鉆探技術(shù)在超大瓦斯抽排井施工中的應(yīng)用

杜貴亭

(河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì),河南 467000)

鉆探技術(shù)在超大瓦斯抽排井施工中的應(yīng)用

杜貴亭

(河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì),河南 467000)

用鉆井技術(shù)手段抽取煤層中的瓦斯,是降低煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑之一,對煤礦的安全生產(chǎn)有著極為重要的意義。本文介紹了在中平能化集團(tuán)施工的瓦斯抽排井,針對礦區(qū)的具體特點(diǎn),采取了有效的鉆井措施,完成鉆井作業(yè)。

煤層氣 鉆井 工藝 措施

煤層氣俗稱“瓦斯”,深藏于煤層中,據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),目前瓦斯已經(jīng)成為我國煤礦礦難的“頭號(hào)殺手”,每年因瓦斯爆炸而引發(fā)的礦難,就占全國煤礦重特大事故死亡人數(shù)的70～80%,由此而造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)7億多元。隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和對煤炭資源需求的大幅度增長,煤礦開采的強(qiáng)度也逐年加大,對嚴(yán)重危及煤礦安全生產(chǎn)的瓦斯的先期處置就顯得十分重要了。針對這一問題,我隊(duì)在中平能化集團(tuán)十三礦開展了用大口徑鉆井技術(shù)、通過鉆井方法建立起瓦斯抽排放系統(tǒng),以達(dá)到降低瓦斯對煤礦安全生產(chǎn)危害的目的。所施工的瓦斯抽排放井,位于中平能化集團(tuán)十三礦東風(fēng)井院內(nèi),該井設(shè)計(jì)井深600m,設(shè)計(jì)孔徑750mm,終孔偏斜距離不大于3m。固井后,水泥固結(jié)體抗壓強(qiáng)度不小于10MPa。成井后井底沉渣不大于0.5m,井內(nèi)水柱不大于20m。

1 地層概況

中平能化集團(tuán)十三礦地層自上而下為:松散巖組:層厚96.00m左右。以耕植土,黃灰色粘土、亞粘土為主,局部夾砂礫石,松散易垮塌。基巖風(fēng)化組:層厚39.00m左右。上部為灰色泥巖、灰綠色砂質(zhì)泥巖,夾薄層淺灰色細(xì)粒砂巖;中部為灰色、灰綠色泥巖,夾薄層淺灰色細(xì)粒砂巖;下部為灰綠色、深灰色泥巖、淺灰色細(xì)粒砂巖。基巖組:層厚470.00m左右。上、中部以灰色、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖,淺灰色細(xì)粒砂巖,夾薄煤層;下部為灰色、深灰色泥巖,淺灰色、灰色砂質(zhì)泥巖,淺灰色細(xì)粒砂巖及煤層。巖性多為淺灰色、灰色砂質(zhì)泥巖,深灰色泥巖,淺灰色中、細(xì)粒砂巖及煤層。二1煤位于該組579m處,煤層厚度為6m,是該煤層氣井的抽排目的煤層。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)

考慮到成井目的、管材及安全鉆進(jìn)等因素,該孔按兩級孔徑設(shè)計(jì):一開第四系覆蓋層見基巖150m,設(shè)計(jì)孔徑1080mm,下φ820mm×12的螺旋護(hù)壁管,封隔主要粘土、砂層和礫石層,防止孔壁垮塌、縮徑、確保下步安全施工;二開以下設(shè)計(jì)孔徑750mm,下入φ530×14無縫管,固井成井。

3 設(shè)備的選擇

根據(jù)地層情況并考慮到該井的實(shí)際情況以及施工井徑和最后在成井時(shí)套管的重量等到具體問題,我們選擇:

鉆 塔:JJ110-28A

鉆 機(jī):GZ-2600

動(dòng)力電:約600KW電壓380V;

