張子彬

（安徽煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

泊江海子凍結(jié)造孔施工工藝技術(shù)

張子彬

（安徽煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

結(jié)合泊江海子的地質(zhì)情況和技術(shù)要求，從凍結(jié)造孔施工技術(shù)入手，對其相關(guān)的施工工藝進(jìn)行了探討，提出在施工過程中根據(jù)不同的巖層段的巖性變化，選擇不同的鉆進(jìn)參數(shù)和鉆孔的糾偏措施，合理調(diào)配鉆具級配、泥漿參數(shù)，保證開孔和鉆孔的垂直度，同時應(yīng)做好施工管理才能保證鉆孔的高質(zhì)量完成，從而縮短凍結(jié)時間，使礦井早日建成投產(chǎn)。

凍結(jié)造孔；參數(shù)；糾偏

泊江海子井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市塔然高勒礦區(qū)的最南部，行政區(qū)劃屬鄂爾多斯市東勝區(qū)管轄。礦井工業(yè)廣場布置在泊江海子鎮(zhèn)北部，距109國道2.5km處，距烏蒙公路30m，交通方便。泊江海子鎮(zhèn)西至烏海市305km，與包蘭鐵路相通；東至鄂爾多斯市東勝區(qū)55km。主要的鐵路和公路均在東勝區(qū)交匯。泊江海子礦設(shè)計采用立井開拓，在井田工廣范圍內(nèi)布置主、副、風(fēng)井，采用凍結(jié)法施工。由安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)施工了這三個井筒的凍結(jié)鉆施工。其具體參數(shù)見表1：

表1 鉆孔布置參數(shù)表

（一）主要技術(shù)及鉆孔施工要求

1.質(zhì)量要求：

（1）孔位標(biāo)定：實(shí)際開孔孔位與設(shè)計孔位偏差不大于20mm。

（2）鉆孔測斜：所有鉆孔鉆進(jìn)時每隔 30m～40m測斜一次，易偏地層應(yīng)加密測斜點(diǎn)，即將超出要求及時糾偏。

（3）鉆孔偏斜要求：

1）偏斜率≤2.5‰。

2）終孔最大孔間距：200米以上小于≤2.15m，200m到300米小于≤2.45m，300m到400米小于≤2.65m ，400m到556米小于≤3.15m。

3）徑向內(nèi)偏≤0.4m。

2.鉆孔施工要求

（1）凍結(jié)管下入鉆孔后，及時進(jìn)行動壓試漏，試驗(yàn)壓力為 5.6MPa，試壓 30min，壓力下降不超過 0.05MPa，再延續(xù)15min壓力不變?yōu)楹细瘛?/p>

（2）水文孔按照設(shè)計要求下好水文管后，及時用鉆桿壓入清水沖洗水管，直至管外返清水，以保證水文觀測孔的質(zhì)量和觀測效果。

（3）測溫孔下管時不得灌水，保證不漏水。

（4）測溫管、水文管采用外接箍焊接，凍結(jié)管采用內(nèi)接箍對焊。

（5）鉆進(jìn)過程中每個孔均要進(jìn)行監(jiān)測，凍結(jié)管深度用經(jīng)過比長的測繩直接在凍結(jié)管中量測。測斜以JDT-5A型及其以上的陀螺測斜儀資料為準(zhǔn)。

（二）施工設(shè)備及配套工器具

1.鉆塔的選型

鉆塔是凍結(jié)孔施工的重要設(shè)備之一，對鉆塔的要求是：即要有足夠的承載力，以承擔(dān)鉆具提升負(fù)荷，又要有足夠的高度，以便縮短凍結(jié)管的下放時間。在承載力方面，應(yīng)不小于30t；在高度上，一般應(yīng)滿足下放單根凍結(jié)管18m的需要；經(jīng)分析對比，該工程選擇22.5m鉆塔，其參數(shù)見表2。

表2 四角鉆塔參數(shù)表

2.鉆機(jī)的選型

用于凍結(jié)孔施工的鉆機(jī)，要求具有提升功率大、轉(zhuǎn)速高、大扭矩、速比寬的特點(diǎn)。選用石家莊礦井機(jī)械廠生產(chǎn)的TSJ-2000 型。TSJ-2000型鉆機(jī)的性能，完全滿足該工程的施工需要，鉆機(jī)參數(shù)見表3。

