深厚漂卵石地層中超大直徑鉆井沖抓工藝的研究及應(yīng)用

張寧，楊宗仁，袁潔，楊廣，劉占軍

(1.河北金匯巖土工程有限公司，河北石家莊 050021;2.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，河北石家莊 050021)

深厚漂卵石地層中超大直徑鉆井沖抓工藝的研究及應(yīng)用

張寧1，楊宗仁1，袁潔2，楊廣1，劉占軍1

(1.河北金匯巖土工程有限公司，河北石家莊 050021;2.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，河北石家莊 050021)

介紹了在直徑8.3 m、深度285 m鉆井井筒內(nèi)，應(yīng)用沖抓錐抓取漂卵石進(jìn)尺并與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝相結(jié)合，完成超大直徑鉆井的工藝技術(shù)。主要包括沖抓設(shè)備參數(shù)的選取、沖抓工藝及技術(shù)參數(shù)的確定等。

漂卵石地層;超大直徑鉆井;鉆井施工;沖抓工藝

1 概述

應(yīng)用沖抓錐沖擊抓取地層巖土獲得進(jìn)尺，一般適用于直徑1.5 m以內(nèi)、深度較淺的漂卵礫石地層條件下成井。機(jī)械鉆井法施工Φ8.3 m鉆井，在深度280 m井段處由于大粒徑漂卵石的影響，致使回轉(zhuǎn)鉆井工藝無法正常進(jìn)行。采用沖抓錐在鉆井井筒內(nèi)抓取大粒徑漂卵石獲得進(jìn)尺，并與回轉(zhuǎn)鉆井工藝相結(jié)合完成鉆井施工。解決了在深厚漂卵石地層條件下超大直徑鉆井施工遇到的難題，取得了良好的效果。

2 工程基本情況

河北遵化鐵礦工程由主井、副井、風(fēng)井組成。礦區(qū)覆蓋層部分主要為巨厚的漂卵礫石地層，基巖地層為花崗片麻巖，地層具體情況如下:

0～231.6m為粘性土及砂層、漂卵礫石層，上部為粘性土層，卵礫石一般粒徑為10～20 cm，漂石最大粒徑為40～50 cm，漂卵礫石的主要成分為石英巖，其中局部層段為粘性土充填;

231.6～251.0m為漂卵石層，最大可見粒徑為102 cm(提鉆時鉆頭攜帶至地表)，一般為20～80 cm(通過沖抓錐抓取)，漂卵石的主要成分為石英巖，局部層段為粘性土充填;

251.0～285m為花崗片麻巖，灰綠色，主要成分為石英、長石、角閃石等，局部見少量石榴子石，微風(fēng)化片麻巖的抗壓強(qiáng)度最大為101 MPa。

豎井施工采用機(jī)械鉆井方法和普通鑿井方法綜合進(jìn)行。上部漂卵礫石層部分采用機(jī)械鉆井法施工。機(jī)械鉆井法施工井段的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆井法施工井段豎井的設(shè)計(jì)參數(shù)

采用AD－60型鉆機(jī)分級鉆進(jìn)成井工藝，完成了副井機(jī)械鉆井法井段的鉆井施工。超前鉆井為Φ3.5 m，一級擴(kuò)鉆為Φ6.3 m，二級擴(kuò)鉆為Φ8.3 m。AD－60型鉆機(jī)采用全液壓動力頭直接驅(qū)動鉆桿、油缸提升的方式，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 AD－60型鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 在漂卵石地層回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)遇到的問題

(1)Φ3.5 m超前鉆進(jìn)至井深231 m大粒徑漂卵石地層段，發(fā)生憋鉆、跳鉆現(xiàn)象，回轉(zhuǎn)扭矩瞬時劇增。通過鉆進(jìn)工藝參數(shù)比對，該層段比鉆進(jìn)基巖地層難度大得多。

