袁志堅

(河南省煤田地質(zhì)局,河南 450008)

煤礦瓦斯大口徑抽排井施工技術

袁志堅

(河南省煤田地質(zhì)局,河南 450008)

本文以丁集煤礦瓦斯抽排放井工程施工實例,介紹了大口徑瓦斯抽排井鉆孔結構設計依據(jù)、鉆井工藝方法、設備機具配套、鉆井技術參數(shù)、泥漿工藝、下管方法及固井工藝等,總結了其技術效果。

煤礦 瓦斯排放井 地層條件 技術要求 設備機具 鉆井工藝

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

丁集煤礦礦井設計生產(chǎn)能力5.0Mt/a。立井開拓,在中央工業(yè)施工場地內(nèi)設有主、副、風井三個井筒。擬建瓦斯抽排井位于丁集煤礦礦井工業(yè)廣場內(nèi),設計孔深851m,設計凈直徑630mm,地面標高+25m,其中表層土厚度約531.1m,基巖厚度約319.9m。

1 地層、技術要求、鉆孔結構

1.1 地層

沖積層厚度490m,基巖段厚度361m。其中基巖風化帶厚約30m;終孔層位于13-1煤層底板35m砂質(zhì)泥巖中。

1.2 技術要求

護壁管下至穩(wěn)定的未風化砂巖層位,規(guī)格為φ830mm×12mm雙面螺旋焊接鋼管141t,材質(zhì)20號鋼。工作管φ630mm×14mm無縫鋼管186t,材質(zhì)Q345B。工作管中心落點范圍:4m×2m一個矩形范圍內(nèi),終孔計算坐標與井管實際位置的誤差≤0.8m。固管用42.5#硅酸鹽水泥,水泥漿返至井口。工程交付時工作管內(nèi)沉淀物小于1.5m,管口高出地面1.0m,工作管內(nèi)無水淋滴。

1.3 鉆孔結構

根據(jù)成井目的、井管規(guī)格以及固井等因素,本孔結構設計為:上段沖積層井徑為φ1080mm,穿過基巖風化帶孔深560m,下φ830mm護壁管,然后換φ780mm孔徑至851m,下入φ630mm工作管。

2 主要設備及安裝

2.1 主要設備

RPS3000型水井鉆機;31m石油A型鉆塔,承載1250kN;泥漿泵:3NB-1000型,TBW-850/50型2臺;除砂器:JNs-1流量100m3/h;測斜儀:XQY一體化單點照像測斜儀;定向螺桿鉆具:5LZ165-7Y型;動力電機:110KW,200KW;電焊機:3臺。

2.2 設備安裝

2.2.1 鉆塔安裝

A型鉆塔采用地面整體安裝,自行起放具有安裝速度快,安全可靠。鉆塔底盤整體周正、堅固,地基地梁形成整體?？嚴K要采取加固措施,繃繩設緊繩器,地錨或地錨樁埋深大于2.0m。

2.2.2 鉆機安裝

鉆機安裝在底盤,要求螺栓墊片齊全緊固,周正水平,轉(zhuǎn)盤中心、天車中心、井孔中心三點成一垂線,固緊螺母。

3 鉆井工藝

根據(jù)地層情況和設備技術性能,采用先鉆導向孔然后分段擴孔成井的工藝方法。沖積層段采用導向孔逐級擴孔,基巖層段一次擴孔。即沖積層段先用小徑(φ215.9mm)在井孔中心鉆進導向孔,隨鉆進監(jiān)測導向孔孔斜,穿過基巖風化帶孔斜符合要求后,二次分級擴孔達井深560m,井徑φ1080mm,下入護壁管進行水泥固管。基巖段施工,用φ215.9mm鉆頭順上段導向孔繼續(xù)鉆進到終孔,落點位置達到要求后,用φ380mm擴孔鉆頭一次擴至851m并超出設計9米作為沉砂段,然后用φ780mm組合牙輪擴孔鉆頭擴孔至851米,下入工作管固井。

3.1 鉆具組合

3.1.1 導向孔鉆具組合

φ215.9mm牙輪鉆頭+φ214mm扶正器+φ159mmNMDC 1根(9m)+φ214mm扶正器+φ159mmDC 5柱(93m)+φ140mmDP21柱+φ127mmDP+主動鉆桿。

3.1.2 擴孔鉆具組合

擴孔鉆頭+φ203mmDC2柱(36m)+φ159mmDC 5柱(112m)+φ140mmDP 21柱+φ127mmDP+主動鉆桿。

3.2 鉆頭選擇

導向孔用φ215.9mm三牙輪鉆頭。

沖積層擴孔使用 φ560mm三翼肋骨鉆頭,φ1080mm組合牙輪鉆頭。

基巖擴孔使用 φ380mm、φ780mm組合牙輪鉆頭。組合牙輪鉆頭用若干個球齒牙輪鉆頭的單掌組焊成。選用單掌時規(guī)格和新舊程度一致,排放高度、角度嚴密均勻,加焊擋板,防止牙輪脫落。

