硬岩钻进工艺优化高效成孔技术研究

2016-09-20闫明

西部探矿工程 2016年9期

关键词：潜孔胎体钻杆

闫　明

（河南大有能源股份有限公司新安煤矿，河南新安471800）

硬岩钻进工艺优化高效成孔技术研究

闫明*

（河南大有能源股份有限公司新安煤矿，河南新安471800）

在掌握硅质泥岩坚硬地层岩性的可钻性、硬度系数等钻探性质特征的基础上，通过试验研究，形成了一套适合硅质泥岩的设备、钻进工艺方法及工艺参数，有效提高硬岩钻进效率，对新安煤田矿井水、瓦斯防治工作具有重要的现实意义。

硬岩；钻进；工艺；优化；技术

新安煤田在施工水文、瓦斯钻孔时，需穿越层厚4m左右俗称“铁里石”的硅质泥岩。该层段硬度大，坚固性系数f大于13，施工难度大，钻进效率低，严重影响生产进度。为解决这一技术难题，在掌握其坚硬地层岩性的可钻性、硬度系数等钻探性质特征的基础上，对回转钻进、回转冲击钻进的施工工艺进行优化组合，以提高施工效率。

1　技术方案

1.1钻进方法

针对该硬岩层段，以钻具碎岩方式的不同，拟采取大扭矩高转速钻进、液动潜孔锤冲击回转钻进和气动潜孔锤回转冲击钻进3种技术方案工艺。

（1）大扭矩钻机高强钻头钻进。以水作为冲洗介质，以携带、排出钻屑，并起到冷却钻头的作用。通过高给进压力提高切削齿压入深度，通过高转速提高切削次数，从而在单位时间内增加切入深度与切削次数，达到高效钻进的目的。

（2）液动潜孔锤回转冲击钻进。选取液动冲击器+PDC钻头的方式，利用冲击器的冲击力提高符合片的切深度，坚硬的复合片完成回转切削，从而克服PDC钻头在硬岩中的切入深度小的问题，采用回转冲击的方式提高硬岩钻进效率。

（3）气动冲击器冲击回转钻进。通过对采取岩样的分析，硅质泥岩属于脆性岩石，抗冲击性能一般较差，岩层中含有石英岩脉，仍为脆性岩石，含有的黄铁矿结核与硅质泥岩无明显结合面，考虑采用气动冲击器施工方案可提高在该层的施工效率。因此，在开孔段前20m采用气动潜孔锤施工，之后较软岩层采用普通回转钻进。

1.2钻进工艺参数分析

硬质岩层钻进工艺参数主要指钻压、转速和冲洗液流量，3者在钻进过程中相互作用，硬质岩层钻进成孔过程中，当设备、地质条件、钻孔参数等因素相对不变下，3参数共同影响着成孔效率和质量。

（1）钻压。钻压也称轴向压力，它是孔底破碎煤岩的必要条件，其大小决定着破碎煤岩的方式和特点，直接影响钻进速度。

钻速与钻压的关系曲线如图1所示：

图1　钻速与钻压的关系曲线

Ⅰ区为表面破碎区。由于钻压很小，钻速很低，破碎过程具有表面研磨性。在这种情况下破碎产物几乎完全呈微细粉末，消耗的单位体积破碎功很多，破碎效率低，钻速与钻压成直线关系，但钻压的增加快于钻速的增加。

Ⅱ区为疲劳破碎区。由于钻压还不够大，单位压力小于岩石的压入硬度，岩面某点的破碎必须经过力的多次重复作用，破碎裂隙多次交错，才使岩石分离出一部分，破碎产物既有岩粉又有岩屑。

Ⅲ区为体积破碎区。由于钻压足够，破碎过程呈现大体积崩落。这种情况下，钻进速度快，破碎产物为碎块和岩屑，表面破碎的产物极少，单位体积破碎功最小。

在近水平孔钻进过程中，钻压不仅起保证钻头切削刃切入地层的作用，而且在使用稳定组合钻具时，钻压的大小还决定着钻杆弯曲强度的大小，从而影响钻孔轨迹的变化。

（2）转速。转速即钻头每分钟回转的次数。针对纯回转钻进转速对钻速的影响如图2所示，增大转速对钻速的影响如图3所示。

图2　转速对钻速的影响

图3　增大转速对钻速的影响

硬质岩层的硬度与研磨性属于中等偏上岩石，增大转速对钻速的影响如曲线Ⅱ、Ⅲ所示，由图可知钻进速度碎转速的提高不断增加，但超过一个临界值后，钻进效率反而随转速的提高而减小，因此针对纯回转钻进并不是转速越高越好，而是存在一个最后转速。