(2)Φ6.3 m擴(kuò)井鉆進(jìn)至漂卵石層段，鉆具擺動，發(fā)生嚴(yán)重的憋鉆、跳鉆現(xiàn)象，回轉(zhuǎn)扭矩增大，系統(tǒng)壓力有時自動溢流卸荷。采取重復(fù)清除Φ3.5 m超前鉆井內(nèi)鉆渣的方法，Φ6.3 m鉆進(jìn)至278 m(距離Φ3.5 m井底7.0 m)處，鉆進(jìn)無法正常進(jìn)行。

(3)Φ8.3 m擴(kuò)井鉆進(jìn)至漂卵石層段，跳鉆嚴(yán)重，憋鉆停轉(zhuǎn)后鉆具回彈反轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)以上，系統(tǒng)經(jīng)常處于自動溢流卸荷狀態(tài)。采取重復(fù)清除Φ3.5 m、Φ6.3 m超前鉆井內(nèi)的鉆渣的方法，Φ8.3 m鉆進(jìn)至276 m處，鉆進(jìn)無法正常進(jìn)行。

分析Φ6.3 m、Φ8.3 m鉆進(jìn)無法正常進(jìn)行的原因主要為:在漂卵石地層中擴(kuò)井鉆進(jìn)，小粒徑的卵礫石隨鉆進(jìn)進(jìn)尺已經(jīng)通過排渣攜帶至地表，井底只剩余大粒徑的漂石，且處于活動的狀態(tài)，不能對其進(jìn)行有效的破碎，鉆井井底高低不平，產(chǎn)生跳鉆、憋鉆現(xiàn)象。有時大粒徑漂石在鉆頭滾刀之間卡住與井底處于活動狀態(tài)的漂石產(chǎn)生對磨，無法進(jìn)尺，只能提鉆處理。有時大粒徑的漂卵石卡住在鉆頭的排渣口處，泥漿循環(huán)中斷，也要提鉆處理。通過調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)，在該層段進(jìn)行了30多天的處理，只完成Φ8.3 m鉆井進(jìn)尺0.9 m，有兩把刀座斷裂連同滾刀一起掉落在井孔內(nèi)，部分破巖滾刀的硬質(zhì)合金刀齒在沖擊力作用下崩落，鉆井施工中斷。

4 應(yīng)用沖抓錐抓取工藝處理大粒徑漂卵石

針對在Φ8.3 m鉆井井筒、深度285 m位置處理大粒徑漂石影響正?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)問題，沒有可以借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)，咨詢過行業(yè)內(nèi)相關(guān)專業(yè)人士后曾試圖采用鉆孔注漿固定大粒徑漂石后再回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方法以及沖擊鉆進(jìn)破碎大粒徑漂石的方法都未能成功。后研究確定應(yīng)用沖抓錐沖擊抓取大粒徑漂卵石的工藝方法進(jìn)行處理，并取得成功。

4.1 沖抓錐抓取工藝配套的主要設(shè)備

4.1.1 沖抓錐

沖抓錐的結(jié)構(gòu)型式直接關(guān)系到?jīng)_抓工藝能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。根據(jù)沖抓對象為大粒徑漂卵石的實(shí)際特點(diǎn)，為使抓瓣更易進(jìn)入漂卵石層內(nèi)，抓斗部分為6個抓瓣閉合后組成倒錐體型式。為減少泥漿對錐體上下運(yùn)動時產(chǎn)生的阻力，抓斗體采用敞開式結(jié)構(gòu)。選用了CZ－2000型沖抓錐，其主要由脫掛器組件、開閉機(jī)構(gòu)、滑輪增力機(jī)構(gòu)、抓瓣及連桿機(jī)構(gòu)等部分組成，如圖1所示，其具體參數(shù)如表3所示。

圖1 CZ－2000型沖抓錐結(jié)構(gòu)示意圖

表3 CZ－2000型沖抓錐技術(shù)參數(shù)

