張新春，郭東升，李建濤

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南 鄭州 450053;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 南陽 473003;3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第十一地質(zhì)隊(duì)，河南 商丘 470000)

螺桿鉆具在煤系地層地?zé)峋こ讨械膽?yīng)用

張新春1，郭東升2，李建濤3

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南 鄭州 450053;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 南陽 473003;3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第十一地質(zhì)隊(duì)，河南 商丘 470000)

在對煤系地層特點(diǎn)和螺桿鉆具優(yōu)勢分析的基礎(chǔ)上，介紹了采用螺桿鉆具+PDC鉆頭或三牙輪鉆頭在煤系地層地?zé)峋こ痰膽?yīng)用情況，并對其應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在煤系地?zé)峋こ讨胁捎寐輻U鉆具+PDC鉆頭或三牙輪鉆頭的鉆探工藝，可以提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期，對降低鉆井成本具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

螺桿鉆具;煤系地層;地?zé)峋?工程應(yīng)用

地?zé)峋こ淌且豁?xiàng)投資大、風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)密集的系統(tǒng)工程。工程的設(shè)計(jì)和施工工藝的合理性直接關(guān)系到地?zé)峋こ痰馁|(zhì)量和成敗。近年來，隨著地?zé)衢_發(fā)步入一個(gè)新的發(fā)展階段，地?zé)豳Y源開發(fā)正向超深層發(fā)展。但是超深層地?zé)衢_發(fā)工程鉆遇地層多復(fù)雜多樣，施工難度較大。比如:鄭州、洛陽、太原等地，超深層地?zé)豳Y源多儲(chǔ)存于煤系地層之中。由于煤系地層地質(zhì)條件變化大，施工技術(shù)復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，是地?zé)徙@井中的難點(diǎn)。目前地?zé)徙@井設(shè)備多存在鉆井裝備技術(shù)性差以及不配套等多種問題。這些現(xiàn)實(shí)狀況，造成了目前地?zé)徙@井周期長、成本高，整體經(jīng)濟(jì)效益不明顯。經(jīng)過多次實(shí)踐，并結(jié)合國內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有設(shè)備條件下，采用螺桿鉆具配合PDC鉆頭或三牙輪鉆頭鉆探方法，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，降低生產(chǎn)成本，在煤系地層地?zé)峋こ痰膽?yīng)用取得較好的效果。

1 煤系地層特點(diǎn)

煤系地層多數(shù)都屬于復(fù)雜地層，主要是由泥巖、頁巖、砂巖、煤層及灰?guī)r等巖性構(gòu)成。泥頁巖較松軟，易吸水膨脹，鉆進(jìn)時(shí)容易產(chǎn)生縮徑、掉塊、坍塌現(xiàn)象。灰?guī)r溶洞裂隙發(fā)育，在鉆探施工中存在著不同程度的孔壁漏水，遇到承壓含水層，鉆孔還會(huì)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。這類地層在鉆探工程中稱為不穩(wěn)定地層，主要表現(xiàn)在遇水膨脹和應(yīng)力釋放，使地層和井壁失穩(wěn)。在地?zé)徙@探中主要面臨著地層破碎掉塊、地層遇水剝落、地層遇水膨脹、地層漏失等諸多問題。

2 合理使用及注意事項(xiàng)

2.1 螺桿鉆具的選擇

(1)安全性的原則。在同一井眼其他條件不變的情況下，以鉆具剛性強(qiáng)度最大為優(yōu)選條件，即做到大馬拉小車的原則，以確保安全性。

(2)輸出扭矩最大的原則。在同一井眼其他條件不變的情況下，鉆具的輸出扭矩越大為優(yōu)選條件，以確保提供足夠的滑動(dòng)鉆進(jìn)的扭矩。

(3)排量合適的原則。螺桿鉆具為容積式馬達(dá)，其輸出轉(zhuǎn)速與排量成正比，在同一排量下，應(yīng)選擇排量合適的鉆具，以確保所要求的轉(zhuǎn)速，將馬達(dá)發(fā)揮至最佳狀態(tài)。

(4)考慮適合鉆井施工工藝的原則。以入井安全性和井中環(huán)空以及適應(yīng)合適打撈工具的原則。

(5)提高鉆具使用壽命的原則。鉆具在使用過程中，應(yīng)始終處于本身的最佳使用狀態(tài)的工程中，而不能超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

(6)優(yōu)選鉆壓及泵壓的原則。每種規(guī)格的螺桿鉆具都給出其所承受的馬達(dá)負(fù)載壓力降(馬達(dá)負(fù)載壓力降=工作打鉆泵壓－離井底泵壓)與鉆壓的范圍，在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)根據(jù)進(jìn)尺來優(yōu)選泵壓和鉆壓，從而獲得滿意的機(jī)械鉆速。同時(shí)，在鉆進(jìn)作業(yè)中，考慮到對方向的控制，鉆壓值較小。因此，實(shí)際鉆井中，所選用的鉆壓往往不是給定的受載平衡點(diǎn)的鉆壓值。

2.2 螺桿鉆具的使用

(1)泥漿排量應(yīng)控制在給定的范圍內(nèi)。

(2)要求施加鉆壓不要太猛。

(3)避免頓鉆或?qū)⒙輻U直接座入井底。

(4)嚴(yán)禁異物進(jìn)入馬達(dá)。

(5)合理選配鉆頭及水眼。

2.3 鉆具、鉆頭及鉆井參數(shù)要求

(1)螺桿鉆具提供較大的扭矩和輸出功率，以及可靠的動(dòng)力維持性。

(2)PDC鉆頭有適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的能力，具有更高的耐磨性，更長的使用壽命;同時(shí)具有一定的噴射效果。尤其在周期較長的直井鉆進(jìn)中更加適用。

