西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析.pdf

第4 4卷第4期 建 井 技 术 V o l.4 4 N o.4 2 0 2 3年 8月 M I N EC ON S T R U C T I ONT E CHNO L OG YA u g.2 0 2 3 问题探讨 西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析王 媛1,2,宋朝阳1,2(1.北京中煤矿山工程有限公司,北京 1 0 0 0 1 3;2.矿山深井建设技术国家工程研究中心,北京 1 0 0 0 1 3)摘 要:竖井钻机钻井法凿井是现阶段我国盲竖井机械化、无人化、智能化建设的重要工艺技术之一。西部矿区厚基岩地层以胶结程度低、遇水易泥化、强度低的弱胶结岩石为主,与我国中东部竖井钻机钻进的深厚表土地层力学特性不同。针对西部富水弱胶结厚基岩地层条件,简述了竖井钻机钻井技术的发展历程、竖井钻机装备及旋转破岩方式,探讨了竖井钻机机械破岩钻进面临的厚基岩地层高效破岩、钻进技术参数随钻实时控制、地层自稳性差导致井帮失稳风险、泥包钻头或砂包钻头、泥浆性能参数随钻调配设计等难题,并从工程条件、地质特性、破岩刀具、钻头结构、刀具布置、钻进参数、泥浆排渣等方面分析了竖井钻机机械破岩的影响因素及其相互关联和制约关系,梳理了西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩技术发展方向,以期为西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩钻进技术发展提供参考。关键词:矿井建设;竖井钻机;厚基岩地层;机械破岩;钻进 中图分类号:T D 4 2 1.3;T D 2 6 5.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 2 6 0 2 9(2 0 2 3)0 4 0 0 7 4 0 7A n a l y s i so fm e c h a n i c a l r o c k b r e a k i n gf a c t o r so fb l i n ds h a f t s i n k i n gm a c h i n ei nt h e t h i c kb e d r o c kf o r m a t i o n s i nw e s t e r nr e g i o n sWANGY u a n1,2,S ONGZ h a o y a n g1,2(1.B e i j i n gC h i n aC o a lM i n eE n g i n e e r i n gC o m p a n yL i m i t e d,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a;2.N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fD e e pS h a f tC o n s t r u c t i o n,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a)收稿日期:2 0 2 3 0 6 1 9 修回日期:2 0 2 3 0 7 2 4 责任编辑:张素玉 D O I:1 0.1 9 4 5 8/j.c n k i.c n 1 1-2 4 5 6/t d.2 0 2 3.0 4.0 1 2基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 0 0 4 1 2 5)作者简介:王 媛(1 9 8 3),女,陕西西安人,硕士,工程师。E m a i l:1 8 5 9 2 0 7 4 5q q.c o m通信作者:宋朝阳(1 9 8 6),男,山东邹平人,博士,研究员,硕士生导师。E m a i l:s z h a o y a n g 1 2 31 2 6.c o m引用格式:王 媛,宋朝阳.西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析J.