郓城风井钻井法凿井快速施工分析.doc

1、 郓城风井钻井法凿井快速施工分析 蔡 鑫 （中煤矿山建设集团有限责任公司 钻井工程处） 摘 要 ： 通过郓城 风井钻井法凿井施工情况 介绍 ，对 加快施工 速度的各种因素进行 了认真地 分析，提 炼出 了 提高 钻 井法施工成井速度 应采取的 一些 措施 ，以供以后施工时参考 。 关键词 ： 钻井法凿井 钻进速度 竖井钻机 1 概况 郓城 煤矿为设计生产能力 2.4Mt/a的大型矿井。其中央风井采用钻井法凿井，由中煤 特殊凿井集团 公司采用 AS-9/500竖井钻机施工。井筒设计井深 921.9m， 钻井深度为 565.6m，设计 净径为 6.0m。 自2006年 1月 20日 正式开钻到 2

2、007年 5月8 日 完成充填固井，总施工工期 15.6 月，平均月成井 36.25m，偏斜率 0.154 ，有效圆直径 5.912m，井壁预制质量和壁后充填质量均达到或超过设计要求。 1.1 地质条件 中央风井所穿过的第四系冲积层厚533.39m，基岩厚 32.21m。冲积层主要由粘土、砂质粘土及砂组成。其中粘土层普遍较厚，粘性好，呈硬塑性，含钙质，遇水膨胀，自然造浆能力强，钻进时易泥包钻头和缩径。基岩段主要由砂岩和泥岩构成，上部风化严重。 1.2 钻井设计方案及钻进情况 原设计钻井方案为 1 级超前， 2 级扩孔。超前钻孔直径为 4.0m，第 1 级扩孔为 7.8m， 2 级扩孔为 9.0

3、m。当第 1 级超前孔 4.0m 完成后， 进行 7.8m 扩孔 钻进，但当钻至 324.24m 时进尺较为缓慢，且掏孔次数频繁，严重影响钻进速度，经研究改为 6. 1m 钻进。最后 用 9.0m钻头扩孔。该井自 2006 年 1 月 20 日 开钻至2007 年 3 月 17 日 钻进工作全部结束，总钻进时间 421 天 ，平均钻进速度为 40.3m/月。 2 影响 施工 速度的主要因素 在钻井法凿井施工过程中，钻进的速度是影响施工速度的主要因素： 2.1 科学合理的 钻进工艺 改进前 1 级超前 ， 2 级扩孔，其破岩面积分别是 12.56， 35.2 和 15.83m2； 改进后 2 级

4、扩孔 的 破岩面积 分别为 16.66和34.4m2。通过改进前后对比，我们只是调整了扩孔的破岩面积，但对钻井速度的影响却非常大。 就其原因分析，改进前，一级扩孔破岩面积为超前钻的 2.8 倍，钻碴在小孔内很快就填满了。而改进后，一级扩孔破岩面积仅为超前钻的 1.3 倍，二级扩孔破岩面积为前两级钻孔破岩面积的1.17 倍。由此可见，改进后的分级方案更科学合理。 因此，科学合理的钻进工艺是影响钻进速度的一个重要原因。 2.2 设备 AS-9/500竖井钻 机 使用的控制系统是改造后的由西门子公司生产的直流调速系统，实现了从模拟到全数字质的飞跃，可靠性大大提高了。 故障率 低 ，机械效率 高 ，维

5、修时间和辅助时间 少 加，从而 提高 了平均钻速。 除此之 外， 我们还对该钻机的水龙头、转盘，绞车进行了改造，加大了提升力和扭矩。 3 施工 中采取的措施 为 加快 施工 速度 ， 除按常规工艺施工外， 我们还采取了 一些改进措施 。 3.1 钻进施工措施： 3.1.1 钻井参数优化选择： （ 1） 、转速：一般控制钻头外沿切线速度为原则， 国际： 线 =0.671.83， m/s； 国内： 线 =0.91.308， m/s； 线极 =2.355， m/s。 转速计算按下式： Dn 线60 rpm/s； 其中， n 值计算如表 1 所示。 表 1 各级钻头转速计算表 高转速会对洗井、钻进有一