泥漿泵:3NB350 1臺(tái) 鉆井施工時(shí)使用

泥漿泵:TBW850 2臺(tái) 固井時(shí)使用

以及8噸吊車一臺(tái) (下套管時(shí)吊管子時(shí)用)和其他鉆井附屬材料等。

4 鉆井施工工藝

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該孔鉆孔結(jié)構(gòu)按兩級孔徑設(shè)計(jì):一開設(shè)計(jì)孔徑φ1080mm,工程量約150m,穿過第四系,見基巖后下入φ820×12螺旋護(hù)壁管后固井。本段下套管的目的是封隔主要粘土、砂層和礫石層,防止孔壁垮塌、縮徑、確保下步安全施工;二開設(shè)計(jì)孔徑φ750mm,工程量450米,下入φ530mm×14無縫管后,水泥固井成井,詳見表1。

4.2 鉆井施工方法

4.2.1 導(dǎo)向孔施工

為了孔內(nèi)施工安全,有效預(yù)防孔斜,保證成井質(zhì)量,先施工一個(gè)孔徑為φ215.9mm導(dǎo)向孔,鉆探工程量605m, (其中視實(shí)際情況多鉆5米的沉渣段),而后二級擴(kuò)孔成井的施工工藝。導(dǎo)向孔采用小徑 (φ215.9mm)牙輪鉆頭噴射鉆進(jìn)工藝,使用電子多點(diǎn)測斜儀監(jiān)測孔斜。

表1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.2 第四系覆蓋層段

利用導(dǎo)向孔導(dǎo)向,使用φ380mm～φ215.9mm、φ750mm～φ380mm、φ1080mm～φ750mm三種組合牙輪鉆頭分三級擴(kuò)孔,使孔徑達(dá)到設(shè)計(jì)孔徑φ1080mm,,孔深150m,下入φ820×12mm螺旋套管約150m,水泥固井,候凝48～72小時(shí)。

4.2.3 煤系地層段

利用導(dǎo)向孔導(dǎo)向,用φ380mm～φ215.9mm、φ750mm～φ380mm兩種組合牙輪鉆頭分二級擴(kuò)孔達(dá)到設(shè)計(jì)孔徑φ750mm,鉆井工程量450米,下入外管φ530×14mm無縫鋼管600m,水泥固管。

4.3 鉆頭選擇

4.3.1 導(dǎo)向孔

采用φ215.9mm牙輪噴射鉆頭 (或PDC復(fù)合片鉆頭),覆蓋層使用φ1080mm組合鉆頭擴(kuò)孔。

4.3.2 基巖導(dǎo)向孔

以φ215.9mm帶噴嘴鑲齒牙輪鉆頭為主,石英砂巖采用紫色球齒噴射牙輪鉆頭。

4.3.3 基巖擴(kuò)孔

使用組合牙輪鉆頭,用若干個(gè)鑲齒式球齒牙輪鉆頭的單掌組焊成φ380mm和φ750mm擴(kuò)孔鉆頭,選用單掌時(shí)規(guī)格和新舊程度應(yīng)一致,排放高度、角度嚴(yán)密均勻,加焊擋板,防止牙輪脫落,造成鉆頭損壞及孔內(nèi)事故。

4.4 鉆進(jìn)參數(shù)選擇

為了保證安全,提高效率,防止孔斜,采用噴射鉆進(jìn),根據(jù)孔深、孔徑和巖性綜合選擇鉆進(jìn)參數(shù)見表2。

4.5 導(dǎo)向孔施工技術(shù)

導(dǎo)致鉆孔彎曲的因素很多,都有一定的規(guī)律,但鉆孔彎曲是不可避免的。大口徑瓦斯抽排孔力求垂直,否則不僅會(huì)給鉆進(jìn)造成困難,而且粗大的井管也難以下入孔內(nèi)。本工程采用導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù),目的就是為防斜,力求鉆孔垂直,保證成孔質(zhì)量,在發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向孔偏離預(yù)定軌跡到一定程度時(shí),采用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行糾斜,保證成孔質(zhì)量。