建井技术,2 0 2 3,4 4(4):7 4 8 0.WANGY u a n,S ON GZ h a o y a n g.A n a l y s i so fm e c h a n i c a l r o c k b r e a k i n gf a c t o r so fb l i n ds h a f ts i n k i n gm a c h i n e i nt h et h i c kb e d r o c kf o r m a t i o n s i nw e s t e r nr e g i o n sJ.M i n eC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(4):7 4 8 0.A b s t r a c t:B l i n ds h a f t s i n k i n gm e t h o d i so n eo f t h e i m p o r t a n t t e c h n i q u e s f o r t h e c u r r e n t s t a g eo fm e c h a-n i z e d,u n m a n n e d,a n d i n t e l l i g e n t c o n s t r u c t i o no f b l i n dv e r t i c a l s h a f t s i nC h i n a.I n t h e t h i c kb e d r o c k f o r-m a t i o n so fw e s t e r nm i n i n ga r e a s,w e a k l yc e m e n t e d r o c k sw i t h l o wd e g r e eo f c o n s o l i d a t i o n,s u s c e p t i b i l i-t yt os l u r r y f o r m a t i o nu p o ne n c o u n t e r i n gw a t e r,a n d l o ws t r e n g t ha r ed o m i n a n t.T h i s i sd i f f e r e n t f r o mt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h ed e e ps u r f a c e s o i l l a y e r sd r i l l e db yb l i n ds h a f t s i n k i n gm a c h i n e s i nc e n-t r a l a n de a s t e r nC h i n a.I nr e s p o n s et ot h ec o n d i t i o n so fh e a v i l yw a t e r e da n dw e a k l yc e m e n t e dt h i c kb e d r o c kf o r m a t i o n si nw e s t e r na r e a s,t h i sa r t i c l eb r i e f l yd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fb l i n ds h a f t s i n k i n gt e c h n o l o g y,a sw e l la st h ee q u i p m e n ta n dr o t a r yr o c k b r e a k i n gm e t h o d so fb l i n ds h a f ts i n k i n gm a c h i n e s.I td i s c u s s e st h ec h a l l e n g e sf a c e db ym e c h a n i c a l r o c kb r e a k i n gd u r i n gv e r t i c a l s h a f td r i l l i n g i nt h i c kb e d r o c kf o r m a t i o n s,i n c l u d i n ge f f i c i e n t r o c k b r e a