楊富春

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

由于國家對煤礦安全設(shè)計方面的要求，目前需要施工的煤礦瓦斯抽放孔、通風(fēng)孔、電纜孔、送料孔、應(yīng)急孔等大口徑鉆孔越來越多。由于這類工程的特殊性，其要求相對于常規(guī)鉆孔要高，主要表現(xiàn)在鉆孔垂直度要求高、中靶點位范圍小、下管難度大、固井質(zhì)量好以及施工進(jìn)度要快等幾方面，每個環(huán)節(jié)都必須有可靠的技術(shù)保證和管理措施，才能保質(zhì)保量地完成施工。

在設(shè)備配置、過程控制和工藝選擇上，如何針對不同的地質(zhì)條件、工程條件和施工條件選用不同的施工工法，加快施工進(jìn)度，提高安全質(zhì)量保證，是各設(shè)計、施工單位需要解決的問題。

1 不同施工方法的特點

目前，對于大口徑鉆孔的施工，從施工方法上來分，有正向施工法和反井施工法，從施工工藝上來分，有正循環(huán)和反循環(huán)之分。

正向施工法:即從上至下逐級擴(kuò)孔的一種施工方法，也是目前常規(guī)的鉆井方法。優(yōu)點是不需要配置專門的設(shè)備和設(shè)施;缺點是與反井施工法比，其效率低、材料消耗大、施工周期長。

反井施工法:即從下向上逐級擴(kuò)孔的一種施工方法。優(yōu)點是與正向施工法比較效率高、材料消耗小、施工周期短;缺點是需要配置專門的設(shè)備和設(shè)施，而且鉆機(jī)價格很高。采用反井施工法有2個前提條件:一是上部覆蓋表土層厚度≯50 m，二是下部井口有水平巷道排渣。

正循環(huán)工藝:循環(huán)介質(zhì)經(jīng)鉆桿內(nèi)孔送入鉆孔底部而沿鉆桿外的環(huán)狀間隙返回地面的常規(guī)循環(huán)方式，也是目前常規(guī)使用的工藝方法。

反循環(huán)工藝:循環(huán)介質(zhì)從雙壁鉆桿的內(nèi)外管間的環(huán)狀間隙送入孔底或一定深度處的升液器，返回的循環(huán)介質(zhì)攜帶巖屑通過內(nèi)管排至孔外。這種方法與正循環(huán)工藝相對比突出的特點是鉆進(jìn)時液(氣)流上返速度高，攜帶巖粉能力強(qiáng)，鉆進(jìn)效率高。

2 典型工程實例

2.1 山西省潞安五陽煤礦地面瓦斯抽采系統(tǒng)改擴(kuò)建瓦斯抽采井項目

2.1.1 工程概況

本項目主要服務(wù)于地面瓦斯抽放泵站，用于抽采井下瓦斯用。共設(shè)計了3個鉆孔，孔深均是539 m。1號、2號鉆孔的設(shè)計結(jié)構(gòu)是:0～45 m，井徑1550 mm，下入1350 mm×16 mm材質(zhì)為20號鋼的雙面螺旋焊接鋼管;45～539 m，井徑1260 mm，下入1060 mm×22 mm材質(zhì)符合Q345B標(biāo)準(zhǔn)的鋼管，管長539 m。3號鉆孔的設(shè)計結(jié)構(gòu)是:0～45 m，井徑1280 mm，下入1100 mm×16 mm材質(zhì)為20號鋼的雙面螺旋焊接鋼管，管長45 m;45～539 m，井徑1020 mm，下入820 mm×18 mm材質(zhì)符合Q345B標(biāo)準(zhǔn)的鋼管，管長539 m。

鉆孔角度90°，井口坐標(biāo)與設(shè)計位置允許誤差≤0.8 m。終孔位置在巷幫不超出3 m處，靶半徑為4 m，要求終孔井斜≯0.5°。工作管安裝前進(jìn)行表面防腐處理，工作管與井壁之間要用R42.5的水泥漿填料填實，注水泥72 h后，掃水泥塞，套管內(nèi)保留3 m，進(jìn)行全井試壓，試驗壓力為工作壓力的1.5倍。

2.1.2 成孔過程

2.1.2.1 主要設(shè)備配置(表1)

表1 鉆孔主要設(shè)備設(shè)施配置

2.1.2.2 成孔工藝

表2 各徑級鉆孔鉆進(jìn)深度

管井施工工藝流程:測放井位→砌筑井口和鉆機(jī)基礎(chǔ)→鉆孔安裝孔口管→前導(dǎo)孔施工→分級擴(kuò)孔→圓孔、試孔→清孔換漿→井管下沉→固井→鉆掉水泥塞成井→試壓。泥漿使用胺鹽聚合物泥漿，同時配備泥漿凈化裝置。

在前導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔施工時，為預(yù)防鉆孔的偏斜，采用加設(shè)同徑級的導(dǎo)向裝置和鉆鋌加壓措施。

擴(kuò)孔鉆進(jìn)時，采用前后兩級鉆頭交替鉆進(jìn)的方式，這樣為鉆頭的加工和維修留出足夠的時間。

2.1.3 關(guān)鍵過程控制

2.1.3.1 鉆孔垂直度的控制

為了保證超前孔垂直度，鉆場準(zhǔn)備了螺桿鉆具。出于對螺桿儀器鉆具使用壽命時限的考慮，日常鉆進(jìn)中采用常規(guī)穩(wěn)斜鉆具鉆進(jìn)，并使用單點測斜儀實時監(jiān)控井底井斜方位的變化，每鉆進(jìn)30～50 m進(jìn)行單點測斜，一旦發(fā)現(xiàn)井底井斜方位出現(xiàn)不可控變化，立即起鉆下入導(dǎo)向鉆具實施糾斜。

