梧桐庄矿新增大口径3号排水孔施工技术.pdf

2 0 1 1年第 3 8卷第 9期 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 8 3 梧桐庄矿新增大 口径 3 号排水孔施工技术 郭再峰 ( 河北 省煤 田地 质局水文地质 队， 河北 邯郸 0 5 6 2 0 1 ) 摘要： 介绍了梧桐庄矿大口径排水孔钻探成井、 固井施工技术。该孔设计孔深 6 4 6 m， 终孔直径 5 2 0 m m， 落点坐 标水平位移≯5 m， 下入重达 9 0余吨的0 4 2 6 m m套管6 4 6 m， 水泥固井。由于钻孔直径大， 垂直度要求高， 施工难度 大， 预防钻孔超斜、 确保顺利安全下入 042 6 m m套管并固井是关键 。通过采用小口径先导孔钻进再扩孔成井的施 工方法 ， 并采取合理的钻具组合和泥浆 ， 制定有效的防斜技术和下套管措施等， 顺利完成了施工任务， 施工质量满 足设计要 求。 关键 词 ： 大 口径排水孔 ； 先导孔 ； 垂直度 ； 油 田浮箍浮鞋 ； 固井 中图分类号： P 6 3 4 ． 5 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2— 7 4 2 8 ( 2 0 1 1 ) 0 9— 0 0 8 3— 0 3 C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y o f L a r g e D i a me t e r Dr a i n a g e Ho l e i n Wu t o n g z h u a n g C o a l mi n e ／ G U O Z a i -f e n g ( H y d r o g r a — p h i e a l G e o l o g i c a l T e a m o f H e b e i C o a l f i e l d G e o l o g i c B u r e a u ， Ha n d a n H e b e i 0 5 6 2 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y o f w e l l d r i l l i n g a n d c e me n t i n g f o r l a r g e d i a me t e r d r a i n a g e h o l e i n Wu t o n g z b u a n g c o a l mi n e ．T h e d e s i g n e d d e p t h i s 6 4 6 m， t h e t e r mi n a t i o n d i a me t e r i s 5 2 0 mm a n d t h e t o l e r a n c e o f h o l e b o t — t o m c o o r d i n a t e s h o u l d n o t b e mo r e t h a n 5 m．6 4 6 m c a s e( 4 2 6 m m i n d i a me t e r a n d w e i g h t e d mo r e t h a n 9 0 t )w a s p u t d o w n t o t h e b o r e h o l e wi t h c e me n t i n g ． B e c a u s e o f l a r g e b o r e h o l e d i a me t e r a n d h i g h d e ma n d o f v e r t i c a l i t y，c o n s t ruc t i o n wa s d i ffi c u l t ． S a f e l y p u t t i n g d o wn 04 2 6 mm c a s e a n d c e me n t i n g w e r e t h e k e y p o i n t s t o p r e v e n t h o l e d e v i a t i o n ．