k i n g,r e a l t i m ec o n t r o lo fd r i l l i n gp a-r a m e t e r s,i n s t a b i l i t yr i s k sd u e t op o o r f o r m a t i o ns t a b i l i t y,m u do r s a n dp a c k i n g i nt h ed r i l l b i t,a n dt h ed e s i g n o f m u d p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s.A n a l y z i n g f r o m v a r i o u s a s p e c t s s u c h a s e n g i n e e r i n gc o n d i t i o n s,g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s,r o c k b r e a k i n gt o o l s,d r i l lb i ts t r u c t u r e,t o o l a r r a n g e m e n t,d r i l l i n g 第4期 王 媛,等:西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析p a r a m e t e r s,a n dm u dd i s c h a r g e,i te x p l o r e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s,i n t e r r e l a t i o n s h i p s,a n dc o n s t r a i n t so fm e c h a n i c a l r o c kb r e a k i n gb yv e r t i c a ls h a f td r i l l i n gm a c h i n e si nt h ew e s t e r nt h i c kb e d r o c kf o r m a-t i o n s.I t a l s oo u t l i n e st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm e c h a n i c a lr o c k b r e a k i n gt e c h n o l o g yf o rv e r t i c a ls h a f td r i l l i n g i nw e s t e r n t h i c kb e d r o c k f o r m a t i o n s,a i m i n g t op r o v i d e r e f e r e n c e s f o r t h ed e v e l o p m e n t o fm e c h a n i c a l r o c k b r e a k i n ga n dd r i l l i n gt e c h n o l o g y i nt h e t h i c kb e d r o c kf o r m a t i o n so fw e s t e r na r e a s.K e y w o r d s:m i n ec o n s t r u c t i o n;b l i n ds h a f ts i n k i n gm a c h i n e;t h i c kb e d r o c kf o r m a t i o n s;m e c h a n i c a lr o c kb r e a k i n g;d r i l l i n g0 引 言以机械破岩为代表的非爆破破岩技术是现阶段凿井技术发展的关键技术之一,是实现少人、安全、绿色、智能化矿井建设高质量发展的重要支撑1。目前,大直径竖井井筒机械破岩钻井装备主要有竖井钻机、反井钻机、竖井掘进机3种主要装备,并初步形成了竖井钻机钻井法、反井钻机钻井法和掘进机钻井法凿井技术和工艺2。