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        復(fù)雜破碎地層孔底驅(qū)動快速跟管鉆進(jìn)技術(shù)研究

        2023-11-05 05:49:04趙大偉丁榮飛
        鉆探工程 2023年5期
        關(guān)鍵詞:孔底孔壁鉆桿

        趙 凱,侯 紅,趙大偉,丁榮飛

        (1.河南能源焦煤公司趙固二礦,河南 新鄉(xiāng) 453634;2.西安大星起節(jié)能科技有限公司,陜西 西安 710076)

        0 引言

        目前,在地質(zhì)鉆探和油氣鉆井領(lǐng)域跟管鉆進(jìn)技術(shù)得到了較快發(fā)展,以氣動潛孔錘和基于旋轉(zhuǎn)開合的偏心鉆頭組合為主,施工過程中偏心鉆頭在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下實(shí)現(xiàn)隨鉆偏心擴(kuò)孔部分的張開,從而對先導(dǎo)孔進(jìn)行隨鉆擴(kuò)孔,通過內(nèi)部鉆具帶動套管靴和套管隨鉆跟進(jìn),跟管過程中套管不能旋轉(zhuǎn)。該技術(shù)能有效地將鉆進(jìn)和下套管同時作業(yè),及時進(jìn)行護(hù)壁,保障返渣通道,提高鉆孔深度,有效地解決因塌孔返渣不暢等導(dǎo)致成孔難、效率低等難題[1-5]。在煤礦井下鉆探領(lǐng)域,探放水孔、底板加固注漿鉆孔、穿煤鉆孔等需要下入套管進(jìn)行完孔的鉆孔,對跟管鉆進(jìn)技術(shù)也提出了較大需求,但是,由于煤礦井下地層條件的復(fù)雜性,以及井下空間和現(xiàn)有鉆機(jī)設(shè)備限制,不能直接將地面鉆探領(lǐng)域的跟管鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下,需要根據(jù)井下現(xiàn)實(shí)條件,開發(fā)出一種新的跟管鉆進(jìn)技術(shù)[6-11]。筆者以趙固二礦復(fù)雜破碎地層鉆孔施工為研究對象,借鑒地面鉆探領(lǐng)域跟管鉆進(jìn)技術(shù),研究通過孔底鉆桿驅(qū)動跟管鉆進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)套管可靠、快速下入鉆孔內(nèi)。

        1 復(fù)雜破碎地層套管作業(yè)困難原因分析

        煤礦井下廣泛存在著復(fù)雜破碎地層,在這類地層中施工鉆孔往往需要進(jìn)行下套管作業(yè),現(xiàn)有技術(shù)條件下,下套管作業(yè)遇到2 個難題:一是套管下不到目標(biāo)孔深;二是下套管作業(yè)效率低下。造成下套管作業(yè)困難的原因較多,主要有地層情況、鉆探設(shè)備、下管工藝及機(jī)具、沖洗介質(zhì)、鉆孔傾角等。

        1.1 地層因素

        復(fù)雜破碎地層一般膠結(jié)不良,強(qiáng)度不高,煤巖體內(nèi)裂隙、空隙發(fā)育,另一方面,孔壁周圍煤巖體由于鉆孔的形成,其承受的原始應(yīng)力遭到毀壞,喪失了原有的平衡狀態(tài)。因此,在鉆進(jìn)過程中和鉆進(jìn)成孔后,出現(xiàn)孔壁掉塊、縮徑、坍塌、涌水等現(xiàn)象,導(dǎo)致孔壁失穩(wěn),套管難以下至預(yù)定孔深。

        1.2 鉆探設(shè)備因素

        現(xiàn)有鉆探設(shè)備中,只有雙動力頭雙管鉆機(jī)具備下套管功能,但是,在煤礦鉆探領(lǐng)域,該設(shè)備目前處于研發(fā)試驗(yàn)階段,性能尚未成熟,加之雙動力頭雙管鉆機(jī)尺寸龐大,一般的礦井巷道條件無法滿足其正常使用,故想通過鉆機(jī)設(shè)備解決下套管困難問題現(xiàn)階段難以實(shí)現(xiàn)。

        1.3 下管工藝及機(jī)具因素

        當(dāng)前煤礦井下下套管工藝主要是鉆孔成孔后,人工從孔口推入鉆孔內(nèi)或借助鉆機(jī)頂入孔內(nèi),套管不旋轉(zhuǎn),該方法在地層條件較好不塌孔時可以應(yīng)用,但在地層復(fù)雜破碎時,由于下套管作業(yè)的滯后性以及套管不旋轉(zhuǎn),造成套管難以下至目標(biāo)孔深,或者需反復(fù)進(jìn)行掃孔,下管作業(yè)效率很低。下管機(jī)具方面尚未見有成熟的應(yīng)用。

