大口徑煤礦應(yīng)用井施工技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對措施

王 英,劉炳志,杜慶軍

(山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì),山東泰安 271000)

大口徑煤礦應(yīng)用井施工技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對措施

王 英,劉炳志,杜慶軍

(山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì),山東泰安 271000)

結(jié)合山東省龍固礦井煤礦應(yīng)用井施工工程實(shí)際,闡述了在巨厚表土層中,無表層套管施工的優(yōu)點(diǎn)及施工難度,并提出了應(yīng)對措施:通過塔式鉆具防斜、陀螺儀測斜、螺桿鉆糾斜、優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁、浮力器平衡套管重力、氣動扳手減輕工人勞動強(qiáng)度等措施,提前完成了2口井的施工。同時,由于無表層套管,大大降低了施工成本,節(jié)約了施工時間。

大口徑井;無表層套管;施工難點(diǎn);應(yīng)對措施

為解決礦井排水問題,保障安全生產(chǎn),越來越多的礦井采用施工直排孔抽排礦井水的方式,從而達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。2009年,我單位在龍固礦井兩主井井筒之間施工了2口直排井,專門用于抽排礦井水,2口井終孔深度854 m,表土層厚度(第三系+第四系)544 m,工程要求全孔下“377 mm×(16～22)mm套管,垂直度按靶域控制,要求靶域半徑≤1 m。該工程表土層厚,垂直度要求高,施工工期緊,為節(jié)約時間和施工成本,我單位精心組織施工,實(shí)現(xiàn)了無表層套管施工,既節(jié)省了時間,又保證了質(zhì)量,受到了業(yè)主的好評。

1 主要地質(zhì)條件

(1)第四系:地層厚度158.45 m,主要由粘土、砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂及粉細(xì)砂層組成,屬沖積河湖相沉積,不整合于下伏地層之上。

(2)上第三系:地層厚度385.55 m,主要由厚層粘土夾砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂及砂層組成,與下伏基巖呈不整合接觸。

(3)二疊系:

①上石盒子組:殘存厚度123.18 m,主要由雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖及鋁質(zhì)泥巖組成,本組地層上部由于砂巖裂隙發(fā)育,泥巖易風(fēng)化崩解,在鉆孔施工中常出現(xiàn)鉆孔坍塌和掉塊;

②下石盒子組:地層厚度55.32 m,主要由粉砂巖、泥巖組成。泥巖淺灰色,均勻?qū)永?泥質(zhì)結(jié)構(gòu),質(zhì)松軟,風(fēng)化易碎;

③山西組:地層厚度56.05 m,主要由粉砂巖、砂巖、煤層組成。

(4)石炭系:鉆孔將揭露石炭系上統(tǒng)太原組的部分地層,揭露厚度為71.45 m,由泥巖、粉砂巖、砂巖及石灰?guī)r等組成,屬海陸交互相沉積。

2 主要技術(shù)要求

(1)設(shè)計(jì)孔深:852 m,為便于沉淀巖粉,實(shí)際孔深達(dá)到854 m;

(2)鉆孔結(jié)構(gòu):表土段孔徑500 mm,基巖段孔徑450 mm,全孔下“377 mm無縫焊接鋼質(zhì)套管,要求套管厚度基巖段不小于22 mm,表土層段不小于16 mm;

(3)鉆孔垂直度:鉆孔垂直度按靶域控制,要求靶域半徑≤1 m;

(4)固井要求:水泥漿固井,固至井口,環(huán)狀間隙中水泥漿分布均勻;水泥漿凝固48 h做試壓試驗(yàn),確保套管無滲漏。

3 主要技術(shù)難點(diǎn)

(1)為節(jié)約施工時間,縮短施工工期,應(yīng)該首選不下表層套管施工,但表土層中含大量粘土、砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂、粉砂等水敏性地層,施工中極易造成孔壁失穩(wěn),因此,如何實(shí)現(xiàn)無表層套管施工將是要面臨的技術(shù)難題;