6、定好处，但是其巨大的转动惯量，一旦受阻，很易扭断钻杆。 （ 2） 、 钻压：钻压按下式计算： cos rRKqP , KN； 其中 K 刀刃重复系数，一般中硬岩取1.42.0；超前孔取 1.5；扩孔一取 2；扩孔二取 3。 式中： R r 钻井半径差， m； 井底角，超前钻头为平底， =0，cos =1；扩孔钻头 =15o， cos =0.9659； q 刀刃单位长度上的钻压值，对 =8 岩石， q=300 kg/cm。 钻压按泥浆中钻头重量的 60%计算 ， 见表 2。 表 2：钻压取值表 钻头 级别 钻头 直径 m 空气中重量 t 泥浆中重量 t 钻压值 KN 4.00 160 135.8

7、 815.0 6.10 150 127.5 765.0 9.0 150 127.5 765.0 特别是在 钻进软硬交接带时，钻压应再降 5060%，以保持垂直度。 3.1.2、洗井参数优化选择。 （ 1） 、洗井液（泥浆）流量： maxSVQ ， m3/h 最大破岩面积： S=0.7854 9.02=63.62， m2； 钻进最高速度： Vmax=0.9， m/ h； 携矸率：暂按 =4%计； Q=63.62 0.9/0.04=1431.35， m3/h。 钻头级别 钻头直径 最高转速 建议转速 4.00 11.15 6.16 6.10 6.33 3.5 9.0 5.17 2.86 岩屑上升临

8、界速度： drrKV 1111 ， cm/s； 式中 K1-系数， K1=3850，取 50； r1-岩石密度，取 2.6 ， g/cm3； r 泥浆密度，取 1.3 ， g/cm3； d 岩屑粒径， cm； 计算结果见表 3 。 表 3 岩屑上升临界速度 岩屑径 cm 临界速度 V1/ms 1 0.5 2 0.707 4 1 6 1.225 8 1.414 10 1.581 15 1.936 20 20236 40 3.162 钻杆内泥浆实际 上升速度。 36002 S QV ， m/s； 式中 : Q 泥浆循环量， Q=1337.6 m3/h； S 钻杆内截面积， S=0.7854 0.3

9、662=0.1052 m2 ；V2=1337.6/（ 0.1052 3600） =3.53 m/s。 V2 在举升岩屑直径 50cm 以内均允许。只是钻杆内径所限没有必要了。扬程低时，可适当少开压风机。 （ 2） 、 所需最大供风量： 600QVV 总， m3/min； Q=1337.6 m3； 风浆比： (正常钻进时 ) 1010lg23 010 rHrhKV， m3/m3； 式中 :K1 系数， K1=2.17+0.016 18.5=2.46； r 泥浆密度， r=1.3 g/cm3； h 扬程， h =18.5 m； H0 风管理深 100 Y PPH ， m； P 供风压力， MPa；

10、 P 管路损失， P=3 kg/cm2； H0=(15-3/1.3) 10=92.3 m； H 实 =13.5 kg/cm2； V0=2.46 1.3 18.5/23lg(1.3 13. 10+10)/10 =59.3073/29.1719=2.033 m3/m3； 总供风量： V 总 =1337。 6 2.033/60=45.32 m/min； (3)、 泥浆调控工艺 开孔钻进时，配制高粘土和适量化学药剂，防止塌孔。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。 降低含砂率，利用沉淀池靠重力作用沉降粒径较大的岩屑； 增加振动除砂装置，使泥浆保持良好的性能参数。 用旋流器排除较小

11、岩屑；进而用三聚磷酸钠絮凝沉降较细小岩屑及粉砂。 降低失水量：若泥浆粘度超过 24s，先加水稀释至 24 s 以下（失水量可能会升高，但泥皮已形成，不会造成太大危害）再加 CMC，把失水量降下来。 深井泥浆参数控制原则：以控制失水量、放宽密度值为手段，以形成孔壁内侧液柱压力大于孔壁外侧的液柱压力，泥浆密度值即 P1=1.3(Kg/cm3)实测地压值P2=1.1(Kg/cm3)。也大于井壁设计时采用的侧压值 P3=1.2(Kg/cm3)，所以井壁是安全的。 龙固矿井钻井泥浆护壁的成功经验，为郓城煤矿采用钻井法凿井提供了保证条件。但是，在借鉴经验的同时，还应积极试验与探索，不断创造与积累新的技术经

