皖北矿业朱集西矿矸石井钻井法QC小组.docx

大直径深井一级全断面钻进质量控制
钻井工程处朱集西矿矸石井项目部QC小组
一、工程概况
表1 工程概况表
序号
项 目
内 容
1
工程名称
朱集西煤矿矸石井钻井井筒工程
2
工程地点
安徽省淮南市潘集区贺疃乡
3
建设单位
皖北煤电集团
4
设计单位
中煤国际工程集团南京设计研究院矿山设计院
5
监理单位
安徽华夏建设监理公司
6
施工单位
中煤矿山建设集团有限责任公司
7
资质等级
特级
8
工程量
545m
9
工程造价
5470万元
10
质量目标
创建煤炭行业优质工程、“太阳杯”工程。
11
工程特点
1、本工程为钻井与注浆平行作业。
2、粘土层多，且多含粘性及膨胀较强的灰绿色粘土，下部有密实细砂层，较板结。
3、水文地质条件较复杂：根据井检孔地质报告，井筒的水文地质条件应为较复杂型。
4、井筒深，井径大。

制表人：郭厚财 日期：2008年11月

1、地层特征
1.1、新生界松散层(Q+N)含、隔水层情况：本区井筒检查孔第四系～第三系上统松散层厚度较大，矸石井厚469.55m，地层较稳定，由东南向西北稍有增厚趋势。其岩性主要为粘土、砂质粘土、砂层和少量砾石层。根据本次揭露的松散层岩性特征结合区内地层对比，从上至下可划分四个含水层（组）和三个隔水层（组）。
1.1.1、第一含水层（组）（Ⅰ含）
由地表向下底板埋深34.45（检1）～38.35m（检2）,平均厚36.46m。该组地层主要由2～3层褐黄色粉、细砂层及黄色浅灰绿色粘土组成，其中砂层厚2.25～16.10m，平均厚10.11m，属潜水～弱承压水，主要补给来源为大气降水，其次为河床的侧向补给，该层富水性较好，附近居民均做为生活用水。据邻近矿区资料，水质为HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca·Mg·Na型水。矿化度0.288～0.437g/L，总硬度为12.74～18.49德国度。
1.1.2、第一隔水层（组）（Ⅰ隔）
底板埋深85.00（检1）～87.25m（检3）,层厚47.25～51.50m，平均厚49.61m。其中粘土类均厚42.26m，主要由褐黄、浅灰黄、灰绿等杂色粘土、砂质粘土组成，间夹薄层粉、细砂层。该层段粘土厚度较大，可塑性较好，能起到较好的隔水作用。
1.1.3、第二含水层（组）（Ⅱ含）
底板埋深126.10（检4）～129.90m（检2）,层厚39.65～44.80m，平均厚42.61m。其中砂层均厚达37.00m，主要以2～3层黄色、褐黄色、浅灰绿色中厚细砂层和薄层粘土组成，含水层富水性好，属承压水，邻近生产矿井为主要供水水源。
1.1.4、第二隔水层（组）（Ⅱ隔）
底板埋深144.85（检1）～147.00m（检2）,层厚15.05～19.90m，平均厚17.08m。其中粘土类均厚15.36m，主要由黄色、浅灰绿砂质粘土夹粘土质砂组成，可塑性较好，具有隔水作用。
1.1.5、第三含水层（组）（Ⅲ含）
底板埋深382.30（检3）～384.45m（检1）, 层厚236.60～239.60m，平均厚237.59m,其中含水层砂层类平均厚度146.60m,主要以灰黄、灰绿色中厚～厚层中、细砂为主夹砂砾层与粘土层，底部粘土、砂质粘土较发育，砂层富水性中等～较强。据邻近矿区资料，上部水质稍好，为Cl·HCO3-Na型水,矿化度1.07g/L，下部水质较差，为Cl-Na型水,矿化度2.26g/L。
1.1.6、第三隔水层（组）（Ⅲ隔）
底板埋深465.50（检1）～469.55m（检4）,层厚81.05～86.95m，平均厚84.03m。其中隔水层粘土类平均厚76.15m，主要由灰黄、灰绿、棕红色中～厚层粘土、砂质粘土与钙质粘土组成，间夹薄层中、细砂，粘土厚度较大，可塑性好，隔水性能好，从而有效地阻止了上部含水层与下部含水层之间的联系。
1.2 、二迭系(P)上石盒子组情况：本区检查孔穿过新生界松散层均见二迭系上石盒子组基岩风化带，一般风化深度35.00m左右。
1.2.1、强风化带
底板埋深497.20（检2）～503.00m（检1）, 层厚28.35～32.49m，平均厚30.82m。其岩性主要由浅灰、灰黄，黄褐色泥岩为主，局部夹薄层细砂岩，风化裂隙及高角度垂直裂隙较发育，具有水蚀锈斑及方解石充填现象，局部岩石破碎。
1.2.2、弱风化带
底板埋深503.74（检3）～509.50m（检1）, 层厚1.70～6.60m，平均厚5.21m。岩性主要以浅灰、青灰、灰黄色粉砂岩为主，具紫色杂斑，局部含砂质与泥质条带，见水平层理与波状层理，常见较多水蚀锈斑，岩石较完整。
1.3、地质分析
1.3.1、表土段
表土层厚469.55m，主要由粘土和细砂组成，占井深的90 %；
1.3.2基岩段
钻井基岩段为52.45m，主要是泥岩，占井深的10%；岩石一般力学指标统计见表2。
表2 岩石物理力学性质指标统计表(－521.8m～－545 m)
岩性
分类
层数
累深
m
弹性模量
×
105MPa
抗压
强度
Mpa
抗拉
强度
Mpa
岩石坚
硬程度
岩体质量
指标M值
岩体质量分级
泥岩
4
20.2
0.20
30.0
2.60
软
0.25
中等（Ⅲ）
粉砂岩
1
2.3
0.35
50.62
2.78
半坚硬
1.26
良（Ⅱ）
细
砂岩
2
2
0.40
83.85
7.47
坚硬
2.51
良（Ⅱ）
制表人：郭厚财 日期：2008年11月
粉砂岩岩石质量中等，砂岩胶结良好，坚硬致密，岩石抗压强度高，稳定性好，岩石质量好；但局部砂岩由于受应力挤压，岩芯破碎，岩石质量较差，且为含水层；浅部基岩风氧化带岩石质量较差。

