煤矿瓦斯大口径抽排井施工技术

袁志坚

(河南省煤田地质局,河南 450008)

煤矿瓦斯大口径抽排井施工技术

袁志坚

(河南省煤田地质局,河南 450008)

本文以丁集煤矿瓦斯抽排放井工程施工实例,介绍了大口径瓦斯抽排井钻孔结构设计依据、钻井工艺方法、设备机具配套、钻井技术参数、泥浆工艺、下管方法及固井工艺等,总结了其技术效果。

煤矿 瓦斯排放井 地层条件 技术要求 设备机具 钻井工艺

Abstract:The paper describes the criteria for design of the structure of large-diameter gas drainage boreholes,boring technology,matching of equipment and tools,well drilling technical parameters,mud technology,method for lowering pipes,cementation process,etc.by using gas drainage well construction project in Dingji coal mine as an example.It also summarizes the technical results of the project.

Keywords:Coal mine;gas drainage well;conditions of strata;technical requirements;equipment and tools;boring technology

丁集煤矿矿井设计生产能力5.0Mt/a。立井开拓,在中央工业施工场地内设有主、副、风井三个井筒。拟建瓦斯抽排井位于丁集煤矿矿井工业广场内,设计孔深851m,设计净直径630mm,地面标高+25m,其中表层土厚度约531.1m,基岩厚度约319.9m。

1 地层、技术要求、钻孔结构

1.1 地层

冲积层厚度490m,基岩段厚度361m。其中基岩风化带厚约30m;终孔层位于13-1煤层底板35m砂质泥岩中。

1.2 技术要求

护壁管下至稳定的未风化砂岩层位,规格为φ830mm×12mm双面螺旋焊接钢管141t,材质20号钢。工作管φ630mm×14mm无缝钢管186t,材质Q345B。工作管中心落点范围:4m×2m一个矩形范围内,终孔计算坐标与井管实际位置的误差≤0.8m。固管用42.5#硅酸盐水泥,水泥浆返至井口。工程交付时工作管内沉淀物小于1.5m,管口高出地面1.0m,工作管内无水淋滴。

1.3 钻孔结构

根据成井目的、井管规格以及固井等因素,本孔结构设计为:上段冲积层井径为φ1080mm,穿过基岩风化带孔深560m,下φ830mm护壁管,然后换φ780mm孔径至851m,下入φ630mm工作管。

2 主要设备及安装

2.1 主要设备

RPS3000型水井钻机;31m石油A型钻塔,承载1250kN;泥浆泵:3NB-1000型,TBW-850/50型2台;除砂器:JNs-1流量100m3/h;测斜仪:XQY一体化单点照像测斜仪;定向螺杆钻具:5LZ165-7Y型;动力电机:110KW,200KW;电焊机:3台。

2.2 设备安装

2.2.1 钻塔安装

A型钻塔采用地面整体安装,自行起放具有安装速度快,安全可靠。钻塔底盘整体周正、坚固,地基地梁形成整体。绷绳要采取加固措施,绷绳设紧绳器,地锚或地锚桩埋深大于2.0m。

2.2.2 钻机安装

钻机安装在底盘,要求螺栓垫片齐全紧固,周正水平,转盘中心、天车中心、井孔中心三点成一垂线,固紧螺母。

3 钻井工艺

根据地层情况和设备技术性能,采用先钻导向孔然后分段扩孔成井的工艺方法。冲积层段采用导向孔逐级扩孔,基岩层段一次扩孔。即冲积层段先用小径(φ215.9mm)在井孔中心钻进导向孔,随钻进监测导向孔孔斜,穿过基岩风化带孔斜符合要求后,二次分级扩孔达井深560m,井径φ1080mm,下入护壁管进行水泥固管。基岩段施工,用φ215.9mm钻头顺上段导向孔继续钻进到终孔,落点位置达到要求后,用φ380mm扩孔钻头一次扩至851m并超出设计9米作为沉砂段,然后用φ780mm组合牙轮扩孔钻头扩孔至851米,下入工作管固井。

3.1 钻具组合

3.1.1 导向孔钻具组合

φ215.9mm牙轮钻头+φ214mm扶正器+φ159mmNMDC 1根(9m)+φ214mm扶正器+φ159mmDC 5柱(93m)+φ140mmDP21柱+φ127mmDP+主动钻杆。

