大口径煤矿应用井施工技术难点及应对措施

王 英,刘炳志,杜庆军

(山东省煤田地质局第三勘探队,山东泰安 271000)

大口径煤矿应用井施工技术难点及应对措施

王 英,刘炳志,杜庆军

(山东省煤田地质局第三勘探队,山东泰安 271000)

结合山东省龙固矿井煤矿应用井施工工程实际,阐述了在巨厚表土层中,无表层套管施工的优点及施工难度,并提出了应对措施:通过塔式钻具防斜、陀螺仪测斜、螺杆钻纠斜、优质泥浆护壁、浮力器平衡套管重力、气动扳手减轻工人劳动强度等措施,提前完成了2口井的施工。同时,由于无表层套管,大大降低了施工成本,节约了施工时间。

大口径井;无表层套管;施工难点;应对措施

为解决矿井排水问题,保障安全生产,越来越多的矿井采用施工直排孔抽排矿井水的方式,从而达到安全生产的目的。2009年,我单位在龙固矿井两主井井筒之间施工了2口直排井,专门用于抽排矿井水,2口井终孔深度854 m,表土层厚度(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,要求靶域半径≤1 m。该工程表土层厚,垂直度要求高,施工工期紧,为节约时间和施工成本,我单位精心组织施工,实现了无表层套管施工,既节省了时间,又保证了质量,受到了业主的好评。

1 主要地质条件

(1)第四系:地层厚度158.45 m,主要由粘土、砂质粘土、粘土质砂及粉细砂层组成,属冲积河湖相沉积,不整合于下伏地层之上。

(2)上第三系:地层厚度385.55 m,主要由厚层粘土夹砂质粘土、粘土质砂及砂层组成,与下伏基岩呈不整合接触。

(3)二叠系:

①上石盒子组:残存厚度123.18 m,主要由杂色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、砂岩及铝质泥岩组成,本组地层上部由于砂岩裂隙发育,泥岩易风化崩解,在钻孔施工中常出现钻孔坍塌和掉块;

②下石盒子组:地层厚度55.32 m,主要由粉砂岩、泥岩组成。泥岩浅灰色,均匀层理,泥质结构,质松软,风化易碎;

③山西组:地层厚度56.05 m,主要由粉砂岩、砂岩、煤层组成。

(4)石炭系:钻孔将揭露石炭系上统太原组的部分地层,揭露厚度为71.45 m,由泥岩、粉砂岩、砂岩及石灰岩等组成,属海陆交互相沉积。

2 主要技术要求

(1)设计孔深:852 m,为便于沉淀岩粉,实际孔深达到854 m;

(2)钻孔结构:表土段孔径500 mm,基岩段孔径450 mm,全孔下“377 mm无缝焊接钢质套管,要求套管厚度基岩段不小于22 mm,表土层段不小于16 mm;

(3)钻孔垂直度:钻孔垂直度按靶域控制,要求靶域半径≤1 m;

(4)固井要求:水泥浆固井,固至井口,环状间隙中水泥浆分布均匀;水泥浆凝固48 h做试压试验,确保套管无渗漏。

3 主要技术难点

(1)为节约施工时间,缩短施工工期,应该首选不下表层套管施工,但表土层中含大量粘土、砂质粘土、粘土质砂、粉砂等水敏性地层,施工中极易造成孔壁失稳,因此,如何实现无表层套管施工将是要面临的技术难题;

(2)防斜问题:本工程地层倾角为5°～10°,且有些层断近垂直裂隙发育,易出现孔斜,而直排孔对垂直度要求相对较高,要求靶域半径控制在1 m以内,如何控斜和纠斜,也将是施工中要解决的难题;

(3)钻探施工完成后,下入套管时,套管质量达150 t,如何提高钻塔的承重能力,并将套管安全下入,也是必须解决的问题;