从目前工程实践情况来看,现有的竖井掘进机适用硬岩稳定地层条件,反井钻机适用稳定地层且井筒下部具有排渣通道的工程条件3,而竖井钻机钻井法是从解决我国东部富水冲积地层中建井难题发展起来的,现已拓展应用到西部富水弱胶结厚基岩地层煤矿建井工程。西部厚基岩地层高效破岩是竖井钻机钻井法凿井的首要解决的关键技术问题,机械破岩各因素的影响程度决定了钻进效率。一方面,破岩刀具(刀具布置、形制、数量等)、钻头结构与破岩效率相关,从而影响钻具重量、破岩压力和破岩扭矩的设计;另一方面,泥浆排渣效率与破岩效率相互制约,泥浆流速、携渣能力、泥浆循环量等参数对破岩效率造成影响。因此,本文针对西部富水弱胶结厚基岩地层条件,探讨了竖井钻机机械破岩钻进面临的难题,从岩石和岩体特性、破岩刀具、钻头结构、刀具布置、破岩能量、泥浆排渣等方面分析了机械破岩的影响因素,以及破岩技术发展方向,以期为西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩钻进技术发展提供借鉴。1 竖井钻机钻井法凿井技术与难题1.1 竖井钻机钻井技术发展简述为解决我国东部富水深厚冲积层建井难题,北京中煤矿山工程有限公司,联合安徽理工大学、中国矿业大学、北京科技大学等高校和国内企业,在国家“七五”、“十五”科技攻关项目与“十一五”科技支撑项目的支持下,竖井钻机钻井法凿井技术取得了迅速发展,形成了一级超前多级扩孔钻进、泥浆护壁、压气反循环排渣、钻进偏斜控制、地面预制井壁、井壁稳定悬浮下沉、连续壁后充填、充填 质 量 检 测 等 一 套 成 熟 的 竖 井 钻 机 钻 井工艺4。在国家“七五”科技攻关项目“深井钻井法凿井”的资助下,我国首先掌握了穿越深4 4 0m表土不稳定含水地层钻井法凿井技术与工艺,采用竖井钻机钻井5 0余条,最大钻井深度为5 0 8m,最大钻井直径为9.0m,最大成井直径为6.0m。通过国家“十五”科技攻关计划“6 0 0m深厚冲积层钻井法凿井技术研究”项目的实施,完成了山东巨野煤田新巨龙煤矿(年产6 0 0万t大型矿井)钻井法凿井的技术攻关,完成3个深5 8 2.7 5m的钻井井筒施工5。随后,通过“十一五”国家科技支撑计划项目“一扩成井 快速钻井法凿井关键技术及装备研究”,形成了直径7.0m左右井筒“一钻成井”和直径9.0m左右井筒“一扩成井”快速钻井工艺1,并在后续的钻井法凿井施工过程中,采用竖井钻机钻成了7条6 0 0m以深的井筒,其中最 大 钻 井 深 度 达6 6 0 m,最 大 钻 井 直 径 为1 0.8m,最大成井直径为7.3m。国家“十四五”期间,随着我国西部煤炭资源开发的战略要求、煤炭资源需求的推动下,西部矿区新建井筒数量增加,竖井钻机钻井法凭借机械化程度高、钻进自动控制、井下无人的显著优势,逐步在西部富水弱胶结厚基岩地层得以应用6,采用竖井钻机施工4条井筒,已实现了钻井直径达8.5m,“一钻成井”钻井深度4 9 1m和“一扩成井”钻井深度5 1 1m。1.2 竖井钻机装备及破岩方式我国竖井钻机研发经历了改进石油钻机和引进国外钻机,到自主研发出国际上设计能力最大、自动化程度最高、性能可靠的液压竖井钻机等不同阶段,国内外钻井装备的发展都是从借鉴石油钻机钻井方法开始,逐渐研制专用的矿山钻井装备4。我国竖井钻机钻井法装备主要包括地面设备部分和井下破岩钻进设备两大部分。根据井下57建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷破岩钻进设备钻头的驱动方式不同,可以划分为转盘方钻杆驱动、井下动力驱动和动力头驱动等方式,其中转盘方钻杆驱动的转盘式竖井钻机7,主要有N D 1型、B Z 1型、Z Z S 1型、S Z 9/7 0 0型、A S 9/5 0 0型、A S 1 2/1 0 0 0型等竖井钻机;井下动力驱动的潜入式竖井钻机,如Q Z 3.5型竖井钻机;动 力 头 驱 动 的 动 力 头 式 竖 井 钻 机7,如A D 6 0/4 0 0型、A D 1 2 0/9 0 0型、A D 1 3 0/1 0 0 0型、Z D Z D 1 0 0型、ZMD 1 2 0/1 2 0 0型、HT 4 0 0 0型等竖井钻机。目前,竖井钻机装备发展和迭代升级过程中,机械破岩的钻头以冲击、刮削、截割和挤压4种破岩方式为主,这4种破岩方式独立应用或以组合的方式进行破岩,以适应不同特性的地层条件8。