Ba s e d o n t h e e f f e c t i v e d e v i — a t i o n c o n t r o l a n d c a s i n g me a s u r e s ，t h e c o n s t ruc t i o n wa s f u l f i l l e d b y s ma l l d i a me t e r p i l o t h o l e d r i l l i n g a n d b o r e h o l e r e a mi n g w i t h r a t i o n a l d ri l l i n g t o o l a s s e mb l y a n d d ri l l i n g mu d ． Ke y wo r d s ：l a r g e d i a me t e r d r a i n a g e h o l e ；p i l o t h o l e ；v e r t i c a l i t y ；f l o a t i n g c o l l ar a n d s h o e i n p e t r o l e u m d ri l l i n g ；c e me n t i n g 1 概 述 冀 中能源峰峰集 团梧桐庄矿为解决矿井排水 ， 应对煤矿透水突发事件 ， 新增 4个大 口径排水孔 ， 将 矿井水排出地面。委托我队施工 3号排水孔。该孔 设计孑 L 深 6 4 6 m， 终孔直径 5 2 0 mm， 终孔 落点 坐标 水平位移 ≯5 I n 。由于该工程 口径较大 ， 钻孔垂直度 要求高 ， 场地小 ， 施工难度大 ， 为此 ， 在认真分析地层 资料和钻孔设计技术要求的基础上 ， 制定 了一系列 钻探技术措施 ， 经过 5个月的施工 ， 顺利完成了施工 任务 ， 工程质量达到了甲方设计要求 ， 同时在煤矿排 水孔钻探工艺技术方面取得了成功的经验。 2 排 水孔地 层概 况 0～1 2 6 m为新生界 ， 岩性 以粘土 、 砂卵石 、 砂层 为主 ， 地层互层变化较大 ， 易塌 、 漏失 。 1 2 6～ 6 4 6 m为二叠 系、 石炭 系地层 ， 岩性主要 以砂页岩、 砂岩 、 泥岩 、 泥灰岩为主， 底部可见煤层 、 地层倾角一般 5 。 一 6 。 ， 局部超过 2 0 。 ， 可钻性 5～ 6 级 ， 地层软硬互层变化较大 ， 易缩径 ， 穿层钻进时易 造成孔斜 ， 施工难度较大 。 3 排水孔结构设计及技术要求 3 ． 1 结构设计 该孔设计孔深 6 4 6 r f l 。 一 开 ： 0 6 5 0 mm， 下入 0 5 6 0 m m X 1 0 m m螺旋管 1 3 0 m， 水泥固管； 二开 ： 0 5 2 0 mm， 全孔下人 1 8 mm和 1 4 m m厚 度 的 0 4 2 6 m m无缝钢管 6 4 6 m， 水泥 固井 。 3 ． 2 孔斜要求 终孔孔斜 < 0 ． 5 。 ， 孔底坐标水平位移 <5 m。 3 ． 3 固井要求 全孑 仁 下人 0 4 2 6 Y ／ i n套管后用 4 2 ． 5 R普通 硅酸 盐水泥 固井。 3 ． 4 耐压要求 固井结束水泥凝 固 7 2 h后做耐压试验 ， 试验压 力不低于设计工作压力 ( 设计孔底工作压力 7 MP a ) 1 ． 2 5倍 ， 稳压时间《3 O m i n 。 4施工主要设备 2 7 m A形金属钻塔 1部 ， G Z一2 0 0 0型钻机 1 台， T B w 一1 2 0 0 ／ 7 B型泥 浆泵 1台， K X Z一1 A型数 收稿 日期 ： 2 0 1 1一 O 3—0 2 ；修回 日期： 2 0 1 1— 0 7— 0 5 作者简介： 郭再峰( 1 9 6 1 一) ， 男( 汉族) ， 河北邢台人， 河北省煤田地质局水文地质队钻探副总工程师， 探矿工程专业， 从事煤田地质勘探 、 水 文地质勘探工作 ， 河北省邯郸市峰峰矿区峰钢街 2 0号 ， g u o z a i f e n g @1 6 3 ． C O ff l 。 