(2)防斜問題:本工程地層傾角為5°～10°,且有些層斷近垂直裂隙發(fā)育,易出現(xiàn)孔斜,而直排孔對垂直度要求相對較高,要求靶域半徑控制在1 m以內(nèi),如何控斜和糾斜,也將是施工中要解決的難題;

(3)鉆探施工完成后,下入套管時,套管質(zhì)量達(dá)150 t,如何提高鉆塔的承重能力,并將套管安全下入,也是必須解決的問題;

(4)850余米套管下入孔內(nèi),按下放一根套管需要50 min算,需要將近3天的時間,這對人的體力是一個極大的消耗,如何能減輕工人的勞動強(qiáng)度,也需要解決。

因此,根據(jù)整個施工過程中要遇到的技術(shù)難點(diǎn)問題,專門制訂了實(shí)施方案,順利完成了本工程的施工。

4 設(shè)備投入

為滿足直排鉆孔安全、快速施工的需要,本工程投入的主要設(shè)備有:24.5 m四角鉆塔各2部,TSJ-2000A型鉆機(jī)2臺,BW 630/3型排漿泵1臺,TBW 850/5及TBW1200/7型泥漿泵各2臺,旋流除砂器2臺。鉆具采用“89 mm鉆桿,“159 mm及“203 mm鉆鋌,“216 mm無心鉆頭及“450 mm、“500 mm組合鉆頭。

5 施工難點(diǎn)應(yīng)對措施

5.1 鉆孔施工的防斜與糾斜

為便于孔斜控制和孔壁維護(hù),鉆孔分2次進(jìn)行施工,即先施工先導(dǎo)孔,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)孔,全孔下“377 mm×(16～22)mm套管并注漿固管。

5.1.1 開孔防斜

開孔是保證鉆孔垂直度的關(guān)鍵工序,因此要把好開孔關(guān)。為保證開孔垂直度,開孔前要把鉆塔、鉆機(jī)設(shè)備嚴(yán)格找平、找中和校正(用水平尺),天輪、游動滑車、孔口中心三點(diǎn)要保持在一條直線上(三點(diǎn)一線)。要確保立軸的垂直度,不得使用彎曲變形的立軸(主動鉆具)。要合理掌握轉(zhuǎn)速和鉆壓。開孔時速度和壓力要保持均勻。

5.1.2 塔式鉆具和滿眼鉆具防斜

為防止鉆孔偏斜,施工中采用了塔式鉆具,提吊式打法,鉆進(jìn)過程中完全靠鉆鋌加壓,鉆進(jìn)壓力控制在鉆鋌重力的70%左右。

表土層鉆具組合:“216 mm牙輪鉆頭(銑齒)+“159 mm鉆鋌+“121 mm鉆鋌+“89 mm鉆桿;

基巖段鉆具組合:“216 mm牙輪鉆頭(鑲齒)或復(fù)合片鉆頭+“159 mm鉆鋌+“121 mm鉆鋌+“89 mm鉆桿;另外,為增加鉆具的剛性,盡量減少孔內(nèi)鉆具的彎曲,施工中采用3個與鉆頭直徑相近的扶正器安裝在合適的位置,保持鉆具在孔內(nèi)居中,盡量限制由鉆具彎曲而產(chǎn)生的增斜力。

5.1.3 鉆進(jìn)過程中的防斜

在鉆進(jìn)過程中,根據(jù)地層合理地配置了鉆進(jìn)參數(shù),同時,盡量使壓力、泵量、轉(zhuǎn)速保持均勻,在地層變換時,選擇較低泵量、轉(zhuǎn)速和壓力,待鉆至一定深度時再采用正常參數(shù),以防止因在地層變化時,由鉆進(jìn)參數(shù)配置不當(dāng)而造成的孔斜。