（3）冲洗介质的流量。冲洗介质的流量是回转钻进的一个重要参数，其起到携带岩屑、冷却钻头等作用，也是直接影响冲击器、潜孔锤工作性能（冲击工和冲击频率）的重要参数，从而影响钻进效率。保障充足的冲洗介质流量及压力是提高钻进效率的基本条件。

1.3设备选型

根据以上3种硬岩钻进工艺技术要求，选用大扭矩高转速钻机、高强度摩擦焊钻杆、高强风耐磨钻头，以达到提高钻进效率的目的。

（1）钻机。目前适合该工艺的钻机主要有ZDY4000S、ZDY3500LP、ZDY4300L（F）型等钻机。该系列型号钻机，具有功率大、扭矩大（≥3500kN）、转速高（≥200r/min）、给进压高的特点，能够满足大扭矩、高钻压的施工要求，本次试验选用ZDY4000S型钻机。

（2）钻具的配套：

①钻杆。在大扭矩钻机选型的基础上，配套选用强度高，抗扭性能好的Ø73mm（壁厚7.1mm）、Ø63.5mm（壁厚7.1mm）摩擦焊钻杆。

②液动潜孔锤。选用SZX89型液动潜孔锤。

③气动冲击器。由于新安煤田矿井井下系统供风压力在0.3～0.5MPa之间，属于低风压，因此选取了SPM型低压气动冲击器。

④钻头。根据地层情况及钻孔孔径级配，选用4种型号的胎体式钻头：Ø133mm五翼内凹，Ø113mm、Ø94mm、Ø75mm弧角钻头。

采用的弧角胎体式钻头具有如下特点：

（1）圆弧形刀翼结构，更有利于PDC片切削岩层，提高钻进效率；

（2）采用分层、错峰布齿，布齿更加均衡合理，提高岩石切削效率；

（3）切削自由面大、切削齿数量多，更适于硬岩钻进；

（4）胎体式弧角钻头将钢体与硬质合金粉末通过高温烧结而成，钻头较普通钢体式钻头具有更高的强度和耐磨性，在硬岩钻进中适用性更强，性价比高；

（5）弧角钻头上镶焊的PDC复合片为选用优质、抗冲击性能好的面包片，具有设计合理、受力均匀的特点，具有很高的耐磨和抗冲击性，适合硬岩钻进。

2　工业试验

2.1试验点地质概况

新义煤矿11090轨道顺槽底板巷设计长度1065m。巷道顶板为泥岩、砂质泥岩夹细砂岩，厚约8m，迎头断面上部为泥岩、砂质泥岩，厚约2m，下部为灰黑色块状硅质泥岩，厚约1.5m，底板为硅质泥岩、灰色块状灰岩，硅质泥岩厚约1.1m，灰岩厚约3.5m。