其工作原理為:沖抓錐抓瓣呈張開狀態(tài)，在離孔底一定距離時以自由落體方式，靠錐體的自重沖擊進(jìn)入地層巖土內(nèi)，錐體的開閉機(jī)構(gòu)打開，通過提引鋼絲繩使滑輪增力機(jī)構(gòu)帶動滑輪組及連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動，抓瓣抓土并合攏。沖抓錐提升至地表時，通過懸掛在井架頂部的脫掛器打開使抓瓣打開卸土。重復(fù)進(jìn)行下一個回次。

4.1.2 卷揚(yáng)機(jī)

卷揚(yáng)機(jī)是提升、下放沖抓錐并實(shí)現(xiàn)沖抓功能的動力部分。根據(jù)沖抓錐在抓滿斗時連同鋼絲繩的最大質(zhì)量以及確定的沖抓錐提升速度等參數(shù)，選用JK－150型卷揚(yáng)機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 JK－150型卷揚(yáng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)沖抓錐實(shí)現(xiàn)沖抓工藝的要求，沖抓錐抓瓣進(jìn)入漂卵石層要有一定的加速度，才能使抓瓣在沖擊力的作用下進(jìn)入地層一定的深度，保證沖抓效果。要求卷揚(yáng)機(jī)要有自動溜放功能才能實(shí)現(xiàn)沖抓錐加速度下放，卷揚(yáng)機(jī)專門設(shè)置了一對可以開閉的齒輪傳動機(jī)構(gòu)，應(yīng)用液壓推力制動器和液壓鉗盤式制動器配合使用，可實(shí)現(xiàn)卷筒的自動溜放功能，滿足沖抓錐加速度沖擊要求。

4.1.3 井架

井架是支撐沖抓錐抓土及鋼絲繩等重力以及懸掛沖抓錐脫掛器實(shí)現(xiàn)卸土功能的重要部件。根據(jù)鉆井鎖口的規(guī)格和沖抓錐實(shí)現(xiàn)卸土功能所需的安全高度，井架的技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 井架技術(shù)參數(shù)

根據(jù)沖抓工藝要求，沖抓錐在離井底2～3 m時實(shí)現(xiàn)自動溜放加速沖擊。在井架頂部提升沖抓錐滑輪系統(tǒng)加設(shè)深度測量裝置，控制沖抓錐在井內(nèi)的下放深度。為保證沖抓錐在提升過程中的安全，在井架頂部設(shè)置沖抓錐提升限位器。沖抓錐卸土后通過輔助卷揚(yáng)機(jī)控制溜槽翻轉(zhuǎn)將抓土運(yùn)離井口。

4.2 沖抓工藝的實(shí)施

4.2.1 沖擊抓取工藝在鉆井井筒內(nèi)的具體應(yīng)用

在Φ8.3 m、深度285 m位置處抓取漂卵石關(guān)鍵是控制沖抓錐在井筒內(nèi)的狀態(tài)及位置。沖抓錐下入井內(nèi)的具體深度由安裝在井架頂部滑輪上的深度測量儀進(jìn)行控制。開始沖抓時由于沒有導(dǎo)向限制，沖抓錐沖擊接觸井底易出現(xiàn)傾倒空抓的現(xiàn)象，采用1.0 m左右的低沖程輕抓，每次只能抓出一兩塊漂卵石，當(dāng)在井底沖抓進(jìn)尺1 m左右之后，錐瓣部分有了導(dǎo)向限制，沖抓錐沖擊時不易傾倒，再進(jìn)行2～3 m沖程進(jìn)行正常抓取，一般情況下抓斗每次都能抓滿。把井底表層大粒徑的漂卵石抓出之后，再使用氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，通過泥漿循環(huán)攜帶出小顆粒的卵礫石完成進(jìn)尺。當(dāng)遇有大粒徑的漂卵石再進(jìn)行沖抓，兩種工藝交替進(jìn)行，處理完Φ6.3 m擴(kuò)鉆時掉落在Φ3.5 m超前鉆井內(nèi)的鉆渣，再進(jìn)行Φ6.3 m擴(kuò)鉆。Φ6.3 m擴(kuò)鉆時，環(huán)狀破巖帶工作面上的大粒徑漂卵石掉落到超前鉆井內(nèi)，在擴(kuò)鉆接觸到超前鉆井內(nèi)的大粒徑漂卵石，鉆進(jìn)不能正常進(jìn)行時，用沖抓錐抓取，把鉆井內(nèi)影響回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝的大粒徑漂卵石全部抓除，再用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝完成Φ6.3 m、Φ8.3 m全部井段施工。圖2為應(yīng)用沖抓錐抓取漂卵石的情況。

