PDC鉆頭在西部軟巖地層凍結造孔施工中的應用

彭 偉 高 偉 孫右好 任 強

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

近年來，隨著西部能源開發戰略的推進，我國煤礦開采建設的重心逐漸轉移至陜甘寧、內蒙、新疆等西部地區。西部地區具有沖積層淺、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。東部地層凍結法鑿井凍結造孔技術已經比較成熟，形成一套完善的凍結造孔工藝體系。在西部軟巖地層中，凍結法具有凍結發展速度快、交圈時間短、凍結壁穩定性好等對凍結有利因素，但同時也存在凍結造孔施工難度大、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造孔施工技術提出了更高要求。

1 施工現狀及存在問題

東部地層中凍結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，設備選用TSJ-2000型鉆機配備BW850／50泥漿泵，采用以上鉆頭、鉆具、設備進行施工優勢明顯，安全、快速、高效、技術成熟穩定。目前西部軟巖井筒凍結造孔施工中，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造孔施工造成施工效率低、孔內事故明顯增多、事故處理難度大、施工質量難以保證、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，并且隨著凍結孔深度的增加，大鉆壓對鉆具及鉆頭本身的質量要求較高，容易發生鉆具脫落、斷裂等情況，造成掉鉆、卡鉆及鉆頭掉齒等孔內事故，三牙輪鉆頭成為制約西部軟巖凍結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用較為廣泛的是PDC鉆頭，PDC鉆頭又稱為聚晶金剛石復合片鉆頭，是在高溫高壓下由人造金剛石與硬質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、耐磨等優點，同時還具備了硬質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 工程應用

核桃峪副井凍結孔施工中第一次引用了PDC鉆頭施工技術，大大地提高了鉆進效率，同時降低了凍結造孔的施工成本，節約了施工工期。通過在核桃峪副井凍結造孔中技術改進，PDC鉆頭凍結造孔施工技術在紅慶梁煤礦得到了推廣應用。

3.1 地質條件

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，砂質泥巖、粉砂巖屬較軟巖，巖體質量等級為Ⅲ類，細砂巖、中砂巖、粗砂巖屬軟巖、極軟巖，巖體質量等級為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，巖體質量等級為Ⅲ類～IV類。

紅慶梁煤礦根據井檢孔揭露地層自上而下埋藏為第四系 (0.9m)、白堊系下統志丹群、侏羅系中統安定組、侏羅系中統直羅組、侏羅系中統延安組。白堊系飽和抗壓強度為2.54MPa，屬極軟弱類易軟化巖石，巖石質量等級為Ⅳ類。侏羅系中統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

根據地質資料核桃峪副井凍結設計采用大圈徑、大管徑的凍結方案，設計孔深淺孔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。通過統計發現隨著凍結孔深的增加用于糾偏及處理孔內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，較設計臺機月進尺嚴重滯后。

在紅慶梁凍結造孔中，下部400m左右的一層礫石層 (25m)是制約凍結造孔速度的瓶頸，通過該層至少需要24h。采用PDC鉆頭不能提高礫石層凍結造孔速度，在經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鉆頭的應用效果

經過對核桃峪煤礦地層特點分析及對該地層施工經驗的總結，結合PDC鉆頭的特點及其在油田鉆井中的施工經驗，嘗試在核桃峪副井井盤由6號鉆機在原有設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，但是鉆孔質量難以保證，主要體現在鉆孔易斜而且偏斜發展較快，糾偏效果不理想。通過一段時間的摸索，并進行技術總結，對鉆進參數進行調整。通過調整鉆進參數，鉆孔施工質量得到了有效控制，鉆孔糾偏次數減少，鉆進效率明顯提高。牙輪鑲齒鉆頭鉆進參數與PDC鉆頭鉆進參數及施工效率對比見表2。

表1 鉆孔施工情況及效率統計表

表2 核桃峪礦副井凍結造孔鉆進參數及施工效率對比

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，在保證鉆孔質量的前提下糾偏次數減少，用于糾偏的輔助耗時降低約66%，在軟巖地層凍結孔施工中使用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勢。經濟性方面，PDC鉆頭的特點是一次性投入成本較牙輪鑲齒鉆頭大，但經修復可重復使用 (一般每孔修復1～2次)，牙輪鑲齒鉆頭則是一次性投入，磨損后不可修復。使用PDC鉆頭的鉆孔，鉆具脫扣、粘扣及掉鉆具、鉆頭的孔內事故明顯減少，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鉆頭施工的優點在紅慶梁風井凍結造孔中得到應用，在砂巖和泥巖地層中采用PDC鉆頭施工多次出現單臺鉆機進尺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。紅慶梁礦風井凍結深度472m，采用190mm PDC鉆頭進行凍結造孔施工，馬頭門處挖出凍結管，經實測凍結孔孔徑193 mm。由于需要進行泥漿置換，PDC鉆頭糾偏少的施工優點保證了凍結孔成孔孔徑不被刷大，從而保證了環形空間充填的高度，減小環形空間漏水的風險。

3.4 PDC鉆頭施工關鍵技術

(1)采用PDC鉆頭鉆進過程中應輕鉆壓、高轉速、大泵量，根據偏斜情況、地層條件合理調整鉆進參數和泥漿參數，遇到較軟地層甚至不給壓，切忌盲目追求施工進度，在保證施工質量的前提下提高鉆進效率。

(2)根據PDC鉆頭的特點，認真做好地質資料的收集工作，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切削，防止進度過快、泵量不夠造成巖粉攜帶不及時產生埋鉆事故。

4 結語

(1)核桃峪副井凍結造孔施工中，在保證施工質量的前提下，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造孔施工中使用，具有鉆進效率高、孔內事故少、經濟性好等特點。

(3)紅慶梁風井凍結造孔施工中參照具體地層巖石硬度、結合PDC鉆頭特點，在鉆進參數上進行合理優化，提高PDC鉆頭的施工效率，多次出現單臺鉆機進尺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，經濟效益顯著。

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

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