(3)優(yōu)選鉆頭水力參數(shù)和鉆井液排量，及時(shí)將巖屑攜帶出來。

(4)三牙輪鉆頭也可使用，此時(shí)牙輪鉆頭齒部硬度可比用一般傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)選硬一個(gè)等級

(5)提高鉆井液的凈化程度，確保螺桿鉆具的工作壽命。

(6)鉆井液的性能要滿足鉆進(jìn)的要求。

3 工程實(shí)例分析

3.1 鉆井設(shè)備及參數(shù)

鉆機(jī):TSJ－2000型水源鉆機(jī);

泥漿泵:BW1200/7A型;

發(fā)電機(jī):110 KW和90 KW各1臺(tái);

振動(dòng)篩和旋流除砂器各1臺(tái)。

鉆具組合:Φ215.9 mm PDC鉆頭或三牙輪鉆頭 +3LZ172 mm螺桿鉆具+Φ159 mm鉆鋌4根+Φ127 mm鉆鋌3根+89 mm鉆桿。

鉆壓:50～80 kN;泵壓:8～10 MPa;泵量:1 000～1 200 L/min。

泥漿參數(shù):密度 1.24 g/cm3，漏斗粘度:24 ～ 27 s，含砂量0.2%，固相含量12%，PH值9。

3.2 使用效果

從2008年到2011年，通過在鄭州、安陽、運(yùn)城等地4眼煤系地層地?zé)峋M(jìn)行螺桿鉆具配合 PDC鉆頭或三牙輪鉆頭的應(yīng)用試驗(yàn)，極大的提高了機(jī)械鉆速，對縮短鉆井周期、降低鉆井成本、提高經(jīng)濟(jì)效益都具有現(xiàn)實(shí)意義。某1 500地?zé)峋糠志尾捎貌煌@探方法效率對比見表1。

表1 某1500地?zé)峋糠志尾煌@探方法效率對比表

由表1可以看出，采用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)+螺桿鉆具 +三牙輪鉆頭方式鉆進(jìn)的平均機(jī)械鉆速為0.6 m/h，其是采用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)+三牙輪鉆頭鉆進(jìn)方式的1.4倍;而采用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn) +螺桿鉆具 +PDC鉆頭方式鉆進(jìn)的平均機(jī)械鉆速達(dá)到了0.91 m/h，是采用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn) +三牙輪鉆頭鉆進(jìn)方式的2.1倍，是采用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)+PDC鉆頭鉆進(jìn)方式的4倍。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

以某1 500 m地?zé)峋疄槔?，采用螺桿鉆具配合 PDC鉆頭或三牙輪鉆頭在該井共使用了4只PDC鉆頭、4只三牙輪鉆頭和2根螺桿鉆具，共進(jìn)行了8次起下鉆作業(yè)。其中PDC鉆頭平均按20 000元/只、三牙輪鉆頭平均按8 000元/只，螺桿鉆具按80 000/根、鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)按410元/h、平均每次起下鉆按10h計(jì)算。并且假定鉆頭和螺桿鉆具完全消耗。根據(jù)公式:

每米鉆井成本計(jì)算公式為:

式中:Cu為鉆井直接成本，元/m;Cb為鉆頭成本，元/m;CL為螺桿鉆具成本，元/m;Cr為鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)，元/h;Td為純鉆進(jìn)時(shí)間，h;TL為起下鉆時(shí)間，h;L為鉆井進(jìn)尺，m。

可以計(jì)算出平均每米鉆井成本為513.99元。而同地區(qū)同深度采用同樣直徑井段采用轉(zhuǎn)盤方式+PDC鉆頭或三牙輪鉆頭鉆進(jìn)，其要使用5只 PDC鉆頭和5只三牙輪鉆頭，進(jìn)行10次起下鉆作業(yè)，每米鉆井成本要達(dá)到716.2元。兩者相比每米鉆井成本能節(jié)約202.21元。所以該井相比采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤方式鉆探方法節(jié)約鉆井成本約30余萬元。由此可見，在現(xiàn)有設(shè)備情況下，采用螺桿鉆具 +PDC鉆頭或三牙輪鉆頭的鉆探方法的經(jīng)濟(jì)效益比較明顯。

4 結(jié)論

(1)在煤系地層地?zé)峋こ讨?，采用螺桿鉆具 +PDC鉆頭或三牙輪鉆頭鉆探方法，可以提高機(jī)械鉆速、降低鉆井成本、縮短鉆井周期、提高經(jīng)濟(jì)效益。

(2)在煤系地層地?zé)峋こ讨胁捎寐輻U鉆具鉆探方法，首先要選擇合適的地層，并根據(jù)地層的特性選擇配合較好的PDC鉆頭或三牙輪鉆頭。

(3)采用螺桿鉆具配合PDC鉆頭或三牙輪鉆頭方式鉆進(jìn)時(shí)，要與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)相結(jié)合。

(4)煤系地層地質(zhì)條件比較復(fù)雜多變，鉆探施工工藝復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，在鉆探施工中要針對地層特點(diǎn)，對施工工藝、泥漿工藝及成井工藝進(jìn)行專門研究。

［1］趙金洲，等.鉆井工程技術(shù)手冊.中國石化出版社出版發(fā)行，2005.

［2］張秋冬，等.煤系地層地?zé)峋@探技術(shù).探礦工程，2003.

TD263.3

B

1004－1184(2012)01－0102－02

2011－09－09

張新春(1978－)，男，河南確山人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)工作。