竖井钻机钻井法发展过程中曾采用了冲击破岩的方式,但由于冲积破岩过程中钻杆受弯曲力、冲击力等复杂受力条件,钻杆断裂风险高等问题,国内外竖井钻机的钻头破岩钻进,形成了以刀具旋转破岩钻进为核心的钻井方法。刀具旋转破岩钻进是以推进和旋转的方式将能量高效传递到钻头上,同 时 钻 头 上 布 置 的 不 同 组 合 形 式 刀 具 和岩(土)体直接接触,通过刮削、截割和挤压等方式,将岩石从岩体上破碎下来8。竖井钻机钻井法在我国中东部主要是破碎深厚表土冲积层为主,基岩地层占比一般为8%左右,而西部地层基岩占比超过8 5%。因此,西部厚基岩地层与东部钻井地层力学性质有很大不同。从西部竖井钻机钻井法凿井工程的应用来看,机械破岩依然存在破岩难,崩齿、断齿及刀具损坏、刀具磨损严重等导致的破岩效率低,掘进速度慢,在一定程度上限制了竖井钻机钻井法凿井技术在西部矿区的进一步推广应用。1.3 厚基岩地层破岩钻进面临的难题尽管在我国东部深厚冲积地层进行的竖井钻机钻井法凿井积累了丰富的经验和科研成果,但由于西部地区富水弱胶结厚基岩的地质条件与中东部地区有较大差异,西部煤系地层竖井钻机钻井法凿井不能照搬华东深厚冲积层钻井破岩技术,尚有诸多科学技术难题需要进行攻关加以解决。西部厚基岩地层竖井钻机钻井法凿井穿越地层岩石强度、交变地层、富水特性等复杂特性,给刀具高效破岩、钻头结构设计、钻杆可靠性、井帮围岩稳定控制、泥浆性能维护等带来重大风险和挑战。从西部地层竖井钻机钻井法凿井工程实践来看,竖井钻机钻井在西部厚基岩地层中机械破岩钻进主要面临以下难题:(1)厚基岩地层刀具高效破岩难题。西部以鄂尔多斯、蒙东和陕北为代表的煤炭开采区域的白垩系、侏罗系地层多为不稳定弱稳定岩石,具有弱胶结、裂隙不发育、岩层均匀性好、强度较低,岩石普氏系数一般f5,仅个别岩层达到f=7,但是岩石强度显著高于东部表土层。相对于适用表土地层的刀具,西部基岩地层弱胶结岩石破碎难度大、效率低,且需要更大的旋转破岩钻压,导致刀具磨损快、刀轴易脱落失效等问题,造成频繁提钻更换刀具,从而带来施工成本的增加和工期延长等问题。(2)钻压、扭矩与钻速随钻实时控制难题。竖井钻机钻井的钻进压力、旋转扭矩和旋转速度等技术参数决定了钻井的直径、深度和适用的地层条件9。西部弱胶结岩石地层破岩钻进所需钻进压力增加,这也致使钻具扭矩显著增加,易导致钻具断裂,钻头掉落的风险;厚基岩地层条件下采用降低钻压、加大转速的方式,对提高钻进速率效果并不理想,反而钻头转速过高,钻具稳定性差,易造成扩径并发生钻井偏斜8,导致成井有效截面积减小,给悬浮井壁下沉造成影响。(3)地层自稳性差导致井帮失稳风险难题。西部地层岩石胶结程度、成岩结构、岩石组分等导致弱胶结地层遇水或失水都极易失稳1 0,一方面钻进粉质泥岩、泥质砂岩、泥岩地层时,该类地层遇水容易软化、砂化和地层膨胀,将导致井眼缩径、卡钻等问题更加突出,经常提钻扫孔导致钻进速率降低;二是在钻进松散软弱砂层时还有刷大井径、扩大断面现象,从而增加壁后充填量;三是采用封闭式钻头时,提钻过快会造成“活塞”现象,导致井帮垮落和掉块,导致井径扩大,影响钻进质量和固井质量。(4)泥包钻头或砂包钻头难题。弱胶结岩石从微观结构和矿物成分上分析,主要由碎屑矿物和黏土矿物胶结而成,尤其是泥质砂岩中绿泥石含量较高达到3 7.5%;泥岩黏性大1 1,在机械破岩钻进时,钻头结构不合理,导致破碎下来的黏土淤积在钻头外围导流围板与刀盘体内夹角形成的死角处,同时钻头外围导流围板与孔底间隙小,易造成泥浆流动路径阻断,以及吸渣口布置不合理等,久而久之导致刮削下来的岩屑不能及时排出,泥砂包裹钻头刀具、堵塞吸收口、充填钻头体的内腔,导致钻头无法继续正常钻进。(5)泥浆性能参数随钻调配设计难题。钻井67 第4期 王 媛,等:西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析穿过第四系上部松散砂层无造浆能力,这要求钻井泥浆有较高的黏度以封堵渗漏、较低的固相含量以防发生假缩径,以及绝对小的失水量以防井帮坍塌1 2;而泥岩地层钻进时,泥岩极易泥化,造浆能力强,导致泥浆黏度急剧增加,泥浆流动性差,导致排渣困难和泥包钻头的风险增加。因此,结合钻进速度、携渣量和泥浆参数的实时检测和分析,进行泥浆性能参数随钻调配设计,是竖井钻机机械破岩钻进需要突破的关键技术难题。为了在西部厚基岩地层中实现高质量破岩钻进,解决以上5项竖井钻机机械破岩钻进面临的难题,达到预定的钻进指标(数量和质量),不仅钻机结构要满足安全、可靠、稳定的基本要求,同时司钻的丰富经验也是必要的。