(4)850余米套管下入孔内,按下放一根套管需要50 min算,需要将近3天的时间,这对人的体力是一个极大的消耗,如何能减轻工人的劳动强度,也需要解决。

因此,根据整个施工过程中要遇到的技术难点问题,专门制订了实施方案,顺利完成了本工程的施工。

4 设备投入

为满足直排钻孔安全、快速施工的需要,本工程投入的主要设备有:24.5 m四角钻塔各2部,TSJ-2000A型钻机2台,BW 630/3型排浆泵1台,TBW 850/5及TBW1200/7型泥浆泵各2台,旋流除砂器2台。钻具采用“89 mm钻杆,“159 mm及“203 mm钻铤,“216 mm无心钻头及“450 mm、“500 mm组合钻头。

5 施工难点应对措施

5.1 钻孔施工的防斜与纠斜

为便于孔斜控制和孔壁维护,钻孔分2次进行施工,即先施工先导孔,在此基础上进行扩孔,全孔下“377 mm×(16～22)mm套管并注浆固管。

5.1.1 开孔防斜

开孔是保证钻孔垂直度的关键工序,因此要把好开孔关。为保证开孔垂直度,开孔前要把钻塔、钻机设备严格找平、找中和校正(用水平尺),天轮、游动滑车、孔口中心三点要保持在一条直线上(三点一线)。要确保立轴的垂直度,不得使用弯曲变形的立轴(主动钻具)。要合理掌握转速和钻压。开孔时速度和压力要保持均匀。

5.1.2 塔式钻具和满眼钻具防斜

为防止钻孔偏斜,施工中采用了塔式钻具,提吊式打法,钻进过程中完全靠钻铤加压,钻进压力控制在钻铤重力的70%左右。

表土层钻具组合:“216 mm牙轮钻头(铣齿)+“159 mm钻铤+“121 mm钻铤+“89 mm钻杆;

基岩段钻具组合:“216 mm牙轮钻头(镶齿)或复合片钻头+“159 mm钻铤+“121 mm钻铤+“89 mm钻杆;另外,为增加钻具的刚性,尽量减少孔内钻具的弯曲,施工中采用3个与钻头直径相近的扶正器安装在合适的位置,保持钻具在孔内居中,尽量限制由钻具弯曲而产生的增斜力。

5.1.3 钻进过程中的防斜

在钻进过程中,根据地层合理地配置了钻进参数,同时,尽量使压力、泵量、转速保持均匀,在地层变换时,选择较低泵量、转速和压力,待钻至一定深度时再采用正常参数,以防止因在地层变化时,由钻进参数配置不当而造成的孔斜。

5.1.4 钻孔的纠斜

为控制钻孔偏斜,在施工中,每钻进30～50 m测斜一次,发现孔斜有超限趋势及时使用螺杆钻进行纠偏并加密测斜次数,从而使钻孔在较少纠偏的情况下达到较高的垂直度。在两孔施工中,1号孔全孔仅在孔深690 m处进行了一次纠偏,其最大偏距0.746 m(孔深750 m);2号孔全孔共进行了6次纠偏,分别在孔深357、398、427、458、534、790 m处,其最大偏距0.899 m(孔深854 m)。两钻孔偏距均满足设计靶域≤1 m的要求。

5.2 泥浆与孔壁维护

泥浆的配制与管理既影响钻孔质量,又影响钻效和孔内安全。在施工中,表土层厚度达500多米,经常遇到水敏性粘土、砂质粘土、粘土质砂、粉砂等地层,易造成缩径、超经、坍塌等孔内复杂情况,本孔施工时间长,且不下表层套管,对孔壁的扰动性大,因此,采用优质的泥浆维护孔壁的稳定相当重要。施工中,结合该地区的地层特征,采用清水+膨润土+Na2CO3+LG植物胶+CMC配制泥浆,根据地层情况及时调整泥浆性能参数;同时使用除砂器除砂,尽量降低泥浆中的含砂量,提高泥浆的质量,从而提高泥浆的携砂能力,在第三系钻进时,还加放了部分水解的聚丙烯酰胺作絮凝剂,以加速岩粉的沉淀。在先导孔施工使用的泥浆,其漏斗粘度控制在18～21 s,密度1.02～1.08 g/cm3,pH值为8。

