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        PDC鉆頭在西部軟巖地層凍結(jié)造孔施工中的應(yīng)用

        2014-11-26 12:12:56孫右好
        中國煤炭 2014年7期
        關(guān)鍵詞:效率施工

        彭 偉 高 偉 孫右好 任 強

        (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,北京市朝陽區(qū),100013;3.天地科技建井研究院,北京市朝陽區(qū),100013)

        近年來,隨著西部能源開發(fā)戰(zhàn)略的推進,我國煤礦開采建設(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,這與東部沖積層厚度大、基巖段薄的特點正好相反。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、交圈時間短、凍結(jié)壁穩(wěn)定性好等對凍結(jié)有利因素,但同時也存在凍結(jié)造孔施工難度大、鉆進效率低、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型鉆機配備BW850/50泥漿泵,采用以上鉆頭、鉆具、設(shè)備進行施工優(yōu)勢明顯,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。西部軟巖巖石相對硬度高、厚度大、井筒深,采用三牙輪鑲齒鉆頭進行凍結(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時間增多等不利條件,從而降低了臺機效率。牙輪鉆頭的特點及破碎機理是屬于給壓鉆進,在遇到軟巖地層時,壓力小了進尺慢、鉆進效率低,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)孔施工效率的一個重要因素。

        2 PDC鉆頭特點

        目前油田鉆井施工中針對深厚基巖段應(yīng)用較為廣泛的是PDC鉆頭,PDC鉆頭又稱為聚晶金剛石復(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度高、耐磨等優(yōu)點,同時還具備了硬質(zhì)合金具有的抗沖擊性強、出刃大等特點。其特點決定著采用PDC鉆頭施工鉆孔屬于減壓鉆進,對鉆具要求不高、事故率低是鉆進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),大大地提高了鉆進效率,同時降低了凍結(jié)造孔的施工成本,節(jié)約了施工工期。通過在核桃峪副井凍結(jié)造孔中技術(shù)改進,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度1.59~28.6MPa,砂質(zhì)泥巖、粉砂巖屬較軟巖,巖體質(zhì)量等級為Ⅲ類,細砂巖、中砂巖、粗砂巖屬軟巖、極軟巖,巖體質(zhì)量等級為Ⅴ類。侏羅系、三疊系巖石飽和單軸抗壓強度10~21MPa,屬軟巖、較軟巖類,巖體質(zhì)量等級為Ⅲ類~IV類。

        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。白堊系飽和抗壓強度為2.54MPa,屬極軟弱類易軟化巖石,巖石質(zhì)量等級為Ⅳ類。侏羅系中統(tǒng)延安組及安定組飽和抗壓強度為3.87MPa,屬極軟弱類易軟化巖石,巖石質(zhì)量中等為Ⅲ類。其中上部40m為礫石層,下部404~429m為較硬礫石層。

        3.2 施工中遇到的問題

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

        前期施工過程中存在的問題為表土層施工速度較快,平均用時50h。進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)壓力小進尺慢、壓力大了又對鉆具絲扣強度有很高要求,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表1。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)孔深的增加用于糾偏及處理孔內(nèi)事故的時間明顯增多,嚴重影響施工效率。相對順利的4號和6號鉆機的平均臺機月進尺也僅為720m,較設(shè)計臺機月進尺嚴重滯后。

        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)濟上與使用牙輪鉆頭相比,使用PDC鉆頭鉆進礫石層成本較高,因此PDC鉆頭不適用于礫石層鉆進。

        3.3 PDC鉆頭的應(yīng)用效果

        經(jīng)過對核桃峪煤礦地層特點分析及對該地層施工經(jīng)驗的總結(jié),結(jié)合PDC鉆頭的特點及其在油田鉆井中的施工經(jīng)驗,嘗試在核桃峪副井井盤由6號鉆機在原有設(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,純鉆進時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。通過一段時間的摸索,并進行技術(shù)總結(jié),對鉆進參數(shù)進行調(diào)整。通過調(diào)整鉆進參數(shù),鉆孔施工質(zhì)量得到了有效控制,鉆孔糾偏次數(shù)減少,鉆進效率明顯提高。牙輪鑲齒鉆頭鉆進參數(shù)與PDC鉆頭鉆進參數(shù)及施工效率對比見表2。

        表1 鉆孔施工情況及效率統(tǒng)計表

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

        從兩種鉆頭施工效率進行對比不難看出,使用PDC鉆頭鉆進效率比牙輪鑲齒鉆頭鉆進效率提高約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降低約66%,在軟巖地層凍結(jié)孔施工中使用PDC鉆頭鉆進與牙輪鉆頭鉆進相比具有高效率、糾偏輔助耗時少的明顯優(yōu)勢。經(jīng)濟性方面,PDC鉆頭的特點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。綜合對比,使用PDC鉆頭進行鉆進比使用牙輪鉆頭鉆進綜合成本相對較低。

        采用PDC鉆頭施工的優(yōu)點在紅慶梁風(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)單臺鉆機進尺200m/d以上,8月份鉆機平均臺機月進尺2045m,單臺鉆機最大臺機月進尺2360m。紅慶梁礦風(fēng)井凍結(jié)深度472m,采用190mm PDC鉆頭進行凍結(jié)造孔施工,馬頭門處挖出凍結(jié)管,經(jīng)實測凍結(jié)孔孔徑193 mm。由于需要進行泥漿置換,PDC鉆頭糾偏少的施工優(yōu)點保證了凍結(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。

        3.4 PDC鉆頭施工關(guān)鍵技術(shù)

        (1)采用PDC鉆頭鉆進過程中應(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度,在保證施工質(zhì)量的前提下提高鉆進效率。

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

        (3)加強泥漿泵檢修維護, 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,防止進度過快、泵量不夠造成巖粉攜帶不及時產(chǎn)生埋鉆事故。

        4 結(jié)語

        (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,最高臺機月進尺達到1500m。

        (2)通過PDC鉆頭在核桃峪超深凍結(jié)孔施工中的首次成功運用,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,具有鉆進效率高、孔內(nèi)事故少、經(jīng)濟性好等特點。

        (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,在鉆進參數(shù)上進行合理優(yōu)化,提高PDC鉆頭的施工效率,多次出現(xiàn)單臺鉆機進尺200m/d以上,單月鉆機平均臺機月進尺2045m,單臺鉆機最大臺機月進尺2360m,保證了施工工期,經(jīng)濟效益顯著。

        (4)通過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)造孔偏斜對白堊系地層凍結(jié)法鑿井影響研究[J].中國煤炭,2013(2)

        [2]葉湘.凍結(jié)法鑿井的若干問題研究[J].中國煤炭,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].石油機械,2007(12)

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

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

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