表3 鉆機(jī)參數(shù)表

3.泥漿泵選型

泥漿泵用于輸送鉆進(jìn)過程的沖洗液，以保證在快速鉆進(jìn)條件下的孔底清潔，避免重復(fù)破碎。在鉆孔孔壁與鉆具之間的環(huán)狀間隙一定的情況下，要保證沖洗液具有高的上返流速，就必須提高泵量。另外，泥漿泵作為井下動力鉆具的動力源，也必須具有足夠的流量和較高的壓力。綜合考慮，所選用的泥漿必須滿足沖洗液上返流速0.50m/秒，經(jīng)計算，上返流速達(dá)到 0.5m/秒時所需泵量為 650L/min，因隨著鉆孔深度加深和鉆具加長，泥漿液在輸送過程中會有一定量的泄漏，因此，泵量的取值應(yīng)再乘以系數(shù)1.1，即：715L/min。

根據(jù)以上條件，風(fēng)井?dāng)M選用TBW-850/50型泥漿泵。該型號的泥漿泵性能完全滿足該工程的施工需要，其性能參數(shù)見表4。

表4 泥漿泵參數(shù)表

4.鉆具選配

鉆桿：鉆桿是將地面鉆機(jī)的動力傳給地下鉆頭的主要部件之一。所用鉆桿必須滿足兩項(xiàng)要求：一是傳遞足夠的扭矩，二是滿足陀螺儀和陀螺定向儀測斜及定向的需要。本工程采用采用美國休斯公司的φ89mm鉆桿。

鉆鋌：鉆鋌是實(shí)現(xiàn)孔底加壓、預(yù)防孔斜，保證鉆具工作的穩(wěn)定和垂直的重要部件，以減少孔斜發(fā)生。本工程擬選用φ159mm鉆鋌。

鉆頭：新地層鉆進(jìn)選用MP型鋼牙輪鉆頭，基巖鉆進(jìn)選用XMP型鑲齒牙輪鉆頭。

5.糾偏鉆具

為了滿足凍結(jié)孔各深度段孔間距的要求，在凍結(jié)孔的施工中，必須要有有效的定向、糾偏手段，否則，凍結(jié)孔將無法保證質(zhì)量。因此，糾偏技術(shù)、糾偏機(jī)具顯得尤為重要。為提高糾偏效率，本工程選用鄒城市東遠(yuǎn)石油機(jī)械有限公司生產(chǎn)的5LZ120螺桿鉆具作為糾偏鉆具，螺桿鉆參數(shù)見表5。

表5 螺桿鉆具參數(shù)表

6.廢漿排放系統(tǒng)

主井井盤布置一臺 TBW—850/50型泥漿泵及一條排漿管路構(gòu)成排漿系統(tǒng)。

7.測斜儀器與定向儀器

根據(jù)凍結(jié)工程質(zhì)量要求，本工程選用北京建井研究所生產(chǎn)的JDT-5A型陀螺測斜儀，定向儀選用陀螺定向儀。陀螺測斜儀性能參數(shù)，見表6。

表6 陀螺測斜儀參數(shù)表

（三）施工工藝及相關(guān)技術(shù)措施

1.開鉆前準(zhǔn)備

（1）開鉆準(zhǔn)備工作很多，其中主要有設(shè)備的安裝及檢驗(yàn)、技術(shù)交底及復(fù)核、設(shè)備檢修和維護(hù)、各種鉆具及材料的準(zhǔn)備等。

（2）開鉆前要對鉆機(jī)認(rèn)真找正，安裝穩(wěn)固、周正，使轉(zhuǎn)盤中心、鉆孔中心和游動滑車提升中心重合，確保開孔垂直度。開孔前要制備一定數(shù)量的優(yōu)質(zhì)化學(xué)泥漿。

（3）開鉆前，項(xiàng)目部應(yīng)組織有關(guān)人員對鉆探設(shè)備、材料、砼基礎(chǔ)、滑動底盤、鉆塔安裝、電氣設(shè)備安裝、泥漿池、鉆場安全設(shè)施與防護(hù)以及鉆具的質(zhì)量、數(shù)量進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收完畢后方可開工。

2.開孔

開孔是保證鉆孔垂直度的關(guān)健。為確保開孔的垂直度，開孔鉆進(jìn)過程中應(yīng)以輕壓、慢轉(zhuǎn)、大泵量為宜。一般控制在轉(zhuǎn)速48～69r/min，鉆壓500kg，泵量500～800L/min左右。

3.鉆進(jìn)操作

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)的選擇

按凍結(jié)方提供的凍結(jié)管規(guī)格要求，依據(jù)管徑大小和我隊(duì)近年凍結(jié)孔的施工經(jīng)驗(yàn)，選擇孔徑為φ190mm一徑到底的方式。以保證順利下放凍結(jié)管材和水文孔、測溫孔管材。