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 1年第 3 8卷第 9期 测 斜仪 1台， 旋 流除砂 器 、 泥浆搅 拌机 各 l台， 0 2 0 3 、 1 7 8 、 1 5 9 i I l i n钻铤 ， 1 2 7 m m钻杆 。 5主要技术难点 排水孔 『 部覆盖层为卵砾石地层 ， 结构松散 ， 极 易造成坍塌 、 孔斜 ， 下部基岩 为煤 系地层 、 泥灰岩 ，』 n j 部倾角较大 ， 钻进中容易造成孔斜 。地质条件 复杂 ， 岩顶面和煤系地层砂岩段容易漏失 ， 泥岩段 缩 。 r 程 1 ： 期 短 ， 仅 5个 月 。 6 钻进工艺及技术措施 如何 防止孔斜超标 、 堵漏 、 抑制缩径是该工程施 川 ， 的关键问题。针对施1 二 难点采取 r以下钻进方 法干 技术措施 。 6 ． 1 钻进 方 法 先采用 0 3 1 1 m m镶齿牙轮钻头加 0 2 0 3 m m钻 铤 3 7 I ll进行大配重钻进施工先导孔。每钻进 2 0 m 测斜一次， 确保开孔冲积层孔段 的垂直度。待钻至基 I l l F 1 0 I l l 后用 0 6 5 0 m v l 组合牙轮钻头扩孔 ， 下人 0 5 6 0 m m1 0 m m螺旋管护壁 ， 并进行水泥固管。 开为 岩段 ， 采用 0 3 1 1 m m镶 牙轮钻头施 孔钻 至终孔深度 ， 经测量达到孔斜技术要求 ，刚 0 5 2 0 I Y l il l 镶齿组合牙轮钻头扩孑 L 钻进至终孔。 6 ． 2 钻 纰合 为 r有效防止孔斜超标 ， 采用塔式钻具结构 ， 满 减压钻 进技术 ， 在钻铤 中间加装 0 3 0 5 m m 扶 正 6 ． 2 ． 1 先导孔钻具组合 0 3 1 1 Il l il l 牙轮钻头 +0 2 0 3 m m钻铤 4小根 ( 带 0 3 0 5 mm扶 J F器 2组 )+0 1 7 8 m l l l 钻 铤 4小根 + l 5 9 H l m钻铤 2小根 + 1 2 7 mi I 1 钻杆 +主动钻杆 。 6 ． 2 ． 2 扩孔钻具组合 0 5 2 0 Il l m牙轮钻 头 +0 2 0 3 I ll il l 钻铤 4小根 + l 7 8 mm钻 铤 4小 根 + 1 5 9 m i l l 钻铤 2小 根 + 1 2 7 mm钻杆 +主动钻杆。 6 ． 3 钻进参数 陔孔伞孔为减 钻进 ， 钻进时调整压力 ， 利用孔 1 人 J 钻铤』 J f l 压 ， 钻杆在钻进过程 中始终处于拉伸状态 ( 严禁钻杆加 ) ， 使钻柱 中和点处于钻铤长度 2 ／ 3 处 以下进行轻压 吊打 ， 用 以控制孔斜。根据不 同的 l 径和地层情况合理选择钻压 、 转速及泵量 ， 其钻进 参数如表 1所爪 钻进过程 巾要保持 孔底 清 洁 ， 孔底 钻 压均 匀 ( 班 致 ) ， 控 制钻进速度 ， 防止孔斜 。 表 1 钻进参数表 7 钻进泥浆 上部采用优质粘土造浆 +C MC+腐植酸钾 基岩段采用优质膨润土造浆 ， 添加化学处理剂 ： C MC、 腐植酸钾 、 护壁剂等 ， 以达到抑制地层缩径 、 护 壁堵漏 ， 携带岩粉的作用 ， 其性能为密度 1 ． 1 ～1 ． 2 0 k g ／ L， 粘度 2 0～2 5 S ， 含砂量 <4 ％ ， 欠水量 2 0 m E ／ 3 0 mi n以下 ， p H值为 8 。 8定深测斜技术措施 在钻进过程中每 2 0 m测斜一次， 测斜仪器采用 K X Z一1 A型数字测斜仪 ， 每钻进 1 0 0 n l 时和终孔后 用 J D G一 5型高精度 陀螺测斜 仪测井斜一次 ， 控制 井位坐标。 测斜结果 ： 终孔落点坐标水平位移 4 ． 