PDC鉆頭在西部軟巖地層凍結(jié)造孔施工中的應(yīng)用

彭 偉 高 偉 孫右好 任 強(qiáng)

(1.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，014316；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.天地科技建井研究院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

近年來(lái)，隨著西部能源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國(guó)煤礦開(kāi)采建設(shè)的重心逐漸轉(zhuǎn)移至陜甘寧、內(nèi)蒙、新疆等西部地區(qū)。西部地區(qū)具有沖積層淺、基巖厚度大的特點(diǎn)，這與東部沖積層厚度大、基巖段薄的特點(diǎn)正好相反。東部地層凍結(jié)法鑿井凍結(jié)造孔技術(shù)已經(jīng)比較成熟，形成一套完善的凍結(jié)造孔工藝體系。在西部軟巖地層中，凍結(jié)法具有凍結(jié)發(fā)展速度快、交圈時(shí)間短、凍結(jié)壁穩(wěn)定性好等對(duì)凍結(jié)有利因素，但同時(shí)也存在凍結(jié)造孔施工難度大、鉆進(jìn)效率低、偏斜不易控制、糾偏成功率低等不利條件，因此西部軟巖地層對(duì)凍結(jié)造孔施工技術(shù)提出了更高要求。

1 施工現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

東部地層中凍結(jié)造孔施工中常用的鉆頭為三牙輪鉆頭，在第三系、第四系地層中選用鋼齒，在基巖段選用鑲齒，兩種類(lèi)型鉆頭搭配使用較為普遍，鉆具采用?108mm立軸＋?89mm鉆桿＋?159mm鉆鋌＋?190mm三牙輪鉆頭，設(shè)備選用TSJ-2000型鉆機(jī)配備BW850／50泥漿泵，采用以上鉆頭、鉆具、設(shè)備進(jìn)行施工優(yōu)勢(shì)明顯，安全、快速、高效、技術(shù)成熟穩(wěn)定。目前西部軟巖井筒凍結(jié)造孔施工中，依然采用三牙輪鑲齒鉆頭施工。西部軟巖巖石相對(duì)硬度高、厚度大、井筒深，采用三牙輪鑲齒鉆頭進(jìn)行凍結(jié)造孔施工造成施工效率低、孔內(nèi)事故明顯增多、事故處理難度大、施工質(zhì)量難以保證、糾偏及處理事故等輔助鉆進(jìn)時(shí)間增多等不利條件，從而降低了臺(tái)機(jī)效率。牙輪鉆頭的特點(diǎn)及破碎機(jī)理是屬于給壓鉆進(jìn)，在遇到軟巖地層時(shí)，壓力小了進(jìn)尺慢、鉆進(jìn)效率低，壓力大了鉆孔偏斜不好控制，并且隨著凍結(jié)孔深度的增加，大鉆壓對(duì)鉆具及鉆頭本身的質(zhì)量要求較高，容易發(fā)生鉆具脫落、斷裂等情況，造成掉鉆、卡鉆及鉆頭掉齒等孔內(nèi)事故，三牙輪鉆頭成為制約西部軟巖凍結(jié)孔施工效率的一個(gè)重要因素。

2 PDC鉆頭特點(diǎn)

目前油田鉆井施工中針對(duì)深厚基巖段應(yīng)用較為廣泛的是PDC鉆頭，PDC鉆頭又稱(chēng)為聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，是在高溫高壓下由人造金剛石與硬質(zhì)合金一次性合成的超硬材料。PDC鉆頭具有金剛石所具有的強(qiáng)度高、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備了硬質(zhì)合金具有的抗沖擊性強(qiáng)、出刃大等特點(diǎn)。其特點(diǎn)決定著采用PDC鉆頭施工鉆孔屬于減壓鉆進(jìn)，對(duì)鉆具要求不高、事故率低是鉆進(jìn)深厚軟巖地層的理想鉆頭。

3 工程應(yīng)用

核桃峪副井凍結(jié)孔施工中第一次引用了PDC鉆頭施工技術(shù)，大大地提高了鉆進(jìn)效率，同時(shí)降低了凍結(jié)造孔的施工成本，節(jié)約了施工工期。通過(guò)在核桃峪副井凍結(jié)造孔中技術(shù)改進(jìn)，PDC鉆頭凍結(jié)造孔施工技術(shù)在紅慶梁煤礦得到了推廣應(yīng)用。

3.1 地質(zhì)條件

核桃峪井田井筒圍巖為松散巖與碎屑巖沉積巖層。根據(jù)井筒井檢孔揭露情況，地層自上而下埋藏為第四系、白堊系、侏羅系、三疊系。白堊系巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度1.59～28.6MPa，砂質(zhì)泥巖、粉砂巖屬較軟巖，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類(lèi)，細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖屬軟巖、極軟巖，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類(lèi)。侏羅系、三疊系巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度10～21MPa，屬軟巖、較軟巖類(lèi)，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類(lèi)～I(xiàn)V類(lèi)。

