煤層底板灰?guī)r層注漿定向水平井用PDC鉆頭個性化設(shè)計

高曉亮，楊 哲，居 培

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著煤炭資源開采深度逐漸增大，煤層及頂?shù)装宓刭|(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜[1，2]。高地壓、強構(gòu)造及破碎地層等復(fù)雜地層對煤礦巷道等井下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成的威脅愈發(fā)嚴(yán)重[3]，進而影響煤礦開采效率[4]。為改善這一狀況，需在施工前對巷道所在巖層進行加固、改造，提高其穩(wěn)定性。作為巖層注漿改造的主要方法之一，定向分支水平井技術(shù)通過鉆進1個主孔，向工作面延伸方向側(cè)鉆多分支水平井，從而對整個工作面進行注漿加固。與常規(guī)垂直井注漿相比，可顯著減少垂直鉆孔工作量，同時水平井注漿覆蓋整改工作面底部，可大大降低漿液用量并縮短施工工期[5]。

現(xiàn)階段，常規(guī)水平井主要應(yīng)用于油氣井開發(fā)領(lǐng)域，PDC鉆頭的個性化設(shè)計主要針對水平井對鉆頭導(dǎo)向性能的要求。2017年，徐建飛等對水平井用PDC鉆頭從冠部形狀、布齒設(shè)計等進行了優(yōu)化，在沉積巖層取得了良好的適用效果[6]；2018年武強等對頁巖水平井高效PDC鉆頭從頭型設(shè)計、布齒設(shè)計、力平衡優(yōu)化等方面進行了設(shè)計，取得了良好使用效果[7]；2019胡大梁等對頁巖氣水平井用鉆頭從冠部形狀、切削齒參數(shù)、等進行了選型，取得了良好使用效果[8]?，F(xiàn)階段針對水平井鉆頭設(shè)計的研究擬鉆地層大多為泥頁巖，巖層相對較軟。而注漿加固鉆井?dāng)M鉆地層多為裂隙發(fā)育的奧陶紀(jì)灰?guī)r地層，巖層硬度大，常規(guī)水平井用PDC鉆頭難以滿足灰?guī)r層鉆進需求，需要針對灰?guī)r層進行個性化設(shè)計。本文通過分析某煤礦工程概況及井身結(jié)構(gòu)，結(jié)合擬鉆地層特性，通過優(yōu)化鉆頭剖面結(jié)構(gòu)、局部強化切削齒排布以及優(yōu)選異形切削齒等方面對鉆頭進行個性化設(shè)計，取得了良好的使用效果。

1 工程概況

趙固一礦擬對15011工作面底板進行注漿加固，該工作面地面標(biāo)高85.2～86.1m，井下標(biāo)高-419.7～-454.6m，擬采煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，厚度5.72～6.85m，工作面傾斜寬355m，走向長1640m，面積582200m2，可采儲量535.5萬t。

1.1 地質(zhì)特征及構(gòu)造

15011工作面區(qū)域含煤地層主要為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，區(qū)域其它地層包括石炭系中統(tǒng)本溪組和上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組以及奧陶系中統(tǒng)馬家溝組。工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，整體呈單斜構(gòu)造，工作面上有斷層發(fā)育。該區(qū)域水文地質(zhì)條件極復(fù)雜，存在突水危險性，其中主要充水含水層為L8灰?guī)r含水層，厚度3.93～10.44m，距離煤層底板27.09～31.86m，水壓5.0～5.8MPa，突水系數(shù)0.18～0.21MPa/m，采掘施工易對煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)生擾動，水源補給充分。

因15011工作面水量豐富、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，開采前需要對其進行注漿加固，增加底板巖層整體性，提高含水層巖石抗壓強度，防止采掘過程中，L8灰?guī)r水進入煤層，威脅采掘施工安全。

1.2 鉆孔設(shè)計

為加固15011工作面L8灰?guī)r層，在地面設(shè)計3個主鉆孔(注1、注2、注3)，注1與注2主鉆孔間隔603m，注2與注3主鉆孔間隔743m，注1孔8個分支、注2孔6個分支、注3孔7個分支，每個分支鉆孔在工作面中間間隔為40m，在上下兩巷間隔為60m，如圖1所示。