2 4 6 终 孑 L 孔斜 0 ． 3 8 。 。 9 施工 中出现的问题及处理 施工 中钻至孔深 3 6 0 m处 ， 由于钻机操作人员 没有合理控制钻进速度 ， 当天进尺 3 0 m， 提钻测斜 发现孔斜超标后马 上停钻 ， 并 制定 纠斜办案及时采 取措施 ， 控制钻孔超斜 。采用方法为变径减 钻进 ， 换 0 2 4 4 n l m牙轮钻头钻进 2 0 m测斜后 ， 冉换 1 9 0 m m镶齿牙轮钻头钻进 2 0 m测斜 ， 再用 01 9 0 m m+ 3 1 1 mm镶齿组合牙轮钻头扩孔 。经测斜 ， 孔斜 由 原来 的 1 ． 5 1 。 减小到 0 ． 6 8 。 。正常钻进 ， 最终终孔孔 斜 0 ． 3 8 。 1 0 下管、 固井成孔工艺技术 将 4 2 6 mi ll套管顺利下剑设计位置 6 4 6 m足 该项工程的重要环节 。该排水孔 径大 ， 全孔下入 0 4 2 6 l I Il ll1 8 fi l m套管 1 0 0 m和 0 4 2 6 n l t l l 1 4 mi l l 套管 5 4 6 m， 共计 6 4 6 m， 质量达 9 0余吨。为保证安 全下管和固井 ， 制定了下管 、 固井保证措施并做好充 分准备 。 1 0 ． 1 下套管前准备和下套管技术措施 ( 1 ) 圆孔 ： 0 5 2 o mm牙轮扩孔达到 6 5 0 m后 ， 用 13 4 2 6 I ll m1 8 i n m套管 1 0 m， 管外分 l 、 【 1 1 、 下加焊 6组肋骨 条， 加工成直径为 0 4 9 0 mm 的筒状钻具 ， 从 1 2 6 m处开始圆孔至 6 4 6 m。 2 0 1 1年第 3 8 ． 卷第 9期 探矿工程 ( 岩土钻掘工程 ) 8 5 ( 2 ) 调浆 ： 将孔 内的泥浆指标调整 为密度 1 ． 1 5 k g ／ L， 粘度为 2 2 s ， 失水量 <1 4 m L ／ 3 0 m i n ， 含砂量 < 4 ％ ， p H值为 8 ， 加入粉状润滑剂。 ( 3 ) 探孔 ： 用 2 6 mm无缝钢管接成约 2 0 m左 右的管柱进行探孔 ， 畅通无阻后开始下管 。 1 0 ． 2 0 4 2 6 mm套管前期准备工作 ( 1 ) 套管加工： 将 0 4 2 6 mm套管加工丝扣 ， 螺距 为 3 mm， 扣 型为方扣 。 ( 2 ) 套管试压 ： 套管中抽检 ， 在套管端部密封后 进行地面耐压试验。 ( 3 ) 将 0 4 2 6 m m套管进行排序丈量编号。 1 0 ． 3 下套管 由于套管质量大， 为保证下套管安全 ， 采用油 田 常用 的浮鞋浮箍 ， 其抗压强度为 2 4 MP a ， 满足承压 要求。该孔套管提升采用提头丝扣连接 ， 穿杠提吊 ， 采用石油 C MS— X L型套管卡瓦制作 的卡具夹持套 管 ， 用钻机猫头轮将每根套管上紧丝扣后 ， 采用手工 交流电弧焊将套管丝扣连接处焊接密封 。在下套管 过程 中， 随时往套管 内注入清水 ， 拉力表保持在 1 0 0 ～ 1 2 0 k N范围内， 以防压差过大损坏浮鞋浮箍。 1 0 ． 4固井 为了保证 固井质量 ， 本次使用石油 S MC一4 0 0 型高压固井车固井 ， 水泥标号为 4 2 ． 5 R普通硅酸盐 水泥 ， 水灰 比为 0 ． 5 ， 水泥用量 6 1 t 。 固井注水泥浆 ： 下人带注浆插头的 0 1 2 7 m m钻 杆距浮箍 0 ． 5 m处时， 开泵循环几分钟后 ， 将插头插 入浮箍内压紧， 开始循环泥浆 ， 待循环畅通后打前置 液 5 m ， 开始注浆 ， 至水泥浆返 出地 面时再 打顶替 ( 上接第 7 3页 】l 3 应 用效 果 6 0 0 m坑道钻机于 2 0 1 0年 1 1 月底运抵山东龙口 矿 区进行试验， 设备安放在二 中段最里边， 距离井 口 垂直距离 1 0 0 ff l ， 水平距离 8 0 0 m， 矿井截面约为边长 1 ． 8 m的矩形 ， 通风效果一般， 气体流动性差， 对于液 压系统散热 十分不利 。