5.1.4 鉆孔的糾斜

為控制鉆孔偏斜,在施工中,每鉆進(jìn)30～50 m測斜一次,發(fā)現(xiàn)孔斜有超限趨勢及時使用螺桿鉆進(jìn)行糾偏并加密測斜次數(shù),從而使鉆孔在較少糾偏的情況下達(dá)到較高的垂直度。在兩孔施工中,1號孔全孔僅在孔深690 m處進(jìn)行了一次糾偏,其最大偏距0.746 m(孔深750 m);2號孔全孔共進(jìn)行了6次糾偏,分別在孔深357、398、427、458、534、790 m處,其最大偏距0.899 m(孔深854 m)。兩鉆孔偏距均滿足設(shè)計(jì)靶域≤1 m的要求。

5.2 泥漿與孔壁維護(hù)

泥漿的配制與管理既影響鉆孔質(zhì)量,又影響鉆效和孔內(nèi)安全。在施工中,表土層厚度達(dá)500多米,經(jīng)常遇到水敏性粘土、砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂、粉砂等地層,易造成縮徑、超經(jīng)、坍塌等孔內(nèi)復(fù)雜情況,本孔施工時間長,且不下表層套管,對孔壁的擾動性大,因此,采用優(yōu)質(zhì)的泥漿維護(hù)孔壁的穩(wěn)定相當(dāng)重要。施工中,結(jié)合該地區(qū)的地層特征,采用清水+膨潤土+Na2CO3+LG植物膠+CMC配制泥漿,根據(jù)地層情況及時調(diào)整泥漿性能參數(shù);同時使用除砂器除砂,盡量降低泥漿中的含砂量,提高泥漿的質(zhì)量,從而提高泥漿的攜砂能力,在第三系鉆進(jìn)時,還加放了部分水解的聚丙烯酰胺作絮凝劑,以加速巖粉的沉淀。在先導(dǎo)孔施工使用的泥漿,其漏斗粘度控制在18～21 s,密度1.02～1.08 g/cm3,pH值為8。

5.3 下套管措施

5.3.1 套管準(zhǔn)備

甲方供應(yīng)的套管到工地后,組織電氣焊人員到現(xiàn)場處理套管頭,套管頭用氣焊打斜以增加套管頭的接觸面,厚度22 mm套管,端面留11 mm平面,厚度16 mm套管,端面留8 mm平面。要求打斜表面光滑,清除氧化鐵。

5.3.2 焊接肋骨片

在套管一頭焊接4片起扶正、提引作用的肋骨片,肋骨位置距套管上頭300 mm。要求肋骨焊接強(qiáng)度高,能夠承受套管卡子的提拉負(fù)荷。提引最大重力400 kN。

5.3.3 套管卡子及螺栓

套管卡子按照技術(shù)要求加工,外部采用30 mm厚度鑄鋼材料制成,內(nèi)部與套管接觸面采用木料,以增加卡子與套管間的摩擦力,卡子掛繩缺口處要設(shè)一定的圓弧,減少對鋼絲繩的破壞。套管卡子螺栓、螺母,要求使用合金鋼制作,螺母必須使用加厚螺母。

5.3.4 鉆塔加固

為提高鉆塔的承載能力,鉆塔腿用“89 mm鉆桿加固,加固鉆桿長度必須高出鉆塔鎖扣鐵。加固鉆桿要保證外平,加固鉆桿接口處必須使用U形卡。在鉆塔天梁處增加兩條工字鋼,分擔(dān)鉆塔鎖口鐵負(fù)荷。鉆塔加固時,同時對鉆塔螺栓進(jìn)行檢查緊固。

5.3.5 下套管工具

為減輕工人的勞動強(qiáng)度,提高工作效率,同時使螺栓緊固力均勻一致,下套管時使用氣動扳手緊固螺栓,要求氣動扳手最小扭矩≮1600 N·m。空氣壓風(fēng)機(jī)供氣量及壓力根據(jù)氣動扳手要求配置。增加鏈鉗,36、48管鉗各一把。同時使用75 t電動液壓千斤頂,電動油泵及油缸,修好后,在出廠前要試車,確保能夠使用并達(dá)到最大頂力。