二、小组简介
钻井工程处朱集西矿矸石井项目部QC小组成立于2008年11月26日，由现场施工管理人员组成。小组成员均参加了总公司举办的QC小组培训班，通过认真学习、交流，提高了小组成员的分析问题、解决问题的能力。成员简介见表3。
表3 QC小组概况一览表
小组名称
钻井工程处朱集西矿矸石井项目部QC活动小组
课题名称
大直径深井一级全断面钻进进度、质量控制
注册号

课题类型
现场型
活动时间
2008.11～2009.12
QC小组成员简介
姓名
性别
学历
职称
职务
组内分工
蔡鑫
男
本科
工程师
处总工程师
方案制定、QC指导
荣怀宇
男
专科
工程师
常务副经理
组织、统筹
刘健
男
专科
助理工程师
技术总工
方案编制、组织活动
周丽明
男
专科
助理工程师
生产副经理
施工管理
付新鹏
男
本科
助理工程师
生产副经理
施工管理
郭厚财
男
专科
助理工程师
技术部长
质量监督检查
刘峰
男
本科
助理工程师
钻机队
技术主管
方案实施
冯金亮
男
本科
助理工程师
班长
方案实施
刘刚
男
专科
技术员
班长
方案实施
陈亮
男
专科
技术员
资料员
资料收集、整理
王瑞
男
专科
技术员
资料员
资料收集、整理
QC教育
情况
本QC小组成员均接受QC教育50小时以上，活动出勤率为98%
制表人：郭厚财 日期：2008年11月