3.3 鉆井技術參數(shù)選擇

根據(jù)孔深、孔徑和巖石物理性質(zhì)選擇鉆井技術參數(shù)是保證提高鉆進效率、鉆進安全和防止孔斜的有效措施。

3.3.1 導向孔鉆進沖積層和煤系地層軟巖轉(zhuǎn)速

64～103r/min,鉆壓:25～50K N;泵量:1800L/min。硬巖轉(zhuǎn)速:45～64r/min,鉆壓:60～80K N,泵量:1600L/min。

3.3.2 擴孔鉆進

沖積層:轉(zhuǎn)速:33～45r/min,鉆壓:80～120kN,泵量:2400L/min。

基巖段:轉(zhuǎn)速:33～45r/min;鉆壓:16～180kN;泵量:2400L/min。

3.4 防斜技術

防斜方法包括合理選用鉆具和鉆進技術參數(shù),嚴格操作要求,牢牢把住孔斜三個關鍵環(huán)節(jié):安裝、開孔、換徑。

3.4.1 把好開孔關

高垂直度鉆孔的開孔相當?shù)闹匾?前50m要輕壓慢鉆,壓力500kg,鉆速1檔,鉆井效率控制在1m/h,水泵全泵量。

3.4.2 控制好換層的操作

根據(jù)地層柱狀圖,在換層之前的1m開始控制進尺,速度降低60%～70%。觀察井口巖屑情況,成功換層鉆進1～2m后,可根據(jù)所鉆的實際地層,采用相應的鉆井參數(shù)。

3.4.3 采用合理的鉆具組合

垂直度高的鉆孔盡可能的采用滿眼鉆具組合,減小環(huán)空間隙,避免鉆具在孔內(nèi)的不穩(wěn)定。但有的時候還要看鉆孔的實際情況,若鉆孔出現(xiàn)偏斜或頂角有向大的方向發(fā)展的跡象,要將鉆具的組合進行調(diào)整。如果鉆孔偏斜不大,可采用“鐘擺”鉆具進行適當?shù)募m正。

3.4.4 鉆井參數(shù)和地層相結合

鉆井過程中,鉆井參數(shù)是根據(jù)地層的變化在不斷的調(diào)整。松軟地層中鉆進,鉆壓小,在25～50K N之間,轉(zhuǎn)速64～103r/min,送繩速度要適當加快。若此時鉆孔有小的偏斜,送繩速度要加以控制。較硬地層中鉆進,鉆壓要在60～80K N之間,轉(zhuǎn)速45～64r/min,并適當控制送繩速度。

3.4.5 精確測井

每口鉆孔的施工,精確的測井是必不可少的重要環(huán)節(jié)。正常鉆井中每30～50m進行一次測井,在鉆孔出現(xiàn)異?；蛴挟惓５那罢讜r,對鉆孔要加密測井次數(shù),必要時每單根測井一次(即10m一次)。精確的測井數(shù)據(jù)是我們有效地控制鉆孔的前進軌跡,從而達到鉆孔的施工質(zhì)量要求。

3.5 泥漿的選用與凈化

施工瓦斯抽排孔,無論是沖積層還是基巖,都是無心鉆進,有大量的砂粒、巖粉排出,因此,選擇好泥漿類型,調(diào)整好其性能,方可保證鉆進及成井安全。鉆進選用聚丙烯酰胺低固相鉆井液。選用的材料主要有:水解聚丙烯酰胺、CMC、鈉土粉、純堿、廣譜護壁劑等。配制泥漿之前,膨潤土要進行預水化浸泡處理,并充分攪拌。每班設一名泥漿管理員,隨時監(jiān)測調(diào)整泥漿性能,檢修、維護泥漿凈化裝置,保證其正常運轉(zhuǎn),保證沖洗液各項性能指標符合要求。指標:粘度18～25S;pH值7～9;比重1.10～1.25;失水30L/30min;含砂<5%。

4 成井工藝

4.1 井管重量

4.2 下管前準備工作

檢查管內(nèi)、外徑、彎曲度、管口水平度。尋求壁厚、圓度、管口、平面尺寸一致的井管,作為對接井管。

4.3 水泥浮力塞的制作及放置位置

浮力塞的制作有兩種方法:一是鋼板浮力塞,它抗壓安全系數(shù)高,缺點是固井前要將鋼板打穿并打撈上來,中間的打撈工作存在不安全因素。另一

φ830mm×12mm護壁管重243Kg/m,則G830+G浮塞=141t。φ630mm×14mm工作管重212kg/m,則G630+G浮塞=186t。種是水泥浮力塞,他的優(yōu)點是固井前易鉆穿且不用打撈,下鉆頭破掉即可,不存在安全方面的隱患。但是浮力塞在這么大的鉆孔中它的抗壓、抗剪切等安全系數(shù)又有多大?沒有可利用的成功經(jīng)驗。綜合各方意見,通過科學的計算,結合套管重量、鉆機提升能力、浮力時套管空余的長度等綜合在一起通過計算決定用水泥浮力塞。