5.3.6 平衡套管重力

施工中,單井套管總質(zhì)量達(dá)150 t,即便對鉆塔進(jìn)行了加固,同時使用千斤頂分擔(dān)部分套管重力,鉆塔也難以承受如此重力的套管,因此,為平衡套管的重力,采用了提高套管在井底所受浮力的方法,即:在最下部一截套管頂端焊接浮力器,浮力器采用逆止球閥原理,與管壁焊接處要求要結(jié)實(shí)牢固,能承受巨大的浮力而不損壞。最下部的一根套管底端用鐵板焊封,距套管底部每0.5 m留1組出漿孔,共3組,每組4個,用于注漿時漿液向管外排出;下套管時靠排出套管的泥漿浮力減輕鋼絲繩承載的套管重力。套管下放過程中重力、浮力以及鉆塔的提吊力估算見表1。

表1 套管下放過程中重力、浮力以及鉆塔的提吊力估算表

從表1可以看出,隨著套管下入深度的增加,在被泥漿浮力平衡掉一部分套管重力后,其鉆塔所承受的拉力越來越大,最大仍可達(dá)600 kN左右,這對鉆塔的承重能力是一個考驗(yàn)。

經(jīng)過采取以上幾種措施后,本工程在歷時4個月后,順利完工,受到了業(yè)主的好評。由于未下表層套管,節(jié)省了擴(kuò)孔鉆進(jìn)時間、擴(kuò)孔鉆頭的費(fèi)用、表層套管的費(fèi)用、水泥澆灌的費(fèi)用以及水泥候凝的時間,粗略估計(jì)單孔可節(jié)約成本50余萬元,從而提高了利潤空間,也提高了市場競爭力,為我單位在今后的大口徑井的施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)語

在市場競爭日趨激烈的今天,如何提高生產(chǎn)效率,節(jié)約生產(chǎn)成本,保證施工質(zhì)量,將是能否在市場站穩(wěn)腳跟的關(guān)鍵,本文通過孔壁維護(hù)、防斜糾斜、加固鉆塔、氣動扳手減輕工人勞動強(qiáng)度、靠浮力抵減套管重力等一系列措施,實(shí)現(xiàn)了本工程的順利竣工,為大口徑井的施工提供了一條新思路。

[1] 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].山東東營:石油大學(xué)出版社, 2001.

[2] 李世忠.鉆探工藝學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1989.

[3] 李勇,魯永安,張志峰.鄭煤集團(tuán)大平煤礦大口徑排水井成井工藝[J].探礦工程,2002,(6):13-14.

Techn icalD ifficulties in Large D iameterW ellDrilling in CoalM ine Construction and the Countermeasures

WANG Ying,LIU B ing-zhi,DU Qing-jun(The Third Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Coal Geology,Tai’an Shandong 271000,China)

Based on a well drilling engineering of a mine in Shandong,the paper introduced the advantages and difficulties of construction without surface casing drillingwith the counter measures.The construction of 2 wellswere fulfilled ahead of time through deviation control by tower drilling tools,inclination survey by gyro inclinometer,wall protection by high-qualitymud and working intensity reducing by buoyancy device and impactwrench.Drillingwithout surface casing greatly saved the construction cost.

large diameterwell;no surface case;construction difficulty;counter measure

TD7

A

1672-7428(2010)12-0051-03

2010-05-13

王英(1973-),女(漢族),河北饒陽人,山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)工程師,探礦工程專業(yè),從事煤田地質(zhì)勘探、樁基工程、地面預(yù)注漿工程以及地?zé)帷⒚簩託饩┕し矫娴你@探技術(shù)工作,山東省泰安市泰山大街869號,wwj1491@163.com。