表2 鉆井鉆進(jìn)參數(shù)表

4.5.1 防斜措施

把握好安裝、開孔、換徑三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),有效預(yù)防孔斜;使用φ127粗徑鉆具和φ178mm鉆鋌,防斜鉆具組合采用三個(gè)φ215.9mm扶正器,扶正器與φ215.9mm鉆頭同徑,分別連接在φ178mm鉆鋌的三個(gè)不同部位,使?jié)M眼鉆進(jìn)長度達(dá)到20m,有效地減少鉆具與孔壁之間的間隙,最大限度控制鉆孔偏斜;采用輕壓懸吊式鉆進(jìn)方法,根據(jù)地層情況,合理控制鉆壓,把孔斜控制在最小范圍之內(nèi);所施工鉆孔基巖段較厚,施工中可根據(jù)井區(qū)地層產(chǎn)狀,利用鉆孔一般逆向地層傾斜偏移的規(guī)律,保證少采用鉆孔糾偏而中靶,以提高鉆效,使下管更順利。

4.5.2 導(dǎo)向孔質(zhì)量檢測

鉆孔的成孔質(zhì)量取決于導(dǎo)向孔的質(zhì)量,為確保導(dǎo)向孔的質(zhì)量,應(yīng)高度重視導(dǎo)向孔的測斜與糾斜工作,這是鉆孔成敗的關(guān)鍵。在鉆進(jìn)過程中為了及時(shí)掌握鉆孔軌跡,每鉆進(jìn)20m使用電子多點(diǎn)測斜儀測斜1次,及時(shí)掌握鉆孔全孔的孔斜和方位角變化情況,鉆進(jìn)至終孔層位后,進(jìn)行1次系統(tǒng)測斜工作,確保鉆孔中靶和安全順利下管;通過測斜發(fā)現(xiàn)孔斜超標(biāo)時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行糾斜,控制好井眼軌跡,確保先導(dǎo)孔孔斜控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi);糾斜方法選擇隨鉆螺桿定向鉆進(jìn)技術(shù),這是保證中靶鉆進(jìn)最可靠的鉆探工藝技術(shù);準(zhǔn)確測量鉆具長度以便于準(zhǔn)確確定下管深度。

4.5.3 二級擴(kuò)孔施工技術(shù)措施

第四系和基巖風(fēng)化帶擴(kuò)孔段孔徑φ1080mm,孔徑較大,覆蓋層主要由回填土、粘土、砂質(zhì)粘土、流沙和礫石層為主,防斜和維護(hù)好井壁不垮塌是施工技術(shù)關(guān)鍵。選用優(yōu)質(zhì)的鉆井液,視地層情況選用合理的鉆井參數(shù),控制井徑擴(kuò)大率在允許范圍;煤系地層孔段孔徑φ750mm,以砂巖、泥質(zhì)砂巖為主,地層軟硬變化較大,防斜、防止井壁垮塌和砂巖段濾失縮頸是施工技術(shù)關(guān)鍵。

5 鉆具組合

5.1 導(dǎo)向孔鉆具組合

φ215.9mm噴射牙輪鉆頭 (或 PDC復(fù)合片鉆頭)+φ215.9mm扶正器 (長1.6m)+φ159mm無磁鉆鋌1根 (長9m)+φ215.9mm扶正器+φ178mm鉆鋌2～7根+φ159mm鉆鋌6～8根+φ127mm鉆桿+主動(dòng)鉆桿。鉆鋌總重量控制在10～12噸左右,見圖1所示。

圖1 鉆具組合示意圖

為確保先導(dǎo)孔打直,設(shè)計(jì)采用滿眼鉆具組合防斜工藝。這種鉆具組合一般要裝三個(gè)穩(wěn)定器 (或在大鉆鋌外表面適當(dāng)位置加焊硬合金扶正塊),下穩(wěn)定器靠近鉆頭,多為螺旋穩(wěn)定器,依次向上是短鉆鋌 (3m左右)、中間穩(wěn)定器、鉆鋌 (1根)和上穩(wěn)定器 (如圖2)。

