低、孔内事故明显增多、事故处理难度大、施工质量难以保证、纠偏及处理事故等辅助钻进时间增多等不利条件，从而降低了台机效率。牙轮钻头的特点及破碎机理是属于给压钻进，在遇到软岩地层时，压力小了进尺慢、钻进效率低，压力大了钻孔偏斜不好控制，并且随着冻结孔深度的增加，大钻压对钻具及钻头本身的质量要求较高，容易发生钻具脱落、断裂等情况，造成掉钻、卡钻及钻头掉齿等孔内事故，三牙轮钻头成为制约西部软岩冻结孔施工效率的一个重要因素。

2 PDC钻头特点

目前油田钻井施工中针对深厚基岩段应用较为广泛的是PDC钻头，PDC钻头又称为聚晶金刚石复合片钻头，是在高温高压下由人造金刚石与硬质合金一次性合成的超硬材料。PDC钻头具有金刚石所具有的强度高、耐磨等优点，同时还具备了硬质合金具有的抗冲击性强、出刃大等特点。其特点决定着采用PDC钻头施工钻孔属于减压钻进，对钻具要求不高、事故率低是钻进深厚软岩地层的理想钻头。

3 工程应用

核桃峪副井冻结孔施工中第一次引用了PDC钻头施工技术，大大地提高了钻进效率，同时降低了冻结造孔的施工成本，节约了施工工期。通过在核桃峪副井冻结造孔中技术改进，PDC钻头冻结造孔施工技术在红庆梁煤矿得到了推广应用。

3.1 地质条件

核桃峪井田井筒围岩为松散岩与碎屑岩沉积岩层。根据井筒井检孔揭露情况，地层自上而下埋藏为第四系、白垩系、侏罗系、三叠系。白垩系岩石饱和单轴抗压强度1.59～28.6MPa，砂质泥岩、粉砂岩属较软岩，岩体质量等级为Ⅲ类，细砂岩、中砂岩、粗砂岩属软岩、极软岩，岩体质量等级为Ⅴ类。侏罗系、三叠系岩石饱和单轴抗压强度10～21MPa，属软岩、较软岩类，岩体质量等级为Ⅲ类～IV类。

红庆梁煤矿根据井检孔揭露地层自上而下埋藏为第四系 (0.9m)、白垩系下统志丹群、侏罗系中统安定组、侏罗系中统直罗组、侏罗系中统延安组。白垩系饱和抗压强度为2.54MPa，属极软弱类易软化岩石，岩石质量等级为Ⅳ类。侏罗系中统延安组及安定组饱和抗压强度为3.87MPa，属极软弱类易软化岩石，岩石质量中等为Ⅲ类。其中上部40m为砾石层，下部404～429m为较硬砾石层。

3.2 施工中遇到的问题

根据地质资料核桃峪副井冻结设计采用大圈径、大管径的冻结方案，设计孔深浅孔856m、深孔950m，钻孔工程量为51784m，造孔工期231d，选用TSJ-2000型钻机、BW850／50泥浆泵、配备∅108mm立轴＋∅89mm钻杆＋∅159mm钻铤＋∅215mm牙轮镶齿钻头，6台钻机同时施工，计划冻结造孔平均台机月进尺为1100m。

前期施工过程中存在的问题为表土层施工速度较快，平均用时50h。进入基岩段施工后速度明显减慢，钻孔随着深度的增加钻孔的偏斜很难控制，纠偏时间逐渐增多而且成功率降低，随着钻孔深度增加钻压控制较难，出现压力小进尺慢、压力大了又对钻具丝扣强度有很高要求，多次发生钻具脱扣、粘扣及掉钻具的事故。前两轮钻孔施工情况及效率见表1。通过统计发现随着冻结孔深的增加用于纠偏及处理孔内事故的时间明显增多，严重影响施工效率。相对顺利的4号和6号钻机的平均台机月进尺也仅为720m，较设计台机月进尺严重滞后。

在红庆梁冻结造孔中，下部400m左右的一层砾石层 (25m)是制约冻结造孔速度的瓶颈，通过该层至少需要24h。采用PDC钻头不能提高砾石层冻结造孔速度，在经济上与使用牙轮钻头相比，使用PDC钻头钻进砾石层成本较高，因此PDC钻头不适用于砾石层钻进。

3.3 PDC钻头的应用效果

经过对核桃峪煤矿地层特点分析及对该地层施工经验的总结，结合PDC钻头的特点及其在油田钻井中的施工经验，尝试在核桃峪副井井盘由6号钻机在原有设备及钻具组合不变的情况下改用PDC钻头施工。使用PDC钻头施工前期，纯钻进时的钻孔速度明显加快，但是钻孔质量难以保证，主要体现在钻孔易斜而且偏斜发展较快，纠偏效果不理想。通过一段时间的摸索，并进行技术总结，对钻进参数进行调整。通过调整钻进参数，钻孔施工质量得到了有效控制，钻孔纠偏次数减少，钻进效率明显提高。牙轮镶齿钻头钻进参数与PDC钻头钻进参数及施工效率对比见表2。

表1 钻孔施工情况及效率统计表

表2 核桃峪矿副井冻结造孔钻进参数及施工效率对比

从两种钻头施工效率进行对比不难看出，使用PDC钻头钻进效率比牙轮镶齿钻头钻进效率提高约55%左右，在保证钻孔质量的前提下纠偏次数减少，用于纠偏的辅助耗时降低约66%，在软岩地层冻结孔施工中使用PDC钻头钻进与牙轮钻头钻进相比具有高效率、纠偏辅助耗时少的明显优势。经济性方面，PDC钻头的特点是一次性投入成本较牙轮镶齿钻头大，但经修复可重复使用 (一般每孔修复1～2次)，牙轮镶齿钻头则是一次性投入，磨损后不可修复。使用PDC钻头的钻孔，钻具脱扣、粘扣及掉钻具、钻头的孔内事故明显减少，从而降低了处理事故的成本。综合对比，使用PDC钻头进行钻进比使用牙轮钻头钻进综合成本相对较低。

采用PDC钻头施工的优点在红庆梁风井冻结造孔中得到应用，在砂岩和泥岩地层中采用PDC钻头施工多次出现单台钻机进尺200m／d以上，8月份钻机平均台机月进尺2045m，单台钻机最大台机月进尺2360m。红庆梁矿风井冻结深度472m，采用190mm PDC钻头进行冻结造孔施工，马头门处挖出冻结管，经实测冻结孔孔径193 mm。由于需要进行泥浆置换，PDC钻头纠偏少的施工优点保证了冻结孔成孔孔径不被刷大，从而保证了环形空间充填的高度，减小环形空间漏水的风险。