（1）钻孔结构设计。在10#、12#和13#钻场内，施工6个底板钻孔，参数见表1。

表1　钻孔设计参数

（2）现场试验用钻具见表2。

表2　试验用钻具

2.2工业试验钻孔施工方案

2.2.1大扭矩钻机高强钻头工艺方案。

（1）10-1#、10-2#钻孔。10-1#钻孔与10-2#钻孔采用交叉作业方法，施工流程：

①采用Ø133mm弧角胎体钻头+Ø73mm外平钻杆，钻进施工至11m；

②下入Ø108mm套管至10m，注浆固管，候凝；

③采用Ø94mm钻头+Ø89mm扶正器+Ø73mm外平钻杆，扫孔施工至31m；

④下入Ø89mm套管至30m，注浆固管，候凝；

采用Ø75mm弧角胎体钻头+Ø63.5mm外平摩擦焊钻杆，钻至设计孔深。

（2）12-1#钻孔：

①采用Ø113mm弧角胎体钻头+Ø113（63.5）mm扶正器+Ø63.5mm外平钻杆，钻进施工至31m；

②下入Ø89mm套管至30m，注浆固管，候凝。

（3）13-3#钻孔。13-3#钻孔采用Ø113mm胎体弧角钻头+Ø63.5mm外平钻杆，使用ZDY3200S型钻机钻进施工，进尺12m。

（4）效果分析。采用该方案共计施工了4个钻孔，总进尺312.3m，其中硅质泥岩段33.3m，最高钻进效率达到2.4m/h。施工效率对比见表3。

表3　施工效率对比表

在施工10-1#与10-2#钻孔中，采用ZDY4000S型钻机与Ø133mm胎体钻头+Ø73mm外平钻杆钻具组合工艺，最优的参数为：转速170～220r/min、给进压力10～12MPa；

在施工12-1#钻孔中，采用ZDY4000S型钻机与Ø113mm胎体弧角钻头+Ø63.5mm外平钻杆的钻具组合工艺，最优的参数为：转速150～180r/min、给进压力10～12MPa；

在施工13-3#钻孔中，采用ZDY3200S型钻机与Ø113mm胎体弧角钻头+Ø63.5mm外平钻杆的钻具组合工艺，最优的参数为：转速100～120r/min、给进压力8～12MPa。

上述方案存在钻机运移、稳固时间长不利因素。

2.2.2气动冲击器冲击回转钻进工艺方案

13-1#钻孔采用Ø110mm钎头+气动潜孔锤+Ø73mm外平钻杆钻进施工，进尺9.6m。钻进时效见表4。

表4　钻进时效表

本方案采用ZDY3200S型钻机与Ø110mm钎头+ SPM110型气动冲击器+Ø63.5mm外平钻杆的钻具组合工艺，最优的参数为：转速80～100r/min、给进压力5～8MPa；

本方案在施工过程中未采用除尘措施，巷道内粉尘污染严重。

2.2.3液动回转冲击钻进工艺方案

13-2#钻孔采用Ø113mm胎体弧角钻头+液动潜孔锤+Ø73mm外平钻杆钻进施工，进尺8.4m。钻进时效见表5。

表5　钻进时效表

本方案采用ZDY3200S型钻机与Ø113mm胎体钻头+SZX89型液动潜孔锤+Ø63.5mm外平钻杆的钻具工艺，最优参数：转速150～200r/min、给进压力7～10MPa；在施工过程中采用水为冲洗介质，施工环境较好。

2.3硬岩段试验效率对比分析

项目前期对新义煤矿相同施工地点2014年2月6日开始施工的9#钻场2-4#钻孔进行统计，在钻孔0～7.6m段为硅质泥岩，共计施工9个班次，钻进时间59.36h，钻进效率为0.128m/h。

在本次现场试验中，对6个钻孔硅质泥岩段施工效率对比见表6。

表6　施工效率对比表

通过施工对比及数据分析，在3种施工方案中，气动冲击器冲击回转钻进方案效率最高达到了12.52m/h；液动潜孔锤回转冲击钻进方案钻进效率次之，达到了6.55m/h；大扭矩钻机高强钻头钻进方案效率是3种方案中最低的，达到了2.20m/h以上，较试验提高了近20倍，并且施工方法简单，无需增加钻具及设备。

2.4钻头使用情况

本次试验共采用胎体式高强耐磨钻头四类7个钻头：Ø133mm3个、Ø113mm2个、Ø75mm1个、Ø110mm钎头1个。其中Ø133mm五翼胎体钻头刀翼外围复合片磨损严重，属于正常磨损，另一只钻头在试验结束后仍在井下继续使用；序号为113-1的Ø113mm弧角胎体钻头在施工完12-1#钻孔后，外围复合片磨损严重，且其上附着大量硬化岩粉，主要为供水压力及水量不足，并使其水眼堵塞，导致钻头冷却不及时高温磨损；序号为113-2的Ø113mm弧角胎体钻头为液动潜孔锤组合钻头，在高频冲击下虽极大的提高了钻进效率同时也加速了钻头的磨损；Ø75mm弧角胎体钻头在10-1#、10-2#钻孔中钻进了206m，其效果较好，适合在该地层应用。