三、选题理由
一）、选题理由
1、大直径深井一级全断面钻进施工在国内尚属首次，施工难度极大，需要积极攻关，保证矿井快速、安全、优质的建成。
2、集团公司要求：坚持精品发展战略，努力创建精品工程。将朱集西矿矸石井建成煤炭行业优质工程。
因此，我们QC小组选择了“大直径深井一级全断面钻进进度、质量控制”为课题进行活动。
二）、确定目标和可行性分析

1、大直径深井一级全断面钻进一次性成功，钻进深度不小于设计深度，不大于设计深度500㎜，深度偏斜率不大于1‰。
2、钻进施工过程中，安全、质量事故频数为零。
3、确保本工程井筒满足招标文件质量要求、工期要求和井巷工程优良质量标准。

确定目标值

结论：根据公司以往类似工程的施工经验，QC小组成员团结协作，一致努力，相信在专家组的指导下，本次课题目标可以实现。

确定目标值和可行性分析

有利因素：
1、公司对本工程很重视，在资金、技术、人员等方面给予大力支持，调动了小组积极性。
2、项目部主要骨干具有丰富的钻井施工经验，从总公司及工程处抽调有经验的人员组成专家组常驻项目部，进行指导。

可行性分析

不利因素：
1、工期紧，质量要求高。
2、本工程为钻井与注浆平行作业。
3、粘土层多，且多含粘性及膨胀较强的灰绿色粘土，下部有密实细砂层，较板结。
4、水文地质条件较复杂：根据井检孔地质报告，井筒的水文地质条件应为较复杂型。

图1 可行性目标分析图
制图：郭厚财 日期：2008年11月

四、小组活动情况（表4）

表4 小组活动情况
小组类型：现场型
小组活动注册号：
本次活动时间：2008年11月～2009年12月
小组活动次数：15
活动阶段
主 要 活 动 内 容
活动时间
活动
次数
出席
人次
出勤率（%）
P
选定课题、现状调查、原因分析、制定对策
2008.11～2008.12
3
29
96.7
D
根据实施计划、认真实施
2008.12～2009.12
10
98
98
C
根据实施结果，进行综合分析、确认效果
2009.12
1
10
100
A
巩固、总结与展望
2009.12
1
10
100
小 计

15
147
98
制表人：郭厚财 日期：2009年12月
一）、P（计划）阶段
1、现状调查
1．1、工程难点
1）、工期紧，质量要求高。
2）、本工程为钻井与注浆平行作业。
3）、钻头直径大，钻井深，切割带宽，切割面积大，其施工在国内尚属首次。
4）、钻井偏斜率控制一次到位，没有扩孔纠偏，增加钻进参数控制技术难点。
5）、粘土层多，且多含粘性及膨胀较强的灰绿色粘土，下部有密实细砂层，较板结。
6）、水文地质条件较复杂：根据井检孔地质报告，井筒的水文地质条件应为较复杂型。

1．2钻井设备的现状情况
选用AD130/1000竖井钻机，其性能参数见下表5

表5 AD130/1000型动力头竖井钻机主要技术性能表
设 计 钻井 深 度（m）
设 计 钻井 直 径
（m）
钻 井
方 式
洗 井
方 式
井 架
高 度
(m)
井 架 底部 跨 度
(m)
油 缸
提 升 力
(KN)
动 力 头扭 矩
KN.m
设 备 总功 率（kw)
设 备 总重 量
（t）
1000
13.0
分级扩孔
气举反循环
31.665
19.05×12.38
7000
600
1000
561
制表人：郭厚财 日期：2008年11月

图2 AD130/1000竖井钻机总图

图3 AD130/1000竖井钻机
该钻机是动力头全液压驱动钻机，是目前国内钻孔能力最大的竖井钻机，采用液压控制系统，在整个工作过程中与机械、电路系统共同完成钻机的一系统的动作。该液压系统功率1100KW，最大扭矩600KNm，完全使用电控手柄进行操作，具有国内领先水平。
该液压系统有如下几个特点：
l 功率大，能根据不同施工需要，选择不同的工况，对电机功率也可进行组合，适应性强。
l 液压系统采用液压控制的变量泵，节约能源。
l 辅助系统采用负载敏感多路比例阀及负载敏感泵，可以实现同一个油泵同时供不同的压力、流量的负载工作而互不干扰
l 全部使用电控操作手柄，操作方便、可靠。
l 所有动作实现无级调速。