（2）鉆進(jìn)參數(shù)的采用

采用合理的鉆進(jìn)參數(shù)不僅能保持鉆進(jìn)的高效率，而且能效地減少鉆孔偏斜。

表7 鉆進(jìn)參數(shù)表

鉆進(jìn)中要精心操作，根據(jù)進(jìn)尺速度和鉆孔柱狀圖準(zhǔn)確判層，換層鉆進(jìn)時要合理使用壓力，軟變硬時，降低鉆壓，待鉆進(jìn)0.5m后再恢復(fù)到該地層應(yīng)使用的正常壓力；當(dāng)硬變軟時，適當(dāng)減小壓力，降低轉(zhuǎn)速。

鉆進(jìn)時給壓均勻。并根據(jù)地層情況合理掌握鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量。砂層中轉(zhuǎn)速快給進(jìn)，粘土層中轉(zhuǎn)速慢給進(jìn)，防止快進(jìn)時泥包鉆頭；基巖應(yīng)高鉆壓低轉(zhuǎn)速?？刂瓶椎足@壓為鉆鋌在孔內(nèi)總重量的75%～0%，采用懸吊鉆進(jìn)。

下鉆接近孔底時，要慢放，嚴(yán)禁墩鉆，用新鉆頭時應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)30分鐘后，再逐步加大鉆壓正常鉆進(jìn)，起鉆時應(yīng)及時向孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿，預(yù)防塌孔。

（四）防斜、測斜與糾斜

鉆孔偏斜必須遵循“以防為主，糾偏為輔”的方針，增強(qiáng)施工人員的責(zé)任心及嚴(yán)格按有關(guān)技術(shù)要求施工，加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督的力度，杜絕蠻干行為。施工時，工程技術(shù)人員應(yīng)充分研究易偏地層，分析易偏原因，找到適合該地區(qū)施工的防偏方法和措施。及時指導(dǎo)施工人員防偏糾偏。

1.鉆孔防斜

（1）確保設(shè)備的安裝質(zhì)量，把好開孔關(guān)。

（2）鉆進(jìn)中地層由軟變硬時，壓力要適當(dāng)減輕、轉(zhuǎn)速要降低，地層由硬變軟時，壓力要減少到正常值的三分之一到三分之二。

（3）開孔使用的粗徑鉆具要直，正確選擇鉆具組合，增強(qiáng)鉆具的導(dǎo)向性和穩(wěn)定性，減小孔壁間隙，減小下部鉆具彎曲。

（4）不得使用彎曲、變形的鉆具，鉆具連接后同心度要好。粗徑鉆具應(yīng)有足夠的長度。

2.鉆孔測斜

（1）燈光測斜：0～30m段，采用對點(diǎn)器及其配套設(shè)施進(jìn)行。測斜管要求φ108mm、要直，下端口堵死，下入時絲扣處應(yīng)涂絲扣油。

（2）陀螺測斜：30m以下段測斜選用JDT-5A型陀螺儀測斜。正常鉆進(jìn)每 30～40米置一個測點(diǎn)，根據(jù)具體情況，測點(diǎn)可適當(dāng)調(diào)整。易偏地段增加測點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)要重新測量，必須上下復(fù)測，確保測斜資料的可靠性。

（3）單孔成孔后用陀螺儀測斜，原則上每 30米一個進(jìn)行測斜，測斜成果由電腦打印輸出，在現(xiàn)場由各方認(rèn)可簽字后，方可下凍結(jié)管。

（五）鉆孔糾偏措施的選擇

在凍結(jié)造孔過程中，盡管采取了性能較好的設(shè)備、合理的鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)，以確保鉆孔的垂直度，但由于種種原因，在施工過程中仍有部分鉆孔出現(xiàn)超偏現(xiàn)象，這就需要對鉆孔進(jìn)行糾偏處理。在生產(chǎn)中常用以下糾偏方法。

1.掃孔糾偏法

一般在表土層中發(fā)生孔偏，可利用原有鉆具，更換三翼鉆頭或多翼鉆頭進(jìn)行掃孔糾偏。這種方法是從噴嘴出來的泥漿直接沖刷翼層外刃與孔壁接觸的地方，可使鉆頭的翼片，特別是底外刃不產(chǎn)生泥包現(xiàn)象，始終保持鋒利狀態(tài)，便于和孔壁接觸掃出新的臺階把孔糾直。