圖1 15011工作面鉆孔平面布置

2 井身結(jié)構(gòu)及現(xiàn)有鉆頭使用情況

2.1 井身結(jié)構(gòu)

井眼采用三級井身結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中一開深度180m左右，井徑?311mm，配套采用?244.5mm×8.94mm套管進行固井；二開鉆進至L8灰?guī)r層位或L8灰?guī)r頂面以上1m，井徑?216mm，采用?177.8mm×8.05mm套管水泥漿固井；三開順L8灰?guī)r層裸眼鉆進，孔徑?152mm。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)

2.2 鉆具組合

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)選擇合理鉆具組合，其中一開鉆井采用?311mm鉆頭，配套?159mm鉆鋌和?114mm鉆桿，如需定向時，連接?165mm螺桿馬達；二開采用?216mm鉆頭，根據(jù)需要選擇?165/172mm螺桿鉆具進行造斜鉆進，配套?159mm無磁鉆鋌與?114mm鉆桿；三開采用?152mm鉆頭配套?120mm螺桿鉆具進行水平段鉆進，配套?120mm無磁鉆鋌與?89mm鉆桿。

2.3 現(xiàn)有鉆頭使用情況

鑒于煤層底板灰?guī)r層強度、硬度及研磨性較大，在三開段，選用六刀翼PDC鉆頭順灰?guī)r層鉆進。鉆進過程種，鉆頭順灰?guī)r層鉆進適應(yīng)性較差，磨損嚴(yán)重，且壽命較低，僅為110m，復(fù)合鉆進平均鉆速為 2.5m/h，滑動鉆進平均鉆速為1.15m/h，整體鉆進效率較低，鉆進一個鉆孔需要多次起下鉆更換鉆頭，嚴(yán)重影響了鉆進效率[8，9]。常規(guī)鉆頭入井前后對比圖片如圖3所示，通過對鉆頭磨損分析可知，鉆頭磨損部位主要集中在鼻部、肩部，磨損嚴(yán)重，鉆頭體已拉槽較深。

圖3 現(xiàn)有鉆頭磨損圖

3 PDC鉆頭個性化設(shè)計

為實現(xiàn)水平定向井灰?guī)r層位鉆進效率、鉆頭壽命，降低起下鉆次數(shù)，進一步提高施工效率，針對該地層特性對鉆頭進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 擬鉆地層分析與鉆頭設(shè)計思路

?152mm鉆頭主要鉆進鉆進三開順層段，鉆孔軌跡較為平滑，無需造斜鉆進，主要穿越地層為L8灰?guī)r含水層，巖石堅硬、裂隙發(fā)育，通過對前期臨井地質(zhì)剖面圖及取芯鉆探巖心進行試驗分析可知，水平段主要鉆進地層為L8灰?guī)r，巖石堅固性系數(shù)f=8，局部為9，巖石可鉆性級別為Ⅴ-Ⅵ級，中等研磨性，可鉆性：1.15m/h。

為適應(yīng)以上鉆進工藝及地層特點，擬從以下方面對鉆頭進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：①優(yōu)化剖面形狀，提高鉆頭攻擊性；②增加布齒密度，降低單齒切削面積；③增加后備齒，提高鉆頭壽命；④優(yōu)選異形切削齒，增強局部區(qū)域破巖效率及耐磨性。

3.2 鉆頭剖面優(yōu)化設(shè)計

鉆頭剖面形狀因其受力特點不同，分別適用于不同地層。根據(jù)國際鉆井承包商協(xié)會IADC推薦分類及適應(yīng)地層，主要分為拋物線形、短拋物線形、淺錐形、魚尾形四種。其中拋物線形受力均勻，無明顯應(yīng)力集中，適用地層最為廣泛，且能夠排布更多切削齒，最適合提高井下動力鉆進效率提升；短拋物線形剖面較拋物線性剖面能夠更容易吃入地層，適合鉆進硬地層；淺錐形具有良好的導(dǎo)向性，具有較高攻擊性，適合鉆進夾層，配合長保徑適用能夠?qū)崿F(xiàn)較好的穩(wěn)斜效果；魚尾形鉆頭適用于鉆進粘性極高的泥頁巖層[9-11]。