破岩钻进系统作为竖井钻机钻井功能中最重要的部分,实现钻头钻进参数的合理计算是装备正向设计的理论基础,也是不同地质情况竖井钻机钻井过程中钻头钻压、转速和扭矩等技术参数优化和控制的重要科学依据。钻进技术参数是竖井钻机适用条件的反映,是钻机设计的直接依据,亦集中标志着钻机的能力。因此,研究分析竖井钻机机械破岩影响因素,并为竖井钻机钻头破岩钻进合理技术参数的确定提供支撑,是西部厚基岩地层钻井法凿井必须且首要解决的关键科学技术问题之一。2 机械破岩影响因素分析竖井钻机机械破岩影响因素与反井钻机、竖井掘进机、T BM掘进机、盾构机等井巷机械破岩装备对刀盘或钻头、刀具设计和布局以及刀盘选型等方面的机械破岩影响因素有类似之处1 3,均属于刀具旋转破岩钻进的方式,然而西部厚基岩地层采用竖井钻机钻井的工程条件和地质条件,与其他井巷机械破岩钻凿工程不同,破岩钻进技术工艺也有本质不同。竖井钻机钻头机械破岩钻进是一个复杂“岩机”相互作用的力学过程,不仅涉及钻井地质条件和工程条件,同时涉及钻头上滚刀形制、布置方式、滚刀数量、滚刀轨迹等相关因素,同时要考虑钻头结构、钻头配重、钻进参数、泥浆性能等影响因素8。因此,通过实践调研与理论分析,影响竖井钻机机械破岩的因素,可将其归为钻井深度和直径工程条件、钻井岩石和岩体特征、破岩刀具及刀岩相互作用、钻头结构与滚刀布置方式、钻压与转速参数、泥浆循环排渣特性6个主要方面,各主要影响因素之间相互关联和制约。竖井钻机机械破岩的主要影响因素,如图1所示。图1 竖井钻机机械破岩的主要影响因素2.1 钻井深度和直径工程条件钻井深度的确定主要依据井筒设计、功能要求、地层特性及钻机性能等,钻井深度可分为钻全深和只钻表土段2种方案8。我国所钻的主副井筒,大部分为冲积地层钻井,在井筒较深、基岩段较大的情况下,由于钻机能力小仅能钻进表土层,通常只钻完表土段并通过风化带,深入51 0m稳定基岩后,所余基岩段采用普通钻爆法施工,如大屯副井、龙固1号和2号等立井井筒。我国的风井钻井绝大部分采用了全深钻井,如临涣西风井、张双楼东风井、潘三西风井、陈四楼矿南风井等;近年来,随着钻机能力的提升和改进,基岩地层破岩钻进能力提高,竖井钻机钻井法在西部厚基岩地层应用时,亦可以完成钻完井筒全深,如可可盖煤矿中央进回风井等。西部厚基岩地层随着钻进深度的增加,对机械破岩钻进压力、转速、扭矩及排渣效率等造成影响,必须提高破岩刀具的耐磨性,以及钻杆的可靠性和稳定性。钻井直径的大小对机械破岩的影响,在于考虑钻机一次钻进破岩面积的能力、刀盘吸渣速度、循环洗井压风量等因素,确定是一次全断面钻进还是多次扩孔全断面钻进,且在考虑钻机能力的前提下,尽可能增加每级的破岩面积,减少钻进级数,以减少辅助时间1 4,同时,使每级的破岩面积相等或者相近,以便在竖井钻机机械破岩钻进时负荷均衡,保障运转平稳。2.2 钻井岩石和岩体特征分析西部弱胶结厚基岩地层主要以砂岩为主,兼有少量的泥岩及砂质泥岩,由多种矿物颗粒、孔隙和裂隙、胶结矿物组成的非均质压实混合体。西部白垩系、侏罗系地层岩石矿物成分、颗粒胶结形成的细观结构不同,如粗粒砂岩中石英的含量接77建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷近4 0%,对破岩刀具磨蚀性较高;此外,岩石的组织(孔隙率、层理、节理、裂缝)、晶粒间的弹性模量亦不同。由于不同粒度的砂岩抗压、抗拉、抗剪强度及各向异性导致机械破岩贯入度、钻压、转速也不尽相同,从而岩石破岩裂纹扩展与贯通、破碎状态的变化也是多样的。一般开始是体积破碎,岩渣粒度较大,而随着时间的延长、刀具的磨损,破碎状态变成疲劳破碎,最后进入钻进效率较低的表面破碎,岩渣粒度较小,易增加泥浆黏度,这是机械破岩的一个很复杂的变化过程8。岩体的层理是影响机械破岩钻进精度的关键因素,当岩体存在层理结构时,能量会在层间传播,使得岩体更易于沿着层面破裂,从而提高破岩效率;如果岩体没有层理结构,则需要更大的能量来破碎地层,破岩效率会降低。此外,钻井穿过的岩层厚度、岩性等地质条件变化,以及地层节理与钻进轴线的位置关系,钻进压力和钻速较高时易造成钻井偏斜。2.3 破岩刀具及其刀岩相互作用分析竖井钻机钻头通常布置楔齿滚刀、球齿或扁齿滚刀,破岩刀具的选择主要依赖于地层岩石的强度和特性1 5。