5.3 下套管措施

5.3.1 套管准备

甲方供应的套管到工地后,组织电气焊人员到现场处理套管头,套管头用气焊打斜以增加套管头的接触面,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,清除氧化铁。

5.3.2 焊接肋骨片

在套管一头焊接4片起扶正、提引作用的肋骨片,肋骨位置距套管上头300 mm。要求肋骨焊接强度高,能够承受套管卡子的提拉负荷。提引最大重力400 kN。

5.3.3 套管卡子及螺栓

套管卡子按照技术要求加工,外部采用30 mm厚度铸钢材料制成,内部与套管接触面采用木料,以增加卡子与套管间的摩擦力,卡子挂绳缺口处要设一定的圆弧,减少对钢丝绳的破坏。套管卡子螺栓、螺母,要求使用合金钢制作,螺母必须使用加厚螺母。

5.3.4 钻塔加固

为提高钻塔的承载能力,钻塔腿用“89 mm钻杆加固,加固钻杆长度必须高出钻塔锁扣铁。加固钻杆要保证外平,加固钻杆接口处必须使用U形卡。在钻塔天梁处增加两条工字钢,分担钻塔锁口铁负荷。钻塔加固时,同时对钻塔螺栓进行检查紧固。

5.3.5 下套管工具

为减轻工人的劳动强度,提高工作效率,同时使螺栓紧固力均匀一致,下套管时使用气动扳手紧固螺栓,要求气动扳手最小扭矩≮1600 N·m。空气压风机供气量及压力根据气动扳手要求配置。增加链钳,36、48管钳各一把。同时使用75 t电动液压千斤顶,电动油泵及油缸,修好后,在出厂前要试车,确保能够使用并达到最大顶力。

5.3.6 平衡套管重力

施工中,单井套管总质量达150 t,即便对钻塔进行了加固,同时使用千斤顶分担部分套管重力,钻塔也难以承受如此重力的套管,因此,为平衡套管的重力,采用了提高套管在井底所受浮力的方法,即:在最下部一截套管顶端焊接浮力器,浮力器采用逆止球阀原理,与管壁焊接处要求要结实牢固,能承受巨大的浮力而不损坏。最下部的一根套管底端用铁板焊封,距套管底部每0.5 m留1组出浆孔,共3组,每组4个,用于注浆时浆液向管外排出;下套管时靠排出套管的泥浆浮力减轻钢丝绳承载的套管重力。套管下放过程中重力、浮力以及钻塔的提吊力估算见表1。

表1 套管下放过程中重力、浮力以及钻塔的提吊力估算表

从表1可以看出,随着套管下入深度的增加,在被泥浆浮力平衡掉一部分套管重力后,其钻塔所承受的拉力越来越大,最大仍可达600 kN左右,这对钻塔的承重能力是一个考验。

经过采取以上几种措施后,本工程在历时4个月后,顺利完工,受到了业主的好评。由于未下表层套管,节省了扩孔钻进时间、扩孔钻头的费用、表层套管的费用、水泥浇灌的费用以及水泥候凝的时间,粗略估计单孔可节约成本50余万元,从而提高了利润空间,也提高了市场竞争力,为我单位在今后的大口径井的施工积累了宝贵的经验。

6 结语

在市场竞争日趋激烈的今天,如何提高生产效率,节约生产成本,保证施工质量,将是能否在市场站稳脚跟的关键,本文通过孔壁维护、防斜纠斜、加固钻塔、气动扳手减轻工人劳动强度、靠浮力抵减套管重力等一系列措施,实现了本工程的顺利竣工,为大口径井的施工提供了一条新思路。

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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(汉族),河北饶阳人,山东省煤田地质局第三勘探队工程师,探矿工程专业,从事煤田地质勘探、桩基工程、地面预注浆工程以及地热、煤层气井施工方面的钻探技术工作,山东省泰安市泰山大街869号,wwj1491@163.com。