紅慶梁煤礦根據(jù)井檢孔揭露地層自上而下埋藏為第四系 (0.9m)、白堊系下統(tǒng)志丹群、侏羅系中統(tǒng)安定組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、侏羅系中統(tǒng)延安組。白堊系飽和抗壓強(qiáng)度為2.54MPa，屬極軟弱類(lèi)易軟化巖石，巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ類(lèi)。侏羅系中統(tǒng)延安組及安定組飽和抗壓強(qiáng)度為3.87MPa，屬極軟弱類(lèi)易軟化巖石，巖石質(zhì)量中等為Ⅲ類(lèi)。其中上部40m為礫石層，下部404～429m為較硬礫石層。

3.2 施工中遇到的問(wèn)題

根據(jù)地質(zhì)資料核桃峪副井凍結(jié)設(shè)計(jì)采用大圈徑、大管徑的凍結(jié)方案，設(shè)計(jì)孔深淺孔856m、深孔950m，鉆孔工程量為51784m，造孔工期231d，選用TSJ-2000型鉆機(jī)、BW850／50泥漿泵、配備?108mm立軸＋?89mm鉆桿＋?159mm鉆鋌＋?215mm牙輪鑲齒鉆頭，6臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工，計(jì)劃凍結(jié)造孔平均臺(tái)機(jī)月進(jìn)尺為1100m。

前期施工過(guò)程中存在的問(wèn)題為表土層施工速度較快，平均用時(shí)50h。進(jìn)入基巖段施工后速度明顯減慢，鉆孔隨著深度的增加鉆孔的偏斜很難控制，糾偏時(shí)間逐漸增多而且成功率降低，隨著鉆孔深度增加鉆壓控制較難，出現(xiàn)壓力小進(jìn)尺慢、壓力大了又對(duì)鉆具絲扣強(qiáng)度有很高要求，多次發(fā)生鉆具脫扣、粘扣及掉鉆具的事故。前兩輪鉆孔施工情況及效率見(jiàn)表1。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)孔深的增加用于糾偏及處理孔內(nèi)事故的時(shí)間明顯增多，嚴(yán)重影響施工效率。相對(duì)順利的4號(hào)和6號(hào)鉆機(jī)的平均臺(tái)機(jī)月進(jìn)尺也僅為720m，較設(shè)計(jì)臺(tái)機(jī)月進(jìn)尺嚴(yán)重滯后。

在紅慶梁凍結(jié)造孔中，下部400m左右的一層礫石層 (25m)是制約凍結(jié)造孔速度的瓶頸，通過(guò)該層至少需要24h。采用PDC鉆頭不能提高礫石層凍結(jié)造孔速度，在經(jīng)濟(jì)上與使用牙輪鉆頭相比，使用PDC鉆頭鉆進(jìn)礫石層成本較高，因此PDC鉆頭不適用于礫石層鉆進(jìn)。

3.3 PDC鉆頭的應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)對(duì)核桃峪煤礦地層特點(diǎn)分析及對(duì)該地層施工經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，結(jié)合PDC鉆頭的特點(diǎn)及其在油田鉆井中的施工經(jīng)驗(yàn)，嘗試在核桃峪副井井盤(pán)由6號(hào)鉆機(jī)在原有設(shè)備及鉆具組合不變的情況下改用PDC鉆頭施工。使用PDC鉆頭施工前期，純鉆進(jìn)時(shí)的鉆孔速度明顯加快，但是鉆孔質(zhì)量難以保證，主要體現(xiàn)在鉆孔易斜而且偏斜發(fā)展較快，糾偏效果不理想。通過(guò)一段時(shí)間的摸索，并進(jìn)行技術(shù)總結(jié)，對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，鉆孔施工質(zhì)量得到了有效控制，鉆孔糾偏次數(shù)減少，鉆進(jìn)效率明顯提高。牙輪鑲齒鉆頭鉆進(jìn)參數(shù)與PDC鉆頭鉆進(jìn)參數(shù)及施工效率對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 鉆孔施工情況及效率統(tǒng)計(jì)表