因常規(guī)鉆頭考慮定向側(cè)鉆性能，采用淺內(nèi)錐形剖面，導(dǎo)致鉆頭鼻部磨損嚴(yán)重。為降低鉆頭磨損，采用拋物線形剖面，如圖4所示。該剖面無明顯應(yīng)力集中點，受力均勻，同時可排布更多數(shù)量切削齒，可降低鉆頭磨損，提高鉆頭壽命。

圖4 鉆頭剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3 鉆頭布齒

鉆頭布齒是按照一定規(guī)律將切削齒排布在鉆頭剖面上，主要體現(xiàn)在切削齒的中心距上。由于要完全覆蓋井底，鉆頭中心齒位置一般可以確定。由于中心距不同，越靠近保徑部位，切削齒的線速度越大，切削體積越大，需要排布較多的切削齒降低單齒切削面積。而靠近中心則可以稀疏一些[12-14]。由于擬鉆灰?guī)r層巖石硬度大，為降低切削齒單齒磨損量，需要降低單齒破巖面積，因此在鉆頭外錐和鼻部部分選用極限密度布齒。同時采用后備齒對鉆頭鼻部及外錐等易磨損部位進行后備齒加強。該鉆頭設(shè)計的切削齒包絡(luò)線與布齒情況如圖5所示。

圖5 鉆頭布齒圖

3.4 切削齒安裝角度

合適的切削角能夠保證切削齒具備較好的巖層吃入能力，同時不容易過快損壞。研究表明，切削角度越大，鉆頭切入巖石的能力越弱，但是切削角越小，切削齒越容易發(fā)生破壞[15-17]。因此切削角應(yīng)具備地層適應(yīng)性，根據(jù)灰?guī)r地層特點，并結(jié)合常規(guī)鉆頭使用情況，在易損壞部位(鉆頭鼻部)增大切削角，設(shè)定為18°～21°，其余部位為增加鉆頭攻擊力，應(yīng)盡量減小，選用16°～18°。為了保證切削下來的巖粉能夠快速隨鉆井液排出孔口，應(yīng)設(shè)計合理的側(cè)轉(zhuǎn)角，根據(jù)地層，結(jié)合經(jīng)驗，選用側(cè)轉(zhuǎn)角為5°～8°。

3.5 金剛石復(fù)合片優(yōu)選

隨著PDC超硬材料行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種異形切削齒，研究表明，三棱齒具有較好的抗沖擊韌性及破巖效率，為驗證三棱齒與平面齒的使用效果，對兩種PDC進行了數(shù)值模擬。

3.5.1 數(shù)值模型建立

選用擴展的Drucker-Prager塑性模型模擬巖石的本構(gòu)關(guān)系，分別對平面PDC切削齒和三棱凸脊形PDC切削齒進行碎巖模擬分析。設(shè)置切削齒吃入巖石的深度為3mm，切削齒的維切削角度為-18°。PDC切削齒及其碎巖模型如圖6所示。

圖6 PDC切削齒及其碎巖三維模型

3.5.2 邊界條件

設(shè)置PDC切削齒沿Y軸以50m/h的平移速度切削巖石，PDC切削齒與巖石單元之間設(shè)置侵蝕接觸，當(dāng)巖石單元的損傷變量達到臨界值時，認(rèn)定該單元失效，將此處的巖石單元從計算中刪除。

3.5.3 模擬結(jié)果分析

PDC切削齒切削載荷隨時間變化曲線如圖7所示。無論是平面PDC切削齒還是三棱凸脊PDC切削齒，切削力均隨著時間呈周期性波動變化規(guī)律，平面PDC切削齒和三棱凸脊PDC切削齒的平均切削力分別為864.62N和688.35N，在相同切削深度和切削速度的情況下，三棱凸脊PDC切削齒所需切削載荷小于平面PDC切削齒。