圖2 滿眼防斜鉆具組合示意圖

5.2 擴(kuò)孔鉆具組合

擴(kuò)孔鉆具組合與導(dǎo)向孔鉆進(jìn)相同,只需更換鉆頭和扶正器的類型和規(guī)格,根據(jù)巖層情況適當(dāng)增加粗徑鉆鋌,加重在3～5t以保證擴(kuò)孔時(shí)的穩(wěn)定性和擴(kuò)孔進(jìn)尺效率。

5.3 糾斜鉆具組合

φ215.9mmPDC+φ172mm ×1.25°螺桿 + φ165mmNDC×1根 +φ159mmDC×6～9根 +φ127mmDP

6 鉆井液選用

6.1 第四系沖擊層

采用優(yōu)質(zhì)膨潤土配置基漿,用碳酸鈉(Na2CO3)、水解聚丙烯酰胺 (PHP)、水解聚丙烯腈 (HPAM)調(diào)整泥漿性能。該井段井壁不穩(wěn)定,極易垮塌、掉塊,泥漿調(diào)制中可適量加入防塌劑(K31),以提高泥漿防塌能力,同時(shí)起下鉆具要慢、穩(wěn),防止井內(nèi)壓力激動(dòng),引起井壁坍塌。施工中應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿的粘度、比重、失水量、含砂量、PH值,在泥漿的調(diào)配中要適量加入部分降失水劑和稀釋劑。

6.2 施工步驟

(1)開鉆:新地層上部基巖段φ215.9mm導(dǎo)向孔鉆進(jìn),隨鉆監(jiān)測孔斜,導(dǎo)向孔鉆進(jìn)至605m,可多鉆5米作為沉渣段。

(2)擴(kuò)孔:覆蓋層套管段φ1080mm擴(kuò)孔分兩次進(jìn)行,擴(kuò)孔至150m。

(3)下管:下入φ820mm×12mm螺旋護(hù)壁管150m,水泥封固表層套管;鉆掃水泥塞,清理泥漿池,更換泥漿;基巖擴(kuò)孔鉆進(jìn),擴(kuò)孔用φ380mm牙輪鉆頭由150m擴(kuò)至605m。φ750mm牙輪組合擴(kuò)孔鉆頭或滾刀鉆頭由150m擴(kuò)孔至 605m。下入φ530mm無縫管600m,水泥封固技術(shù)套管,鉆掃水泥塞,成井;清除技術(shù)套管內(nèi)的水或泥漿。

7 井下復(fù)雜情況下對應(yīng)處理措施

7.1 防井漏措施

地表層可提高泥漿粘度以防漏,靜置以堵漏;鉆至易漏層段,可在泥漿中加谷殼、核桃殼、鋸沫、屏蔽暫堵劑等材料以防止井漏;垮塌嚴(yán)重的井段,開泵不要過猛,以免壓漏地層;在泥漿觸變性能較大、靜止時(shí)間較長的情況下,下鉆要分段循環(huán)泥漿;下鉆時(shí)控制速度,防止壓力激動(dòng),并有專人記錄泥漿返出情況和泥漿池液面變化情況。遇漏失時(shí),記錄其漏失量、漏失速度、漏失層位和泥漿性能;控制合理的泥漿密度,防止加重過度,壓漏地層。

7.2 防塌措施

堅(jiān)持作好隨起鉆隨灌泥漿的工作,鉆具起完灌滿鉆井液;控制鉆井液相對密度及性能變化的范圍,控制失水,仔細(xì)觀察巖屑返出情況;發(fā)現(xiàn)井下垮塌,要仔細(xì)觀察井下情況,保持鉆井液性能的相對穩(wěn)定,避免大起大落;適當(dāng)加大排量循環(huán),及時(shí)將掉塊帶出地面;禁止在易塌井段高速起下鉆;不能長時(shí)間在同一深度大排量循環(huán)泥漿,以防沖垮井壁;防止加重過猛,壓漏地層而引起井下壓力失去平衡,造成更嚴(yán)重的塌漏。