2、目标确定
2.1、大直径深井一级全断面钻进一次性成功，钻进深度不小于设计深度，不大于设计深度500㎜，深度偏斜率不大于1‰。
2.2、钻进施工过程中，安全、质量事故频数为零。
2.3、确保本工程井筒满足招标文件质量要求、工期要求和井巷工程优良质量标准。
3、可行性分析
3.1、钻头选型的适应性分析
φ7.7m钻头是根据本工程地质情况及一级全断面钻进要求而设计的。该钻头底部为平底，一级扩底角为α=25度，二级扩底角为α=35度。
图4 φ7.7m钻头
该钻头有别其它扩孔钻，其二级扩底角为α=35度。因此，刀具切割下来的岩削快速集中到吸收口附近便于吸收，避免重复切割，增加刀具破岩效果，提高钻进速度。
结论：φ7.7m钻头在性能上基本满足了本次施工的需求。
3.2寻找主要问题
项目部安排人员对一级全断面钻进施工现场进行监督管理，做到全程控制把握，并做好相关参数记录，经过小组成员的分析讨论，针对本次施工难点和特点，得出影响施工质量和进度总体评价的问题主要集中在以下几方面：
（1） 钻进参数的控制； （2）泥浆参数的控制；
（3） 钻孔偏斜率的控制； （4）钻孔深度的控制；
（5） 钻进中掉物及断牙轮座的控制 （6）机具、设备人员的控制；
（7） 其他；
表6 问题发生频率表
顺
序
类别
频数
累计
频数
发生率
（％）
累计率（％）
1
钻进参数的控制
5
5
14.3
14.3
2
泥浆参数的控制
10
15
28.6
42.9
3
钻孔偏斜率的控制
1
16
2.9
45.8
4
钻孔深度的控制
2
18
5.7
51.5
5
钻进中掉物及断牙轮座的控制
14
32
40
91.5
6
机具、设备人员的控制
2
34
5.6
97.1
7
其他
1
35
2.9
100
制表人：郭厚财 日期：2009年12月

3.3因素分析及寻找主要原因
为此我们QC小组根据讨论罗列出以下8个因素，经过小组成员和有关技术人员一起研讨后，一致认为“钻压的控制”、“ 比重的控制”、“ 失水量和泥皮厚度控制”需要我们严格把关。其他问题根据以往的施工经验都能解决，所以都不是要因。

钻孔发生偏斜，牙轮座断裂发生频率高，泥包钻头

没有坚持减压钻进，钻压掌握不当，影响工期

钻压

钻进参数控制

转数过快使井帮受到严重冲刷，增加壁后充填量。
产生扩径、井筒片帮或坍塌

转数

泥浆冲洗量不足，井底冲洗效果不好
洗井液冲洗量
泥包钻头

图4 钻进参数控制系统图
制图：郭厚财 日期：2009年12月

比重高低影响沉淀效果

比重

泥浆参数控制

流动性差，冲洗效果不好，造成泥包钻头

粘度

失水量和泥皮厚度直接影响泥浆对整个井筒的护壁效果，防止坍塌

失水量和泥皮厚度

保证泥浆各项性能
PH值

影响沉淀效果，使泥皮变厚而松散
含砂量

图5 泥浆参数控制系统图
制图：郭厚财 日期：2009年12月

3.4、制订对策
根据找出的主要原因，小组成员结合具体的情况进行讨论，并结合分析结果认为只要在实际施工中重点把握这三个方面的因素，就可以最大限度地减少由于客观条件所导致的困难，因此我们制订了相应的对策，具体见对策表：