        1.4 沖洗介質(zhì)因素

        對于復(fù)雜破碎地層,地面鉆探通常會采用一定配比的泥漿進(jìn)行保壓鉆進(jìn),泥漿攜渣能力好,也有利于孔壁穩(wěn)定和跟管作業(yè),地面配有泥漿池,泥漿可循環(huán)利用,而在煤礦井下鉆探,受空間和鉆孔施工周期短限制,設(shè)置泥漿池不合適,只能采用清水鉆進(jìn),亦無法保壓,而清水比泥漿對孔壁沖刷大,攜渣能力差,造成塌孔卡鉆頻發(fā),下套管作業(yè)也受到不利影響[12-16]。

        1.5 鉆孔傾角因素

        在相同的地層條件下,鉆孔斜角從90°變化到0°時,亦即鉆孔由直孔變化為緩角度孔甚至水平孔時,孔壁的穩(wěn)定性受重力影響變差,套管下入難度變大。

        綜上,地層情況為客觀條件,難以改變,可實(shí)現(xiàn)下套管作業(yè)的雙動力頭雙管鉆機(jī)現(xiàn)在尚未成熟應(yīng)用,清水作為沖洗介質(zhì)一時亦無法用其它介質(zhì)取代(趙固二礦地層含水,壓風(fēng)作為沖洗介質(zhì)遇水不返渣),鉆孔的設(shè)計傾角可變化范圍小,那么,從下管工藝及機(jī)具入手尋找解決方法是可行的思路。

        2 孔底驅(qū)動跟管鉆進(jìn)技術(shù)

        2.1 工藝方法

        孔底驅(qū)動跟管鉆進(jìn)技術(shù)是指在鉆進(jìn)過程中,鉆桿通過孔底傳扭機(jī)構(gòu)將來自鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩和鉆壓傳動給套管和套管鉆頭,鉆桿與套管同步回轉(zhuǎn),即邊鉆進(jìn)邊下套管,完鉆后鉆桿和小口徑鉆頭提出,套管和套管鉆頭留在孔內(nèi)完孔。其主要特點(diǎn)為:(1)驅(qū)動套管回轉(zhuǎn)和前進(jìn)的動力來自孔底傳扭機(jī)構(gòu);(2)套管與鉆桿同步回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),有利于克服前進(jìn)過程中的阻力[17-20]。

        2.2 鉆具組合

        如圖1 所示,該方案采用內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu),外層:套管鉆頭+傳扭殼體+套管+套管頂進(jìn)裝置。內(nèi)層:前置鉆頭+傳扭軸+鉆桿??缮炜s式花鍵將傳扭軸與傳扭殼體連接起來進(jìn)行傳扭,在傳扭殼體前方加上套管鉆頭,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)功能。套管下入至設(shè)計孔深后,反轉(zhuǎn)約1/3 圈,提拉鉆桿,傳扭軸從傳扭殼體L 形槽中分離,退出小鉆頭,在孔內(nèi)保留套管與套管鉆頭,完成跟管。采用清水排渣方案,鉆屑可從套管與孔壁間隙排出。

        圖1 跟管鉆進(jìn)原理示意Fig.1 Principle diagram of drilling with casing

        2.3 螺旋套管的研制

        工藝設(shè)計中?108 mm 套管需要穿越L8 灰?guī)r段,根據(jù)以前的工程實(shí)踐,預(yù)計塌孔嚴(yán)重,?108 mm套管排渣不暢,易發(fā)生卡鉆問題,造成無法繼續(xù)鉆進(jìn),針對這一問題,設(shè)計了?116 mm/108 mm 螺旋套管(見圖2),在跟管鉆進(jìn)前30 m 管柱使用螺旋套管,提高排渣能力。

        圖2 ?116 mm/108 mm 螺旋套管Fig.2 Screw casing of diameter 116/108mm

        2.4 技術(shù)適應(yīng)性分析

        技術(shù)的適應(yīng)性對跟管鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和推廣尤為重要。在地層方面,對于塌孔程度中等的地層,應(yīng)用外平套管即可,而對塌孔嚴(yán)重的地層,則需要提高套管自身攜渣能力,應(yīng)用螺旋套管較為合適。在鉆具口徑方面,考慮到鉆具級配和排渣的通暢性,? 108 mm 套管匹配?73 mm 鉆桿、?133 mm 套管鉆頭和?89 mm 前置鉆頭。