以常用的楔齿滚刀为例,滚刀通过挤压、拉伸、剪切等作用破碎岩石,滚刀齿尖切入岩石需要克服2种力:一种是破岩阻力p,另一种是摩擦力F。同时,受齿间距、刀距的影响,破碎岩体可划分为岩粉区、裂纹密集区域和裂纹扩展延伸区。此外,滚刀破岩过程的荷载曲线也并非是圆滑的螺旋曲线,岩体的各向异性和非连续性会导致岩体破碎的不均匀性,从而使得滚刀荷载出现较大峰值,通常能达到平均值的2倍。如果基岩地层稳定、刀具质量可靠且排渣流畅,则能取得较好的钻进效果。在西部复杂地层钻进时多存在软硬多变地层,随之钻进参数不断变化,导致破碎下来的硬岩块进入软弱地层中,碾不碎、冲不走,严重损坏刀具或导致包裹刀具,又会对钻头产生较大阻力,这是西部基岩地层钻进要解决的重要问题之一。现有的滚刀破岩钻进试验,重点是通过研究滚刀的破岩机理来探究如何提高破岩效率和降低刀具破损。针对西部弱胶结厚基岩地层岩石强度低、胶结性能差、泥质胶结等特性,在钻头公转并带动滚刀自转的过程中,刀具更易发生失效和损坏,如滚刀齿折断、刀齿磨损过度、刀壳破裂、滚刀轴承滚柱破裂、滚刀密封失效、滚刀联接螺栓松动脱落等1 5。然而对于滚刀破岩的力学分析,更多地采用滚刀法向正压力来校核滚刀额定压力,从而推算钻头压力或刀盘推进力,并采用滚刀切向力与侧向力分析刀具磨损情况,从一定程度上说这当然是可行的,但往往忽视了滚刀滚动速度产生的影响,即钻头转动速度与滚刀滚动速度之间的关系,然而滚刀滚动速度与钻头结构、钻头上滚刀距中心的位置、滚刀尺寸等因素直接相关。2.4 钻头结构与滚刀布置方式分析竖井钻机钻头结构的性能直接影响工程钻进效率和施工安全性,合理的钻头选型是保障竖井钻机机械破岩钻进的首要前提。现有的“一扩成井”钻井工艺采用的超前钻头一般为平底滚刀布置结构,主要是为了降低钻进井筒偏斜;扩孔钻头多采用大锥角钻头结构;“一钻成井”钻井工艺采用的钻头结构为“T型”结构。钻头结构的设计在保证钻头破岩钻进能力的前提下,更要便于岩渣的收集,尽可能避免钻头外围导流围板与钻头体夹角形成的死角,达到预期泥浆通过导流板底部进入孔底的效果。竖井钻机钻头上齿形滚刀要按破岩轨迹与合理的覆盖系数布置在钻头特定的位置,安装在钻头的表面或嵌在钻头内,以避免在高荷载作用下发生摆动或晃动,同时确保其方便更换。目前,滚刀布置主要依据岩石的类型和岩石破碎的难易程度来确定滚刀布置间距、选择滚刀类型和滚刀尺寸,滚刀破碎出的岩渣特征也是由这3个指标共同决定的。齿形滚刀在钻头上的合理布置,必须满足钻头旋转一圈后,所有滚刀形成的同心圆破岩轨迹覆盖整个工作面1 6,同时考虑钻头底泥浆径向和切向流动空间,在满足基岩地层破岩钻进能力的基础上,尽可能减少装刀数量,减小泥浆流动阻力,提高洗井和排渣效果。钻头旋转时,处在钻头不同直径上的滚刀旋转速度不同。通常来讲,边刀旋转速度最高,中心刀旋转速度最低,即边刀刀齿接触岩石的时间最短,而中心刀一直处于研磨岩石状态,滚刀处于非滚动状态不仅破岩效率较低,且刀具磨损量大。因此,在西部厚基岩地层钻进时,为降低钻头结构与滚刀布置方式对机械破岩的影响,需要基于滚刀破岩机理与破碎范围大小,研究钻头结构选型、滚刀布置方式等,并根据边刀接触时间来确定钻头的旋转速度,优化布置中心刀的布刀方式;同时分析滚刀破岩下岩渣分布规律,优化滚刀布置和滚刀覆盖系数,实现高效破岩和排渣协同。87 第4期 王 媛,等:西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析2.5 钻压与转速参数分析竖井钻机在滚刀破岩过程中所需的能量来自于钻头压力和旋转扭矩的共同做功。钻头上布置的多把破岩滚刀,只有处于钻头不同位置上的滚刀都达到破碎岩石所需的最小压力时,在动力头驱动钻头转动时才能达到低能耗破岩1 7。西部厚基岩地层在机械破岩钻进时,钻压小于岩石抗压强度,则刀具处于研磨岩石状态,破岩效率低;钻压与岩石抗压强度接近,则岩石仅处于表面破碎状态;只有钻压大于岩石抗压强度时,才能达到体积破 碎 状 态。相 对 于 黏 土 层 破 岩 的 比 压 值3 0 0 5 0 0N/c m,砂岩、泥岩等基岩地层常用的比压值范围为20 0 030 0 0N/c m。在西部厚基岩地层钻进泥岩地层时,钻压造成的压力差将岩屑包裹在钻头表面上,易形成泥包钻头问题,可在钻头上布设滚刀清理刮片,并采用中低钻压、中高钻速钻进,同时增加风管埋深,使风压控制在1.31.6MP a,提高泥浆的携渣能力。