表7 对策表
序号
要因
项目
对策
目标
措施
负责人
期限
实施地点
1
钻压控制不到位
现场
旁站
钻压的控制在300～700(KN)
安排人员跟班观察
刘 峰
刘 刚
冯金亮
整个井筒钻进工程
施工现场
2
比重控制不到位
检测
方法
泥浆比重控制在1.14～1.2
安排人员用泥浆比重仪每2小时测量一次泥浆比重
刘 峰
刘 刚
冯金亮
整个井筒钻进工程
施工现场
3
失水量和泥皮厚度控制不到位
检测
方法
失水量控制在18～30，
泥皮厚度控制在≤1.5mm
安排人员用失水量测定仪每2小时测量一次失水量和泥皮厚度
刘 峰
刘 刚
冯金亮
整个井筒钻进工程
施工现场
制表人：郭厚财 日期：2008年12月

二）、D（实施）阶段
针对分析出来的3个主要原因和制定的相应对策，在井筒钻进施工过程中，我们具体从以下几个方面进行实施：
实施1、钻压的控制
精心组织施工，对职工加强教育，增强钻机司机的责任心，杜绝违章操作现象发生，提高职工的质量意识和业务水平。
1.1、钻厚粘土层时，为防止泥包钻头，采用小钻压钻进，中等钻速，适当加大泥浆循环量。
1.2、钻砂类地层时，严格控制转速与泥浆冲洗量，观察泥浆参数和大钩提升重量的变化，严防塌孔与过分刷大孔壁。
1.3、对于固结砂层，应采用中低转速，中钻压慢速钻进。
1.4、风化基岩层钻进，采用中等转速和钻压，进给速度要慢，防止钻孔偏斜。
1.5、在泥岩中钻进，宜采用中等转速，加大一定的钻速，进尺可加快。
1.6、在硬岩层中钻进，宜采用较大的转速和钻压，预防刀具磨损。
1.7、在过特殊地层时，安排项目部管理人员现场跟班督导。
1.8、由周丽明、付新鹏负责加强现场监督、检查、确保施工过程规范。
通过QC小组成员研讨确保钻井质量，优化选择合理的钻进参数，特制订出钻井参数。

表8 朱集西煤矿矸石井钻井参数表
地层
砂层
粘土层
泥岩
砂岩
钻压(KN)
≤300
≤400
≤350
≤700
制表人：郭厚财 日期：2008年12月
结果：通过上述措施，钻进施工过程中，无安全和质量事故，一级全断面钻进一次性成功，深度偏斜率为0.3‰，圆满按工期完成。
实施2、比重、失水量和泥皮厚度控制
根据《矿山井巷工程施工及验收规范》的有关规定和以往的施工经验，结合本井地层的实际情况，合理地配制泥浆并严格控制泥浆各项参数，采用重力沉淀、机械净化、化学药剂处理等多种手段确保泥浆质量。
2.1、正常钻进时，采用化学药剂处理泥浆，提高其性能，增强护壁效果；
2.2 、在粘土层中钻进时，泥浆的比重控制在1.16～1.18。
2.3、 在砂层中钻进时泥浆比重控制在1.18～1.2，严格控制泥浆含砂量，采用机械设备清除泥浆中的砂粒，以增加泥皮韧性，减小泥皮厚度。
2.4、泥浆的粘度控制在18～30秒。
2.5、严格控制泥浆含砂量，采用机械设备清除泥浆中的砂粒，以增加泥皮韧性，减小泥皮厚度。
2.6、在易膨胀和易坍塌的地层中钻进时，要严格控制失水量；
2.7、经常对沉淀池、循环池进行清理，清除沉砂、积淤，对不符合要求的泥浆应及时处理，确保泥浆质量。
注：在实际施工中，应随时根据地层的变化情况，及时调整，选择最佳参数，提高纯钻进效率。
结果：通过对泥浆实地测量，泥浆比重、失水量和泥皮厚度都控制在要求范围之内，没有出现坍塌和缩径现象，满足钻进要求。
三）C（检查）阶段
3.1实施效果检查
从2008年11月至2009年12月，钻进施工顺利完成，并通过测斜检测，很好地完成了目标。
在我们QC小组活动期间，重点对一级全断面钻进施工质量控制的3个主要因素制定了措施及目标并对措施进行效果检查。
表9 效果检查表
序号
要 因
项 目
目 标
效果检查
1
钻压控制不到位
制订的相应钻压是否适宜该地层的钻进
基本适宜该地层的钻进，各别地层在钻进中出现进尺缓慢，我们及时调整了钻进参数，效果比较理想，加快了成井速度。
2
比重控制不到位
将泥浆比重控制在要求范围之内
通过对各阶段的泥浆实地测量，泥浆比重满足要求
3
失水量和泥皮厚度控制不到位
将失水量和泥皮厚度控制在要求范围之内
通过对各阶段泥浆参数的实验，及时全面地掌握泥浆在施工中的变化，并及时做出处理方案，优质的完成临时支护井帮的作用。
3.2总效果
（1）目标完成情况
工程质量得到了业主和监理的认可，工程质量优良率达到了95％以上，顾客满意度均在95％以上。钻进施工过程中，成井质量优良。
完成目标一、工程质量优良率达到98％。
完成目标二、一级全断面钻进一次性成功，钻进深度符合设计深度，偏斜率为
0.3‰。