2.擴(kuò)孔糾偏法

使用原有鉆具，換用比原來鉆頭大的鉆頭擴(kuò)大孔經(jīng)，鉆至原深度時更換原鉆頭，開鉆前應(yīng)將鉆具吊離孔底約1m左右，然后慢速給進(jìn)開出一個新孔，當(dāng)鉆進(jìn)2m，鉆孔已修直后，再轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)。

3.墊、移鉆塔法

其原理是通過調(diào)整鉆具組合，利用鉆具的剛性及鉆孔偏斜拐點(diǎn)的相互抑制作用控制下部孔斜。根據(jù)鉆孔過程中的測斜資料，就是利用上部孔段較直，以鉆孔當(dāng)時的孔深為起始點(diǎn)，順鉆孔偏斜方位移動鉆塔到一定距離，使當(dāng)時鉆孔的起始點(diǎn)變成支點(diǎn)，產(chǎn)生抑制作用使鉆孔反方向鉆進(jìn)，達(dá)到糾偏效果。必要時可調(diào)整鉆具組合，使糾偏效果更加明顯。通常的做法是發(fā)現(xiàn)孔斜時，應(yīng)先采用墊架子方法，如行不通時，應(yīng)采用移架子法。在移動架子時應(yīng)不起鉆具，把架子朝孔斜方位上的方向移，要做到快速、穩(wěn)妥。

4.采用井下動力鉆具（螺桿）作定向糾偏

當(dāng)鉆進(jìn)中孔斜偏距設(shè)計要求允許范圍上限時，可進(jìn)行定向糾偏。但盡量選擇在粘土層。選擇彎接頭度數(shù)，對φ190mm孔經(jīng)，使用5LZ165螺桿，要求井斜角變化很小，由孔斜角變化率i選擇0.5°或1°的彎接頭。在糾斜后還要鉆進(jìn)打直孔，所以糾斜段不能太長，一般參考公式為：L=S×1/3×Sinа；L為螺桿鉆進(jìn)深度；S為鉆孔偏距；а為彎鉆頭度數(shù)。

糾斜鉆具組合：φ190mm鉆頭+5LZ165螺桿+0.5°或1°彎鉆頭+φ89mm鉆桿；

增斜鉆具組合：φ190mm鉆頭+φ159mm鉆鋌+φ89mm鉆桿；

防斜鉆具組合：φ190mm鉆頭+φ159mm鉆鋌+φ180mm穩(wěn)定器+φ89mm鉆桿；

在使用以上組合時應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）下鉆前認(rèn)真檢查鉆具，根據(jù)測斜所得數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確定向，打印記號。

（2）選擇合適的鉆頭和噴嘴直徑，動力鉆具在孔口試運(yùn)轉(zhuǎn)，正常后下入孔內(nèi)。

（3）用螺桿鉆具糾斜前，應(yīng)充分循環(huán)并調(diào)整好泥漿性能，含砂量≤1%。

（4）下螺桿鉆具中，應(yīng)將每根鉆具用雙鉗加力緊扣。

（5）安裝防反轉(zhuǎn)器，防止定向糾斜鉆進(jìn)中鉆具轉(zhuǎn)動。

（6）定向糾斜鉆進(jìn)中加壓、送鉆要均勻，使用推薦的鉆進(jìn)參數(shù)。

（7）糾斜過程中，每鉆進(jìn)約 10米，進(jìn)行測斜，了解頂角和方位角的變化，檢查糾斜情況。

（8）在表土層中使用螺桿鉆具糾斜時，上部可適當(dāng)添加扶正器。

（六）做好施工管理

首先，認(rèn)真做好施工中的各項(xiàng)記錄，對鉆孔測斜資料以單孔為單元整理成冊；其次，施工中各環(huán)節(jié)都要抓緊，減少輔助作業(yè)時間，增加純鉆進(jìn)時間，提高鉆月效率；此外還應(yīng)該建立建全項(xiàng)目管理中的生產(chǎn)管理、安全管理、技術(shù)管理、財務(wù)管理、后勤供給等管理制度，一切以工程為中心。

（七）結(jié)束語

凍結(jié)造孔施工在多數(shù)情況下為多臺鉆機(jī)同時在一個井盤施工，場地狹小，單孔施工時間短，對孔垂直度要求高，井盤各鉆機(jī)單孔施工周期頻率基本相同，因此必須制定周密的作業(yè)計劃，保證各鉆機(jī)的施工順序。特別是對偏斜鉆孔的處理，要有從簡到繁的不同的處理方案。

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2010-12-30

張子彬（1966－），男，安徽宿州人，安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)凍結(jié)工程處助理工程師，從事煤田地質(zhì)勘探、凍結(jié)造孔的施工與管理工作。