7.3 防卡措施

加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)制度,保證鉆具入井期間設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn),以地面設(shè)備保證井下安全;調(diào)整維護(hù)好泥漿性能,控制API失水及泥漿滲透率和泥餅?zāi)Σ料禂?shù),提高鉆井液潤滑性;堅(jiān)持短起下鉆制度,保證起下鉆暢通,尤其在易縮徑段更應(yīng)如此。根據(jù)井下情況,適當(dāng)提高鉆井液密度,平衡地層壓力。對于易縮徑地層,每打完一個(gè)單根都應(yīng)反復(fù)劃眼。下鉆遇阻,要及時(shí)接方鉆桿循環(huán)劃眼,嚴(yán)禁硬壓。起鉆過程如有遇卡現(xiàn)象嚴(yán)禁硬拔,要反復(fù)劃眼,直至?xí)惩o阻;鉆具在裸眼內(nèi),要嚴(yán)格執(zhí)行活動(dòng)鉆具制度,每1～3分鐘要活動(dòng)一次,活動(dòng)幅度盡可能大些;快速鉆進(jìn)時(shí),接單根前應(yīng)先循環(huán)一段時(shí)間,保證巖屑上返一定高度,接單根動(dòng)作要快,在無法循環(huán)的情況下,要及時(shí)活動(dòng)鉆具,防止沉砂卡鉆。

7.4 防斷鉆具措施

在鉆具入井前仔細(xì)檢查鉆具臺(tái)肩、絲扣及本體,杜絕問題鉆具下井;堅(jiān)持定期錯(cuò)扣起鉆和抽上加下倒換鉆具制度,以便檢查鉆具及配合接頭絲扣連接情況;保持絲扣清潔,涂足絲扣油,使用吊鉗緊扣時(shí),鉆具的上扣力矩相匹配。

7.5 防掉落物措施

起下鉆前應(yīng)檢查大鉗鉗牙固定是否牢固,吊卡手柄等是否完好,吊卡擋銷的保險(xiǎn)繩是否合格;下鉆轉(zhuǎn)盤面要干凈,嚴(yán)禁放工具;當(dāng)使用卡瓦時(shí)井口操作工應(yīng)仔細(xì)檢查卡瓦固定是否牢靠,卡瓦有無斷裂,如有斷裂應(yīng)及時(shí)更換;空井作業(yè)時(shí)應(yīng)蓋住井口;在井口作業(yè)時(shí),所有使用的手持工具都要系保險(xiǎn)繩。

7.6 防鉆頭事故措施

鉆頭入井前進(jìn)行“三級”檢查,在確認(rèn)尺寸、型號(hào)、扣型、水眼安裝、鉆頭質(zhì)量無問題后方可入井;新鉆頭下到井底后按規(guī)定跑合牙輪,待牙輪活動(dòng)好后再加到設(shè)計(jì)鉆壓鉆進(jìn);做好隨鉆地層分析工作,合理選擇鉆頭型號(hào);鉆頭在井底時(shí),禁止帶負(fù)荷起動(dòng)轉(zhuǎn)盤,接單根前應(yīng)停止加壓,適當(dāng)恢復(fù)懸重后再停轉(zhuǎn)盤,上提方鉆桿接單根;采取有效措施,杜絕溜鉆、墩鉆的發(fā)生;鉆頭使用后應(yīng)及時(shí)提醒司鉆,一旦出現(xiàn)異常應(yīng)立即起鉆,絕不能敷衍。

8 成井工藝

8.1 下管工作

8.1.1 井管重量計(jì)算

φ820mm×12mm螺旋表層套管單重239.1kg/m,則 G820=239.1×150m=35865kg;φ530mm×14mm無縫套管單重178.14kg/m,則 G530=178.14kg/m× 600m=106884kg。

8.1.2 技術(shù)套管浮力計(jì)算

技術(shù)套管長度600m,每米浮力28.1kg/m(泥漿密度按1.20g/cm3計(jì)算);

總浮力為:F=28.1kg/m×600m=16860kg。

表層套管采用直接對焊下管的方法。由于技術(shù)套管的重量大,厚度薄,在井中的懸重約100t,超過了鉆塔和鉆機(jī)的額定能力,為了保證井管的安全下入,下管時(shí)要視實(shí)際情況采用浮力板下管的方法。采用浮力塞下管時(shí)要在下管的同時(shí)向井管內(nèi)注入泥漿,以保持井管內(nèi)外的壓力平衡,使井管安全順利的下入設(shè)計(jì)位置。