3.1.2 扩孔钻具组合

扩孔钻头+φ203mmDC2柱(36m)+φ159mmDC 5柱(112m)+φ140mmDP 21柱+φ127mmDP+主动钻杆。

3.2 钻头选择

导向孔用φ215.9mm三牙轮钻头。

冲积层扩孔使用 φ560mm三翼肋骨钻头,φ1080mm组合牙轮钻头。

基岩扩孔使用 φ380mm、φ780mm组合牙轮钻头。组合牙轮钻头用若干个球齿牙轮钻头的单掌组焊成。选用单掌时规格和新旧程度一致,排放高度、角度严密均匀,加焊挡板,防止牙轮脱落。

3.3 钻井技术参数选择

根据孔深、孔径和岩石物理性质选择钻井技术参数是保证提高钻进效率、钻进安全和防止孔斜的有效措施。

3.3.1 导向孔钻进冲积层和煤系地层软岩转速

64～103r/min,钻压:25～50K N;泵量:1800L/min。硬岩转速:45～64r/min,钻压:60～80K N,泵量:1600L/min。

3.3.2 扩孔钻进

冲积层:转速:33～45r/min,钻压:80～120kN,泵量:2400L/min。

基岩段:转速:33～45r/min;钻压:16～180kN;泵量:2400L/min。

3.4 防斜技术

防斜方法包括合理选用钻具和钻进技术参数,严格操作要求,牢牢把住孔斜三个关键环节:安装、开孔、换径。

3.4.1 把好开孔关

高垂直度钻孔的开孔相当的重要,前50m要轻压慢钻,压力500kg,钻速1档,钻井效率控制在1m/h,水泵全泵量。

3.4.2 控制好换层的操作

根据地层柱状图,在换层之前的1m开始控制进尺,速度降低60%～70%。观察井口岩屑情况,成功换层钻进1～2m后,可根据所钻的实际地层,采用相应的钻井参数。

3.4.3 采用合理的钻具组合

垂直度高的钻孔尽可能的采用满眼钻具组合,减小环空间隙,避免钻具在孔内的不稳定。但有的时候还要看钻孔的实际情况,若钻孔出现偏斜或顶角有向大的方向发展的迹象,要将钻具的组合进行调整。如果钻孔偏斜不大,可采用“钟摆”钻具进行适当的纠正。

3.4.4 钻井参数和地层相结合

钻井过程中,钻井参数是根据地层的变化在不断的调整。松软地层中钻进,钻压小,在25～50K N之间,转速64～103r/min,送绳速度要适当加快。若此时钻孔有小的偏斜,送绳速度要加以控制。较硬地层中钻进,钻压要在60～80K N之间,转速45～64r/min,并适当控制送绳速度。

3.4.5 精确测井

每口钻孔的施工,精确的测井是必不可少的重要环节。正常钻井中每30～50m进行一次测井,在钻孔出现异常或有异常的前兆时,对钻孔要加密测井次数,必要时每单根测井一次(即10m一次)。精确的测井数据是我们有效地控制钻孔的前进轨迹,从而达到钻孔的施工质量要求。

3.5 泥浆的选用与净化

施工瓦斯抽排孔,无论是冲积层还是基岩,都是无心钻进,有大量的砂粒、岩粉排出,因此,选择好泥浆类型,调整好其性能,方可保证钻进及成井安全。钻进选用聚丙烯酰胺低固相钻井液。选用的材料主要有:水解聚丙烯酰胺、CMC、钠土粉、纯碱、广谱护壁剂等。配制泥浆之前,膨润土要进行预水化浸泡处理,并充分搅拌。每班设一名泥浆管理员,随时监测调整泥浆性能,检修、维护泥浆净化装置,保证其正常运转,保证冲洗液各项性能指标符合要求。指标:粘度18～25S;pH值7～9;比重1.10～1.25;失水30L/30min;含砂<5%。

4 成井工艺

4.1 井管重量

4.2 下管前准备工作

检查管内、外径、弯曲度、管口水平度。寻求壁厚、圆度、管口、平面尺寸一致的井管,作为对接井管。

4.3 水泥浮力塞的制作及放置位置

浮力塞的制作有两种方法:一是钢板浮力塞,它抗压安全系数高,缺点是固井前要将钢板打穿并打捞上来,中间的打捞工作存在不安全因素。另一

φ830mm×12mm护壁管重243Kg/m,则G830+G浮塞=141t。φ630mm×14mm工作管重212kg/m,则G630+G浮塞=186t。种是水泥浮力塞,他的优点是固井前易钻穿且不用打捞,下钻头破掉即可,不存在安全方面的隐患。但是浮力塞在这么大的钻孔中它的抗压、抗剪切等安全系数又有多大?没有可利用的成功经验。综合各方意见,通过科学的计算,结合套管重量、钻机提升能力、浮力时套管空余的长度等综合在一起通过计算决定用水泥浮力塞。