虽然条件恶劣， 但是设 备在 2 4 h不间断施： [ 工况下 ， 液压系统最高温度只达到 7 6℃， 并维持稳定。该设备到目前运行平稳， 液压 系统工作正常 ， 说明钻机散热系统满足散热需求。 4 结 论 综合以上分析 ， 当钻机以全功率正常工作 ， 工作 时间无限长时， 钻机液压系统的最高温度有 7 8 ． 9℃， 清水 5 m ， 提出钻杆候凝 。 1 0 ． 5 套管压力试验及套管内浆液处理 ( 1 ) 试压 ： 侯凝 7 2 h后 ， 井 口安装试压装置 ， 进 行井 口耐压试验 ， 孔 口压力达 3 ． 7 MP a ， 稳定时间 3 0 ra i n ， 达到设计要求 ， 证明固井效果 良好 。 ( 2 ) 清孔 ： 试压结束后 ， 用 0 2 7 3 mm提桶将孔内 浆液提净 ， 经检测孔 内残留浆液高度为 3 ． 5 m， 达到 设计要求 ， 封闭孔 口待用。 1 1 结语 本次排水孔施工 口径 大 ， 深度 大， 根据 地层情 况 ， 采用合理 的钻具组合和泥浆 ， 制定 了有效地防斜 技术措施和下套管措 施是该工程顺利完成 的关键。 采用小径钻进先导孑 L ， 大径扩孔 的施工方法保证 了 工程的质量 。存在的问题是施工周期较长 ， 钻进效 率较低 。 参考文献 ： [ 1 ] 中国煤 田地质 总局． 特种 钻探工程 [ M] ． 北 京 ： 煤炭 工业 出版 社 ， 1 9 9 5 ． [ 2] 乌效 鸣， 等． 钻井液 与岩土工程浆液 [ M] ． 湖北武汉 ： 中国地质 大学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 彭桂湘． 大 口径工程井套 管事故及 预防技术 措施 [ J ] ． 探 矿工 程( 岩土钻掘] 一 程 ) ， 2 0 1 0， 3 7 ( 8 )： 4 7—5 O ． [ 4] 王英 ， 刘炳 志， 杜 庆军． 大 口径煤矿应 用井施 工技术 难点 及应 对措施 [ J ] ． 探矿工程 ( 岩土钻 掘工程 ) ， 2 0 1 0， 3 7 ( 1 2 ) ： 5 1 —5 3 ． [ 5 ] 杜贵亭 ． 超大 口径 瓦斯抽排放井施工技术 [ J ] ． 探矿 工程( 岩土 钻掘工程)， 2 0 1 0， 3 7 ( 1 2 ) ： 4 6— 5 0 ． [ 6 ] 郭再峰． 石 油钻井用可钻 式浮箍 浮鞋在煤 矿 回灌 井中 的应用 [ J ] ． 探矿工程 ( 岩土钻掘工程)， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 6 ) ： 3 3— 3 5， 3 9 ． 较接近设计要求 的 8 5℃上限。但事实上 ， 钻机不可 能无限工作 ， 一定会有操作间隙和辅助 时间 ， 故发热 功率要比计算时小， 而散热时间要 比计算时长。从应 用效果可以看 出， 钻机在正常工况持续工作情况下 ， 液压系统的温度只达到 7 6 o C， 所 以， 钻机液压系统 散热器 的选型满足使用要求 ， 并有一定的安全储备。 参考文献 ： [ 1 ] 张旭 ， 等．2 0 0 0 m全液 压岩心钻 机下放钻杆 过程 中液压 系统 热平衡 分析[ J ] ． 探矿工程 ( 岩土钻掘工程) ，2 0 1 0， 3 7 ( 1 1 ) ： 2 9 — 3 1 ． [ 2 ] 高富丽 ， 等． 我同地质钻探技术装备现状分析及 发展建议 [ J ] ． 探矿工程( 岩土钻 掘工程 ) ， 2 0 1 0， 3 7 ( 1 ) ： 3— 8 ． [ 3 ] 苏尔皇． 液压流体 力学[ M] ． 北京 ： 国防工业出版社 ，1 9 7 9 ． [ 4 ] 王文斌 ， 等． 机械设计 手册[ M] ． 北京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 蔡廷文． 液压系统现代建模方法 [ M] ． 北京 ： 中 国标准 出版 社 ， 2 0 0 2