8.1.3 管材的規(guī)格和材質(zhì)

表層套管規(guī)格為φ820mm×12mm低碳雙面螺旋焊接鋼管;工作管規(guī)格為φ530mm×14mm無縫鋼管。

8.1.4 管路的安裝連接

井管采用直接對焊連接,利用自制的管口對接扶正卡,保證管口全縫、同心,φ820mm×12mm表層套管和φ530mm×14mm無縫管的接縫焊接,采用J507焊條兩人同時(shí)焊接,確保焊縫密實(shí)、牢固,外補(bǔ)焊加強(qiáng)筋,加強(qiáng)筋規(guī)格及數(shù)量執(zhí)行技術(shù)設(shè)計(jì)的要求。

8.2 下管提吊方法

8.2.1 φ820mm×12mm套管

采用割孔穿杠鋼絲繩牽引提吊的下管方法,就是在管口上端0.4m處對稱切割φ150mm圓孔。穿杠,用鋼絲繩連接游車大鉤,起吊井管,井管對接后,抽出穿杠,將切下的圓板填入割孔內(nèi),焊牢。然后在割孔外補(bǔ)焊方板加強(qiáng)塊。φ530mm×14mm技術(shù)套管的下管方法按此方法下入。

8.2.2 井管準(zhǔn)備工作

備好穿杠器具和做穿杠孔加強(qiáng)板及焊縫加強(qiáng)筋的準(zhǔn)備工作;檢查管內(nèi)外徑、彎曲度、管口水平度、尋求壁厚、圓度、管口、平面尺寸一致的井管,作為對接井管、編號(hào)標(biāo)記,丈量長度;下管嚴(yán)格分工,明確目標(biāo),各負(fù)其責(zé),保證下管一次成功;下管前用長度為12m的同徑管進(jìn)行順孔,以防意外發(fā)生。

8.2.3 下管作業(yè)

套層套管下入時(shí),可以不加浮力板直接下管,下管時(shí)應(yīng)緩慢,減少下管時(shí)對孔壁的沖擊作用。為防止井壁失穩(wěn),施工中除正確使用泥漿外,盡量縮短下管時(shí)間。根據(jù)實(shí)際情況,技術(shù)套管下管時(shí)應(yīng)采用浮力板下管。

9 固井

本孔兩路井管均采用孔底灌注水泥漿從孔壁與管壁之間的環(huán)狀間隙返出井口的全固管方法。

10 效果

經(jīng)過幾個(gè)月的緊張施工,該井終孔井深605m、孔徑750mm,是我隊(duì)建隊(duì)以來施工孔徑最大、最深的一個(gè)地質(zhì)勘探施工工程項(xiàng)目,各項(xiàng)施工技術(shù)完全達(dá)到了業(yè)主的要求。

[1] 趙運(yùn)興等.煤田地質(zhì)勘探技術(shù)手冊 [M].煤炭工業(yè)出版社1989.718

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[3] 河南省煤田地質(zhì)四隊(duì) [R].平煤集團(tuán)十三礦大口徑瓦斯抽排放井鉆井施工技術(shù)設(shè)計(jì)

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[5] 張子敏,張玉貴.瓦斯地質(zhì)規(guī)律與瓦斯預(yù)測 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2005.

[6] 張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Application of CBM Well Drilling Technique in Coal Mine Gas Drainage Wells

Du Guiting
(No.4 Team of Henan Province Coal Geology Bureau,Henan 467000)

The means of building CBM wells to drain coalbed methane in the coal seam will not only reduce the safety risks during coal mining process,which has a great significance for coal mining.The paper introduces the coal methane well in Zhongping Energy Chemical Group.Based on the characteristic of the area,a series of measurement has been adopted to complete the well drilling.

CBM;drilling;cementing;equipment

杜貴亭,男,鉆探工程師,現(xiàn)任河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)第三工程處副處長,長期從事煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)工作。