表2 核桃峪礦副井凍結(jié)造孔鉆進(jìn)參數(shù)及施工效率對(duì)比

從兩種鉆頭施工效率進(jìn)行對(duì)比不難看出，使用PDC鉆頭鉆進(jìn)效率比牙輪鑲齒鉆頭鉆進(jìn)效率提高約55%左右，在保證鉆孔質(zhì)量的前提下糾偏次數(shù)減少，用于糾偏的輔助耗時(shí)降低約66%，在軟巖地層凍結(jié)孔施工中使用PDC鉆頭鉆進(jìn)與牙輪鉆頭鉆進(jìn)相比具有高效率、糾偏輔助耗時(shí)少的明顯優(yōu)勢(shì)。經(jīng)濟(jì)性方面，PDC鉆頭的特點(diǎn)是一次性投入成本較牙輪鑲齒鉆頭大，但經(jīng)修復(fù)可重復(fù)使用 (一般每孔修復(fù)1～2次)，牙輪鑲齒鉆頭則是一次性投入，磨損后不可修復(fù)。使用PDC鉆頭的鉆孔，鉆具脫扣、粘扣及掉鉆具、鉆頭的孔內(nèi)事故明顯減少，從而降低了處理事故的成本。綜合對(duì)比，使用PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)比使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)綜合成本相對(duì)較低。

采用PDC鉆頭施工的優(yōu)點(diǎn)在紅慶梁風(fēng)井凍結(jié)造孔中得到應(yīng)用，在砂巖和泥巖地層中采用PDC鉆頭施工多次出現(xiàn)單臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)尺200m／d以上，8月份鉆機(jī)平均臺(tái)機(jī)月進(jìn)尺2045m，單臺(tái)鉆機(jī)最大臺(tái)機(jī)月進(jìn)尺2360m。紅慶梁礦風(fēng)井凍結(jié)深度472m，采用190mm PDC鉆頭進(jìn)行凍結(jié)造孔施工，馬頭門(mén)處挖出凍結(jié)管，經(jīng)實(shí)測(cè)凍結(jié)孔孔徑193 mm。由于需要進(jìn)行泥漿置換，PDC鉆頭糾偏少的施工優(yōu)點(diǎn)保證了凍結(jié)孔成孔孔徑不被刷大，從而保證了環(huán)形空間充填的高度，減小環(huán)形空間漏水的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 PDC鉆頭施工關(guān)鍵技術(shù)

(1)采用PDC鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)輕鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大泵量，根據(jù)偏斜情況、地層條件合理調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)和泥漿參數(shù)，遇到較軟地層甚至不給壓，切忌盲目追求施工進(jìn)度，在保證施工質(zhì)量的前提下提高鉆進(jìn)效率。

(2)根據(jù)PDC鉆頭的特點(diǎn)，認(rèn)真做好地質(zhì)資料的收集工作，在礫巖層之前提前更換鉆頭，同時(shí)注意保持孔內(nèi)干凈，防止雜物掉落，造成鉆頭損壞。

(3)加強(qiáng)泥漿泵檢修維護(hù)， 加大泥漿泵量、提高泥漿比重，加大泥漿排砂能力避免重復(fù)切削，防止進(jìn)度過(guò)快、泵量不夠造成巖粉攜帶不及時(shí)產(chǎn)生埋鉆事故。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)核桃峪副井凍結(jié)造孔施工中，在保證施工質(zhì)量的前提下，施工效率有過(guò)2次明顯提高，尤其是在PDC鉆頭的使用以后，施工效率有了很大突破，最高臺(tái)機(jī)月進(jìn)尺達(dá)到1500m。

(2)通過(guò)PDC鉆頭在核桃峪超深凍結(jié)孔施工中的首次成功運(yùn)用，證明了PDC鉆頭更適合在西部軟巖井筒凍結(jié)造孔施工中使用，具有鉆進(jìn)效率高、孔內(nèi)事故少、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。

(3)紅慶梁風(fēng)井凍結(jié)造孔施工中參照具體地層巖石硬度、結(jié)合PDC鉆頭特點(diǎn)，在鉆進(jìn)參數(shù)上進(jìn)行合理優(yōu)化，提高PDC鉆頭的施工效率，多次出現(xiàn)單臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)尺200m／d以上，單月鉆機(jī)平均臺(tái)機(jī)月進(jìn)尺2045m，單臺(tái)鉆機(jī)最大臺(tái)機(jī)月進(jìn)尺2360m，保證了施工工期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(4)通過(guò)核桃峪副井和紅慶梁風(fēng)井凍結(jié)造孔工程總結(jié)出一套成熟的PDC鉆頭鉆進(jìn)工藝參數(shù)，在西部軟巖地層凍結(jié)孔施工中推廣應(yīng)用前景較為廣泛。

[1]陳軍浩，陳飛敏.凍結(jié)造孔偏斜對(duì)白堊系地層凍結(jié)法鑿井影響研究[J].中國(guó)煤炭，2013(2)

[2]葉湘.凍結(jié)法鑿井的若干問(wèn)題研究[J].中國(guó)煤炭，2000(1)

[3]楊麗，陳康民.PDC鉆頭的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].石油機(jī)械，2007(12)

[4]張遠(yuǎn)豐.PDC鉆頭在中硬巖鉆進(jìn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2008(9)

[5]王愛(ài)江，潘信眾.PDC鉆頭最新技術(shù)的綜述[J].內(nèi)江科技，2008(2)