        3 傳扭機(jī)構(gòu)設(shè)計

        3.1 關(guān)鍵部件數(shù)值模擬

        采用ANSYS、FLUNT 等有限元數(shù)值模擬軟件,對傳扭部件進(jìn)行強(qiáng)度分析,與理論計算相結(jié)合,優(yōu)化結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計;根據(jù)實(shí)際工況,約束傳扭殼體螺紋面自由度DOF=0,約束傳扭軸桿體外表面節(jié)點(diǎn)徑向自由度為0,對傳扭軸端面施加扭矩,忽略重力的影響。

        從圖3 和圖4 數(shù)值模擬云圖可以得出,傳扭軸3個花鍵可以承受現(xiàn)場鉆機(jī)最大扭矩4000 N·m,且有一定的強(qiáng)度儲備和安全系數(shù);為保證傳扭部件的使用壽命,應(yīng)防止傳扭部件發(fā)生屈服變形,并設(shè)定安全系數(shù)為4,即扭矩傳遞小于1000 N·m 為宜,換算為ZDY4000S 型鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)泵壓約為7 MPa,最大回轉(zhuǎn)泵壓≯10 MPa 為宜。

        圖3 傳扭軸應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of torsion shaft

        圖4 傳扭殼體塑性變形云圖Fig.4 Plastic deformation nephogram of torsion shell

        3.2 傳扭臺肩尺寸計算

        傳扭機(jī)構(gòu)所能傳遞的最大扭矩由傳扭殼體內(nèi)部傳扭臺肩的尺寸決定,而該機(jī)構(gòu)配套ZDY4000S 型鉆機(jī)使用,該鉆機(jī)的最大扭矩為4000 N·m,鉆進(jìn)能力為350 m,只要設(shè)計的傳扭臺肩抗扭強(qiáng)度>4000 N·m,就能滿足強(qiáng)度和孔深要求。

        傳扭銷材質(zhì)為42CrMo,熱處理后許用切應(yīng)力為:

        剪切面上切應(yīng)力均勻分布,不考慮應(yīng)力集中、裝配應(yīng)力和軸向切應(yīng)力,設(shè)計3 個傳扭臺肩,輸入最大扭矩M=4000 N·m 情況下,由平衡方程∑MO=0,得:

        因鉆孔孔徑所限,留管時要回退前置鉆頭,傳扭臺肩的高度h不宜過高,h取2.5 mm,則有:

        所以,考慮保有一定的強(qiáng)度儲備,傳扭臺肩長度L設(shè)計為60 mm 為宜。

        3.3 傳扭機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        3.3.1 傳扭殼體和傳扭軸設(shè)計

        傳扭殼體內(nèi)置L 形凹槽(見圖5),將殼體與傳扭軸并連起來,把動力傳遞給傳扭軸,實(shí)現(xiàn)孔底傳扭。傳扭軸外設(shè)有花鍵(見圖6),與L 形凹槽配合,前端接前置鉆頭。

        圖5 傳扭殼體Fig.5 Transmitting torque shell

        圖6 傳扭軸Fig.6 Transmitting torque shaft

        3.3.2 前置鉆頭和套管鉆頭設(shè)計

        前置鉆頭引導(dǎo)套管鉆頭使其沿原孔擴(kuò)孔,清除前進(jìn)障礙,防止套管堵塞。套管鉆頭隨鉆擴(kuò)孔,鉆進(jìn)到位后隨套管留置在孔底,為返漿提供通道。

        3.3.3 密封設(shè)計

        跟管鉆進(jìn)工藝設(shè)計為內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)、外層之間需要密封,以阻止沖洗液和鉆屑進(jìn)入鉆桿柱與套管柱組成的環(huán)狀空間。由于正常跟管鉆進(jìn)時內(nèi)、外層結(jié)構(gòu)不相對滑動,故設(shè)計了雙道靜密封(如圖7所示)。

        圖7 密封設(shè)計示意Fig.7 Diagram of sealing design

        4 工業(yè)性試驗(yàn)