（2）经济效益
本次高质量快速成井，保证了整体工期的提前，减少了上百万的工程附加投资，经济效益显著。
直接经济效益
a、减少机械设备租赁费用： 2.6万元/天×30天 = 78万元
b、减少人工费用： 1万元/天×30天 = 30万元
c、减少管理费用： 0.5万元/天×30天 = 15万元
共计节约费用： 123万元
（3）社会效益
朱集西煤矿矸石井钻井井筒是皖北煤电集团重点项目，也是国家重点项目，受到各方的广泛关注。本次我们钻井工程处朱集西矿矸石井项目部QC小组对整个一级全断面钻进施工质量进行了全程PDCA控制，保质保量的实现了既定目标，为以后施工奠定了扎实的基础。整个活动得到了业主、监理的一致好评，取得了良好的社会效益，期间我们还参与了多次行业QC成果的交流，力求不断完善小组的质量管理能力。
四）A（处理）阶段
1、巩固措施
通过对一级全断面钻进施工过程进行了分析、研究和总结，使我们更深入的了解到钻进参数、泥浆参数对钻进施工的影响。本次顺利钻进到底，我们不仅得到了宝贵的工程经验，继续巩固和完善措施，同时也制定了“全断面钻进的质量管理操作指导书” 并下发至班组，在今后的施工中严格执行。
为了完善活动成果，今后我们将充分利用活动规则对各措施执行情况进行跟踪分析，继续推广成果，接受更全面的验证。
2、总结及下一步打算
2.1、通过QC活动的开展，管理层及全体职工的质量意识提高了，工程质量提高了，即取得了经济效益又收获了社会效益，为公司在以后的发展奠定了良好基础。
2.2、小组成员认为有计划的开展QC活动，是提高工程质量行之有效的途径，增强了小组成员抓好工程质量的信心，同时提高了团队合作精神。
2.3、小组成员掌握了QC工具的运用，找到了通过要因确认、对策实施等流程去解决问题的途径。
下一步打算：施工中我们发现，钻进法凿井泥浆是由水、粘土和化学药剂配置而成的化学泥浆，胶体率100％，具有极强的稳定性，在自然条件下存放不会脱水固化。以往的处理方法就是挖池存放，其缺点：一是占用大量的土地（20～30亩/井）；二是对环境带来破坏。钻井泥浆无害化处理就是采用化学与机械相结合的方法对泥浆进行水土分离，分离出的水或回收利用或经处理后就地排放，分离出的泥经脱水固化后用于场地回填或复耕，为了实现钻井泥浆无害化处理，彻底解决钻井泥浆占用土地存放和破坏环境问题，我们将继续开展QC活动，将《钻井泥浆无害化处理》作为小组下一次活动课题。