选取5m长的φ830mm套管内壁用钢丝刷清理干净,在4m长的范围内加焊φ6mm的钢筋圈5道(还要考虑到下部钻进的口径为φ780mm,必须通过钻头),以增加水泥塞的剪切力和摩擦力。计算套管内容积、水泥灰比采用1.85,计算用42.5#干水泥4t,将套管竖起,将搅拌好的水泥浆注入套管内后侯凝,上面加清水养护七天后使用。

水泥浮板使用位置:在下管中浮板放置的位置相当的重要。水泥浮板的放置位置的原则是,在设备能力达到80%时将浮板安上,开始使用浮力。在下放中间可根据拉力表的显示及计算,及时向套管中灌注和孔内技术参数相同的泥浆。减少套管的空管段,减少套管的井内压差,保证套管的安全。但要尽可能的利用机械设备的提升能力及负载能力,它的前提是所有设备的负载要留10%～20%的安全空间,以防意外。

4.4 井管连接

护壁管、工作管均采用直接对焊。用管口对接扶正环扶正,保证管口合缝、同心,井管接缝两人同时焊接,焊条采用J507。按照下管作业流程,逐根检查对接,下部接缝焊牢,上部井管焊缝突出,确保焊缝密实、牢固,管外加焊加强筋,加强筋规格及数量执行技术设计。

4.5 下管提吊方法

本孔护壁管采用割孔穿杠钢绳牵引提吊的下管方法,即在管口上端0.4m处对称切割φ150mm圆孔。穿杠,用钢绳连接游车大钩,起吊井管。井管对接后抽出穿杠,将切下的圆板填入孔内,焊牢,然后在孔外补焊方板。

4.6 下管作业

护壁管的下管工作力求快速,因为本孔新地层段有高膨胀粘土层,孔径φ1080mm孔壁护壁困难,防止钻孔缩径,施工中除正确使用泥浆外,下管时尽量缩短时间,及时回灌原浆保证管内外压力平衡。

5 固管

5.1 固管设备

固井泵NB8-600型1台,最高工作压力12MPa,最大排量1850L/min。15m3搅拌机1台,TBW-850/50型泥浆泵2台,水泥浆混合器1套,40～70t灰罐车4辆。

5.2 固管方法

本孔两路井管均用孔底灌注水泥浆从孔壁与管壁之间的环状间隙返出井口的固管方法。

5.3 固管水泥量计算

水泥量:W1100mm=240t,V780mm=165t;水灰比采用0.6,水泥浆比重为1.75。

5.4 固管准备工作

建造15m3园形搅拌池,安装搅拌机。安装和维护固井泵,安装水泥浆混合器,确保清水足量。使用散装水泥,下灰安全可靠。

5.5 孔底注浆

下管作业结束,立即下钻具到距孔底10m,套管管口用钢板封闭。开泵冲孔,检查钢板封闭效果,有无漏水现象,稀浆循环120分钟替出孔内稠浆。泵水泥浆固管,待水泥浆从孔底经环状间隙返出井口后停泵。

5.6 固管后工作

泵浆结束后,将管口固定在护筒中心,保持管口、天轮、转盘中心在同一轴线上。水泥养护72小时。

6 技术效果

经开挖工作管中心落点在一个4m×2m一个矩形范围内,终孔沿巷道走向位移1.6m,各项指标符合技术要求。根据工程要求下入的φ630mm钢管内无水淋滴,固井效果较好。采取的先钻导向孔保直防斜措施及完善的纠斜技术得当,中靶精度较高。扩孔采用的三翼斜肋骨钻头和牙轮组合扩孔钻头逐级扩孔提高了成孔效率。下管采用设计性能可靠的水泥浮力塞效果较好。井管割孔穿杆,保证了下管安全。固管采用石油固井技术,达到了安全、优质高效。

[1] 肖义昭.钻井技术[M].北京:石油工业出版社,1991.

[2] 崔云龙.简明建井工程手册[M].北京:煤炭工业出版社,2003.

[3] 李云峰.陕北浅层石油定向井钻进工艺[J].探矿工程(岩土钻掘工程).2003(5).

Techniques for Construction of Large-Diameter Gas Drainage Well

Yuan Zhijian
(Henan Province Coal Field Geology Bureau,Henan 450008)

袁志坚,男,山西怀仁人,河南省煤田地质局勘查技术处副处长、高级工程师,探矿工程专业,从事煤田、石油、煤层气钻探工作。

(责任编辑 黄 岚)