此外,竖井钻机钻压计算除了考虑施加在钻头滚刀上的综合压力,同时要考虑泥浆对钻头的浮力,从而综合确定钻头重力以及钻杆、钻头的提吊力。钻头自身重力转换的钻压,一般钻压值的设定不超过钻头在泥浆中重力的6 0%;在基岩软硬交替地层钻进时,钻压应再下调5 0%6 0%。钻压的确定不仅影响机械破岩效率,同时对钻进垂直度也造成影响。钻头转速是竖井钻机输出轴带动钻头旋转的速度范围,扭矩和钻速这2个钻进技术参数体现功率或输出能量,从而反映施加给钻头破岩能量的能力。竖井钻机最大破岩扭矩除了和钻头每旋转一周的破岩深度(或钻井进度)有关,还与钻头直径、滚刀轴承的摩擦因数有关1 8。滚刀在钻压的作用下将岩石从岩体上分离出来,这一分离过程需要一定能量,滚刀轴承以及钻头和岩体之间摩擦也消耗一定能量,这些都需要由竖井钻机向钻头输入扭矩。因此,需要定量分析钻压、扭矩和转速等钻进参数与竖井钻机钻头旋转每转所消耗能量之间的关系,从而保证竖井钻机高效低能耗破岩钻进。2.6 泥浆循环洗井排渣分析钻井泥浆是冲洗井底工作面、携带钻渣、冷却钻头、提供井壁下沉浮力的介质,也是平衡地压、临时稳定井帮的重要介质8。在钻头钻进过程中,泥浆循环洗井排渣效率将直接影响机械破岩效果,一方面是钻头吸渣口位置、形制及泥浆流动参数等影响,以保证洗井排渣速率需要和破岩速率相匹配,西部厚基岩地层机械破岩钻进应适当增加风管埋深,使风压控制在1.51.8 MP a,以提高泥浆的携渣能力,实现破碎的岩渣及时排掉并高效钻进,尽量避免重复破碎并减小刀具磨耗;另一方面井内泥浆在钻进过程中形成的泥皮对井帮具有稳定的控制作用,防止缩径、坍塌、卡钻或埋钻等风险的发生。在西部矿区多变厚基岩地层钻井过程中,泥浆参数的控制有认识与演变过程,钻井泥浆参数必须随地层变化及时调整,具备应有的性能,才能起到它应起的作用1 9。西部厚基岩白垩系下统洛河组,泥浆中含砂量大,将影响泥浆密度的稳定,且容易造成钻具磨损并缩短寿命,同时要求泥浆有较高的黏度以封堵渗漏和较低的固相含量以防发生假缩径;侏罗系中统安定组地层要求泥浆做到彻底堵住上层洛河组和破碎带的渗漏,安定组地层泥岩极易泥化导致泥浆黏度突变,流动性降低导致洗井排渣效果变差;侏罗系中统直罗组,要求泥浆有绝对小的失水量以保证井帮的长期稳定;侏罗系中下统延安组,应保持泥浆在直罗组时的优良性能。3 结 语(1)西部厚基岩地层钻头旋转高效破岩钻进是竖井钻机钻井法凿井的首要解决的关键技术问题,竖井钻机钻井工程条件、地质特性、破岩刀具、钻头结构、刀具布置、钻进参数、泥浆排渣等机械破岩各因素的影响程度决定了钻进效率和质量。(2)泥质胶结的西部弱胶结岩石地层,在钻进过程中泥包钻头或砂包钻头、吸渣口堵塞的现象尤为突出;软弱岩石地层悬吊钻进破岩难、刀具磨损严重,需反复提钻,导致钻进效率低,甚至无法正常钻进;同时,破岩带来的高钻压、大扭矩明显提高了钻具断裂、钻头掉落的风险;采用压气反循环泥浆排渣方式,为保障排渣效率,大量能量消耗在无谓的泥浆循环过程中,能量消耗量大。(3)为解决西部全岩地层钻井法施工过程中机械破岩钻进面临的卡钻、泥包钻、扩径、钻井偏斜等难题,亟需基于滚刀破碎弱胶结岩石机理的研究,构建竖井钻机钻进参数确定的“力构能”协调计算模型,并在理论和计算方面做进一步的研究,其研究结果可为竖井钻机钻头结构、刀具设计与布置准则、破岩技术参数、泥浆洗净排渣设计等提供参考和依据,推动我国西部煤矿弱胶结厚97建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷基岩 地层竖井钻 机钻井法凿 井技术的发 展与应用。参考文献:1 刘志强,陈湘生,蔡美峰,等.我国大直径钻井技术装备发展的挑战与思考J.中国工程科学,2 0 2 2,2 4(2):1 3 2 1 3 9.2 刘志强,宋朝阳,程守业,等.复杂地层条件智能化建井关键技术及发展趋势J.建井技术,2 0 2 3,4 4(1):1 7.3 刘志强,宋朝阳.我国大直径井筒机械破岩钻井技术与装备新进展J.建井技术,2 0 2 2,4 3(1):1 9.4 洪伯潜,刘志强,姜浩亮.钻井法凿井井筒支护结构研究与实践M.北京:煤炭工业出版社,2 0 1 5.5 洪伯潜,臧桂茂,谭 杰.龙固矿近6 0 0m深钻井井壁设计与安装J.中国煤炭,2 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