圖2 應(yīng)用沖抓錐抓取漂卵石的情況

4.2.2 沖擊抓取過程中應(yīng)注意的問題

(1)沖抓錐自由落體加速沖擊的高度應(yīng)控制在2～3 m為宜，沖程過高，沖抓錐沖擊進(jìn)入漂卵石地層的深度增大，沖抓效果好。但由于井底高低不平，錐體質(zhì)量8 t，6個錐瓣不能同時接觸井底容易引起抓瓣變形受損。

(2)在提引沖抓錐內(nèi)繩完成抓土的過程中，應(yīng)點(diǎn)動慢速提升，使滑輪組增力機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)更好的沖抓效果。

(3)在卷揚(yáng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動溜放沖抓功能時，禁止沖抓錐未接觸井底制動卷揚(yáng)機(jī)。

5 結(jié)語

(1)應(yīng)用回轉(zhuǎn)與沖抓工藝相結(jié)合的方式，解決在Φ8.3 m、深度285 m深厚漂卵石地層進(jìn)行超大直徑鉆井施工中遇到的難題，取得良好的效果。

(2)應(yīng)用沖抓錐抓取大粒徑的漂卵石，在其他條件允許的情況下，可增大沖抓錐抓瓣打開時的直徑及抓斗容量，降低沖抓錐重心，避免沖抓錐沖擊進(jìn)入地層時錐體傾倒的可能性，提高抓取效率。

(3)采用機(jī)械式單繩自動脫掛的控制型式，在井底實(shí)現(xiàn)沖擊抓取動作后，無論抓取效果如何，也只能將沖抓錐提升至地表進(jìn)行脫掛重新打開抓瓣，如果采用液壓方式控制抓瓣的開閉，可在井底實(shí)現(xiàn)多次抓取，提高抓取的可靠性。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

［2］崔云龍.簡明建井手冊［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

［3］翁家杰.井巷特殊施工［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［4］楊宗仁，張寧，賀連杰，等.超大直徑工程井鉆井垂直度控制工藝技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(8):44－46.

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Study on Impact Grab Ultra Large Diameter Drilling in Deep Gravel Boulder Formation and the Application/

ZHANG Ning1，YANG Zong-ren1，YUAN Jie2，YANG Guang1，LIU Zhan-jun1(1.Hebei Jinhui Geo-engineering Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 050021，China;2.Hebei Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development，Shijiazhuang Hebei 050021，China)

The paper presented the application of cone grab in grabbing gravel footage and combining with rotary drilling technology for ultra drilling in bored shaft with diameter of 8.3m and depth of 285m，and introduced the parameter selection for grabbing equipment，grabbing process and the determination of technical parameter.

gravel boulder;ultra large diameter drilling;drilling construction;grabbing process

TD262.1+1

A

1672－7428(2011)11－0065－03

2010－09－14;

2011－10－15

張寧(1969－)，男(漢族)，內(nèi)蒙古赤峰人，河北金匯巖土工程有限公司總經(jīng)理、注冊建造師，巖土工程專業(yè)，從事巖土工程施工技術(shù)及管理工作，河北省石家莊市合作路328號;楊宗仁(1971－)，男(漢族)，內(nèi)蒙古赤峰人，河北金匯巖土工程有限公司注冊安全工程師、注冊建造師，巖土工程專業(yè)，從事大直徑工程井施工技術(shù)及管理工作，河北省石家莊市建華南大街68號(050031)，hbjkyzr@sina.com。