        4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

        工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)位于焦作煤業(yè)(集團(tuán))新鄉(xiāng)能源有限公司趙固二礦三盤區(qū)運(yùn)輸大巷迎頭,主采煤層為二1煤層,煤層厚度4.73~6.77 m,平均6.16 m。二1煤層底板的太原組灰?guī)r含水層和奧灰含水層對煤層安全開采威脅巨大,在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下,采用工作面底板超前注漿加固技術(shù),以降低工作面突水危險,但是,趙固二礦地質(zhì)條件復(fù)雜,地層破碎,注漿鉆孔在施工過程中往往出現(xiàn)孔壁掉塊、縮徑、坍塌、涌水等現(xiàn)象,造成套管下不進(jìn)去,注漿效果差,嚴(yán)重影響到工作面底板注漿加固效果,進(jìn)而影響到礦井的生產(chǎn)接續(xù)。

        4.2 鉆孔施工情況

        試驗(yàn)共施工6 個鉆孔,孔徑133 mm,采用了? 112 mm 跟管鉆具最長跟管距離65 m,平均工效15 m/班,最高效率30 m/班,具體施工情況見表1。

        表1 跟管鉆進(jìn)鉆孔施工記錄Table 1 Drilling operation records of drilling with casing

        4.3 效果對比分析

        從下管成功率、下管效率、鉆進(jìn)參數(shù)3 個方面對孔底驅(qū)動跟管鉆進(jìn)技術(shù)與常規(guī)套管下入方法進(jìn)行對比分析。

        (1)下管成功率。趙固二礦在復(fù)雜破碎地層應(yīng)用常規(guī)套管下入方法下套管時,一次下套管成功率非常低,只有30%,有些鉆孔多次反復(fù)嘗試套管仍然下不到位。使用孔底驅(qū)動跟管鉆進(jìn)技術(shù)后,一次下套管成功率達(dá)到了67%,經(jīng)2~3 次嘗試后可以全部下到位。

        (2)下管效率。單純從鉆進(jìn)效率考慮,跟管鉆進(jìn)效率低于常規(guī)鉆進(jìn)效率,但常規(guī)下套管需要鉆進(jìn)下管分步進(jìn)行,從鉆進(jìn)和下管綜合效率考慮,常規(guī)套管下入方法的平均下套管工效為8 m/班,跟管鉆進(jìn)的平均下套管工效為15 m/班,下管效率提高將近1 倍。

        (3)鉆進(jìn)參數(shù)??椎昨?qū)動跟管鉆進(jìn)技術(shù)相當(dāng)于雙管鉆進(jìn),孔徑大,負(fù)荷重,鉆進(jìn)的回轉(zhuǎn)壓力和給進(jìn)壓力較常規(guī)套管下入方法高,一般回轉(zhuǎn)壓力可達(dá)8~10 MPa,給進(jìn)壓力可達(dá)4~5 MPa,而常規(guī)鉆進(jìn)方法的回轉(zhuǎn)壓力通常為7~8 MPa,給進(jìn)壓力為2~3 MPa。

        5 結(jié)論及建議

        為將跟管鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下復(fù)雜破碎地層下套管作業(yè),本文在分析復(fù)雜破碎地層套管作業(yè)困難原因的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了孔底驅(qū)動跟管鉆進(jìn)技術(shù)的工藝方法、鉆具組合、傳扭機(jī)構(gòu)設(shè)計、工業(yè)性試驗(yàn)等技術(shù)難點(diǎn),確保了套管可靠、快速下入鉆孔內(nèi)。

        (1)結(jié)合復(fù)雜破碎地層特性,通過關(guān)鍵部件數(shù)值模擬和理論計算,研制出了孔底傳扭機(jī)構(gòu)、套管鉆頭及前置鉆頭,并進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。

        (2)通過試驗(yàn)研究提出了孔底驅(qū)動跟管鉆進(jìn)技術(shù),現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明,該技術(shù)解決了常規(guī)下套管工藝套管不轉(zhuǎn)動、不排渣、易被卡死的問題,提高了復(fù)雜破碎地層下套管施工效率,在復(fù)雜破碎地層中應(yīng)用具有較大優(yōu)勢。

        (3)趙固二礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地層破碎,應(yīng)用孔底驅(qū)動跟管鉆進(jìn)技術(shù)時需注意2 點(diǎn):①針對性地設(shè)計孔底傳扭機(jī)構(gòu),確保傳扭機(jī)構(gòu)強(qiáng)度,從而保證跟管鉆進(jìn)順利實(shí)施;②?108 mm 套管易發(fā)生套管從公扣根部斷裂事故,造成無法繼續(xù)鉆進(jìn),需要將套管絲扣部位壁厚加厚并設(shè)計特制扣型,提高套管絲扣部位強(qiáng)度。

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