選取5m長的φ830mm套管內(nèi)壁用鋼絲刷清理干凈,在4m長的范圍內(nèi)加焊φ6mm的鋼筋圈5道(還要考慮到下部鉆進的口徑為φ780mm,必須通過鉆頭),以增加水泥塞的剪切力和摩擦力。計算套管內(nèi)容積、水泥灰比采用1.85,計算用42.5#干水泥4t,將套管豎起,將攪拌好的水泥漿注入套管內(nèi)后侯凝,上面加清水養(yǎng)護七天后使用。

水泥浮板使用位置:在下管中浮板放置的位置相當?shù)闹匾?。水泥浮板的放置位置的原則是,在設備能力達到80%時將浮板安上,開始使用浮力。在下放中間可根據(jù)拉力表的顯示及計算,及時向套管中灌注和孔內(nèi)技術參數(shù)相同的泥漿。減少套管的空管段,減少套管的井內(nèi)壓差,保證套管的安全。但要盡可能的利用機械設備的提升能力及負載能力,它的前提是所有設備的負載要留10%～20%的安全空間,以防意外。

4.4 井管連接

護壁管、工作管均采用直接對焊。用管口對接扶正環(huán)扶正,保證管口合縫、同心,井管接縫兩人同時焊接,焊條采用J507。按照下管作業(yè)流程,逐根檢查對接,下部接縫焊牢,上部井管焊縫突出,確保焊縫密實、牢固,管外加焊加強筋,加強筋規(guī)格及數(shù)量執(zhí)行技術設計。

4.5 下管提吊方法

本孔護壁管采用割孔穿杠鋼繩牽引提吊的下管方法,即在管口上端0.4m處對稱切割φ150mm圓孔。穿杠,用鋼繩連接游車大鉤,起吊井管。井管對接后抽出穿杠,將切下的圓板填入孔內(nèi),焊牢,然后在孔外補焊方板。

4.6 下管作業(yè)

護壁管的下管工作力求快速,因為本孔新地層段有高膨脹粘土層,孔徑φ1080mm孔壁護壁困難,防止鉆孔縮徑,施工中除正確使用泥漿外,下管時盡量縮短時間,及時回灌原漿保證管內(nèi)外壓力平衡。

5 固管

5.1 固管設備

固井泵NB8-600型1臺,最高工作壓力12MPa,最大排量1850L/min。15m3攪拌機1臺,TBW-850/50型泥漿泵2臺,水泥漿混合器1套,40～70t灰罐車4輛。

5.2 固管方法

本孔兩路井管均用孔底灌注水泥漿從孔壁與管壁之間的環(huán)狀間隙返出井口的固管方法。

5.3 固管水泥量計算

水泥量:W1100mm=240t,V780mm=165t;水灰比采用0.6,水泥漿比重為1.75。

5.4 固管準備工作

建造15m3園形攪拌池,安裝攪拌機。安裝和維護固井泵,安裝水泥漿混合器,確保清水足量。使用散裝水泥,下灰安全可靠。

5.5 孔底注漿

下管作業(yè)結束,立即下鉆具到距孔底10m,套管管口用鋼板封閉。開泵沖孔,檢查鋼板封閉效果,有無漏水現(xiàn)象,稀漿循環(huán)120分鐘替出孔內(nèi)稠漿。泵水泥漿固管,待水泥漿從孔底經(jīng)環(huán)狀間隙返出井口后停泵。

5.6 固管后工作

泵漿結束后,將管口固定在護筒中心,保持管口、天輪、轉(zhuǎn)盤中心在同一軸線上。水泥養(yǎng)護72小時。

6 技術效果

經(jīng)開挖工作管中心落點在一個4m×2m一個矩形范圍內(nèi),終孔沿巷道走向位移1.6m,各項指標符合技術要求。根據(jù)工程要求下入的φ630mm鋼管內(nèi)無水淋滴,固井效果較好。采取的先鉆導向孔保直防斜措施及完善的糾斜技術得當,中靶精度較高。擴孔采用的三翼斜肋骨鉆頭和牙輪組合擴孔鉆頭逐級擴孔提高了成孔效率。下管采用設計性能可靠的水泥浮力塞效果較好。井管割孔穿桿,保證了下管安全。固管采用石油固井技術,達到了安全、優(yōu)質(zhì)高效。

[1] 肖義昭.鉆井技術[M].北京:石油工業(yè)出版社,1991.

[2] 崔云龍.簡明建井工程手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.

[3] 李云峰.陜北淺層石油定向井鉆進工藝[J].探礦工程(巖土鉆掘工程).2003(5).

Techniques for Construction of Large-Diameter Gas Drainage Well

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

袁志堅,男,山西懷仁人,河南省煤田地質(zhì)局勘查技術處副處長、高級工程師,探礦工程專業(yè),從事煤田、石油、煤層氣鉆探工作。

(責任編輯 黃 嵐)