圖7 PDC切削齒切削力隨時間變化曲線

PDC切削齒軸向載荷隨時間變化曲線如圖8所示。平面PDC切削齒和三棱凸脊PDC切削齒的平均軸削力分別為900.37N和789.59N，在相同切削深度和切削速度的情況下，三棱凸脊PDC切削齒所需軸向載荷小于平面PDC切削齒，三棱凸脊PDC切削齒更易吃入巖石。

圖8 PDC切削齒軸向力隨時間變化曲線

通過模擬可得出，在0.06s時間內(nèi)，平面PDC切削齒和三棱凸脊PDC切削齒的碎巖體積分別為4.47×10-6m3和4.41×10-6m3，由此可計算出平面PDC切削齒和三棱凸脊PDC切削齒的碎巖比功分別為：6.39×106J/m3和5.16×106J/m3，三棱凸脊PDC切削齒破碎單位體積巖石所需要的載荷更小，能夠取得更高的碎巖效率。因此選用三棱齒對鉆頭鼻部復(fù)合片進行加強。

4 現(xiàn)場試驗

試制的PDC鉆頭在注1鉆孔種進行了現(xiàn)場試驗，試驗過程中鉆頭鉆進穩(wěn)定，無跳鉆、滑移等現(xiàn)象發(fā)生，能夠沿預(yù)設(shè)軌跡進行鉆進，夠滿足水平段鉆進需求。將其試驗數(shù)據(jù)與常規(guī)鉆頭進行對比，具體試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 優(yōu)化后鉆頭與常規(guī)鉆頭鉆進數(shù)據(jù)對比

從表1中可以看出，改進后的五翼雙排齒PDC鉆頭順灰?guī)r層鉆進適用性較強，鉆進過程鉆頭磨損較輕，鉆頭使用壽命為174m(較高)，使用壽命較6刀翼單排齒PDC鉆頭提高58.18%；復(fù)合鉆進平均速度約為3.75 m/h，復(fù)合鉆進平均速度較6刀翼單排齒PDC鉆頭提高50%；定向鉆進平均速度約為1.8m/h，定向鉆進平均速度較6刀翼單排齒PDC鉆頭提高56.52%，整體平均進尺速度較快；解決了因鉆頭磨損致使鉆進過程頻繁起下鉆更換鉆頭工況，在一定程度上提高鉆進效率。使用后的PDC鉆頭如圖9所示，從圖9中可以看出鉆頭切削齒磨損均勻，無沖擊破壞導(dǎo)致的崩齒，鉆頭體未見磨損，可修復(fù)后繼續(xù)使用。

圖9 使用后的改進型PDC鉆頭

5 結(jié) 論

1)通過分析擬鉆地層特性、鉆進工藝等特點，對定向注漿井用PDC鉆頭進行優(yōu)化設(shè)計，大大提高了鉆頭壽命與鉆進效率，實現(xiàn)了優(yōu)快鉆井需求。

2)采用拋物線形剖面，增加鉆頭布齒密度，增加后備齒，以及選用異形切削齒強化鼻部切削齒等方法，大大提高了鉆頭的攻擊性，降低了關(guān)鍵部位的磨損。

3)灰?guī)r層定向注漿井用PDC 鉆頭的優(yōu)化設(shè)計為硬巖裂隙地層定向井鉆進施工提供了鉆頭設(shè)計方案，為同類地層注漿井的施工提供了技術(shù)支撐。

4)本文僅從鉆頭剖面、切削齒排布、優(yōu)選等方面對鉆頭進行了優(yōu)化，未考慮不同刀翼數(shù)量、不同規(guī)格切削齒對鉆頭在灰?guī)r地層鉆進效果的影響，也未對其它類型異型齒進行分析，需進行后續(xù)研究，進一步提高鉆頭壽命與鉆進效率。