12、验，解决好钻井 泥浆遇到的新问题。 3.1.3 防偏措施 每级钻头在钻进前均保证其自由状态下对准转盘中心，其偏差控制在 5mm 以内。各级钻孔所使用的钻压均小于钻头在泥浆中重量的 60%。在各地层交接带和风化带钻进时，钻压在原有的基础上再适当减小5-10T。采用 SKD型超声波测井仪，对各级钻孔的垂直度和井径进行及时的测量，以便及时采取纠偏措施，并绘制钻孔偏斜图和有效断面图。 3.1.4 钻孔缩径防治措施 在钻进通过膨胀地层时，因这些地层遇水后体积要膨胀，极易使钻孔产生缩径，导致钻具无法起升，为防止此事故发生，我们采取以下措施： (1)、 调制优质的泥浆进行护壁。 （ 2） 根据地层膨胀状况，

13、我们定期起钻检查，以防因钻孔缩径卡住钻头。 （ 3） 布置两把反向刀具，一旦出现缩径卡钻时，可用反向刀具切削缩径面。 3.1.5 泥包钻头防治措施 （ 1）、 改进钻头结构，优化刀具布置方式。 （ 2）、 在粘土层钻进时，适当控制钻压，提高转速，减少进给速度。 （ 3）、 尽量加大泥浆的冲洗量 。 （ 4）、 每次下钻时钻头在距井底 1.01.5m 时进行扫孔后缓慢进入工作面。 3.2 井壁施工措施： 在井壁施工中，我们为加快施工速度，主要采取了以下几项措施： 3.2.1 采 用钢制组合模板，加快了模板安装速度，提高了井壁的外观质量。 3.2.2 采用泵送混凝土，加快了井壁预制速度，减轻了工人

14、的劳动强度。 3.2.3 安装三台门吊，其中两台用于井壁施工，一台 80t 门吊专门用于井壁 法兰盘和钢板筒加工 ， 一台 200t 门吊专门用于井壁施工，这样 减少了与钻井交叉作业的时间 ，提高了井壁施工速度 。 3.2.4 为确保井壁制作不受混凝土冬季施工技术的影响，我们制作了养护井壁用的保温罩，并安装了蒸汽锅炉用于养护井壁及加热混凝土拌合水。在冬季成功地进行了高标号井壁制作，确保了井壁预制质量和整个钻井工 期。 3.2.5 在预制井壁施工中采用了混凝土搅拌站及混凝土输送泵施工工艺，大大缩短了井壁制作时间，节约了人力和材料，同时电脑控制计量使混凝土质量得到了保证。 3.2.6 预制井壁的混

15、凝土采用高性能混凝土配合比设计。高性能混凝土是在普通混凝土的传统组分中掺入化学外加剂及矿物外加剂用常规的混凝土生产工艺配制的。它具用低水胶比，新拌混凝土具用良好的流变特性，不离析，不泌水的特点。在硬化过程中体积稳定，水化热少，温升低，冷却时温度收缩及干燥收缩小。高性能混凝土具用结构致密，抗渗性、抗动融、抗炭化及化学侵蚀能力好的特点 。 3.2.7 以前预制井壁时，经常出现由于外模下部跑浆，致使某些井壁下部出现麻面，俗称“烂根”，影响井壁外观质量。采取先浇肥浆铺底的措施，彻底根除了此现象。 3.3 下沉井壁和壁后充填施工措施： 3.3.1 下沉井壁期间，我们采用了井壁专用吊具，减少了辅助作业时间

16、，提高了工效。 3.3.2 壁后充填采用 10 个 100t 散装水泥罐，并配以螺旋输送器，减轻了工人的劳动强度，提高了工效。 3.3.3 我们改进了内注浆管安装工艺，使逆止阀的能正常开启，保证了注浆的质量。 3.4 其他措施： 郓城风井快速施工，除了上述 技 术 措施以外，还和项目部的精心组织，科学合理地安排分不开。 4 结 论 郓城风井钻井法凿井施工通过项目部的精心组织和科学地安排施工，并采取了了各种行之有效的技术措施，不仅 提高钻进速度 ，而且大幅提高了成井速度，为以后钻进法凿井快速施工提供了参考。安徽省淮北市东山路 131 号钻井工程处 13856182720 zmtscaix163,com