擴(kuò)孔鉆進(jìn)時，在擴(kuò)孔鉆頭前部加設(shè)上一級直徑的鉆頭作為引路導(dǎo)向，同時在擴(kuò)孔鉆頭上部一定位置上加設(shè)2個同徑級的導(dǎo)向裝置，預(yù)防鉆孔的偏斜。

2.1.3.2 導(dǎo)向糾斜施工情況

3號孔鉆進(jìn)至350 m時，由于地層傾角原因井斜已經(jīng)達(dá)到了2.2°，水平位移到達(dá)了5.66 m，如果不及時糾斜，到達(dá)目標(biāo)深度時，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工程設(shè)計要求。隨即多次實施了螺桿鉆導(dǎo)向糾斜工作，糾斜效果良好，最終控制到井底位移3.67 m，全孔傾斜角0.38°。2號孔導(dǎo)向孔垂直度在可控制范圍內(nèi)，最終控制到井底位移0.71 m，全孔傾斜角0.1°。1號孔鉆進(jìn)至320 m處時，水平位移達(dá)3.67 m，于是用螺桿鉆實施糾斜，由于在320～340 m造斜度過大，后續(xù)的鉆探施工經(jīng)常發(fā)生斷桿、卡鉆等事故，后被迫用水泥漿回封至310 m重新用螺桿鉆導(dǎo)向鉆進(jìn)至終孔，最終控制到井底位移 2.41 m，全孔傾斜角0.35°。3個鉆孔擴(kuò)孔成孔后，均準(zhǔn)確中靶，2項數(shù)據(jù)完全符合甲方對工程質(zhì)量的要求。

2.1.3.3 下管固井

下管前準(zhǔn)確丈量孔深，圓井所用器材為套管，長度9 m，套管上、中、下部加焊肋骨條及硬質(zhì)合金撥片。探井所用器材為所下套管，其連接長度≮30 m。圓井、探井后，立即進(jìn)行換漿，當(dāng)泥漿性能達(dá)到設(shè)計值時，加入專用潤滑劑，循環(huán)至少48 h，使?jié)櫥瑒┏浞峙c泥漿混合。加入潤滑劑的目的是提高泥漿和孔壁泥皮的潤滑性，減小下管阻力。

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)備的能力不能承受全部鋼管重力，故本次下管采用大型吊車提吊、卡瓦固管法。套管之間采用電焊連接，采用超聲波檢查儀檢查焊縫質(zhì)量合格后加焊套管箍。套管箍一方面起加強(qiáng)筋的作用，另一方面又對管間焊縫起保護(hù)作用，防滲漏，防淬火脆裂。在井管的下部(即第一根)離套管底端2 m處割10個15 mm的排漿孔，呈S形排列，以便下管后進(jìn)行注漿固井。在下管過程中，動態(tài)觀察套管柱下沉情況。套管柱在孔內(nèi)的重力與理論計算值差別不大，說明套管下沉順利。

本工程固井采用固井車水壓灌注法。套管下至設(shè)計位置后，鉆具下深離套管底部10 m左右，開泵偱環(huán)正常后，將套管管口用鋼板封閉，然后開泵沖孔換漿。泥漿參數(shù)達(dá)設(shè)計值時，注入前置液5～10 m3，隨后正式注漿，通過替漿量的設(shè)計計算，使套管內(nèi)預(yù)留水泥塞不少于6 m，在注漿的同時取留水泥樣2～3個。待水泥凝固72 h以后，掃除多余的水泥塞，套管內(nèi)保留不低于3 m，然后將井口密封試壓，試驗壓力0.3 MPa。試壓結(jié)束后，把孔內(nèi)的水全部抽出，觀察管壁，無滲水現(xiàn)象。

2.2 華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司瓦斯抽采孔工程

2.2.1 工程概況

本項目主要服務(wù)于地面瓦斯抽放泵站，用于抽采井下瓦斯用，共設(shè)計了2個鉆孔，2孔相距20 m。1號鉆孔的結(jié)構(gòu)是:孔深139 m，井徑≮900 mm，下入630 mm×15 mm的直縫埋弧焊接工作鋼管至孔口;2號鉆孔的結(jié)構(gòu)是:孔深134 m，井徑≮1000 mm，下入720 mm×15 mm的直縫埋弧焊接工作鋼管至孔口。2孔鋼管材質(zhì)要求符合Q345B標(biāo)準(zhǔn)。

鉆孔角度90°，終孔位置距設(shè)計鉆孔中心位置位移≯5 m。工作管與井壁之間用R42.5的水泥漿填料填實，注水泥72 h后，掃除多余水泥塞，套管內(nèi)保留3 m，進(jìn)行全井試壓，試驗壓力為工作壓力的1.25倍，穩(wěn)定時間≮30 min。

2.2.2 施工過程

2.2.2.1 主要設(shè)備配置

本工程使用的主要設(shè)備配置為:TSJ－2000型水源鉆機(jī)，HS18－36型加重鉆塔，TBW1200/7型泥漿泵，英格索蘭XHP1070型空壓機(jī)，配311 mm鉆頭的空氣潛孔錘，89 mm鉆桿，自制泥漿凈化設(shè)備，203、178、159 mm 鉆鋌，PS2512D 型測斜儀。

2.2.2.2 成孔工藝

表3 各徑級鉆孔鉆進(jìn)深度

管井施工工藝流程:測放井位→砌筑井口和鉆機(jī)基礎(chǔ)→前導(dǎo)孔施工→分級擴(kuò)孔→圓孔、試孔→清孔換漿→井管下沉→固井→鉆掉水泥塞成井→試壓。開孔鉆進(jìn)時，由于表層有7 m左右的雜填土及卵石層，坍塌嚴(yán)重，最后確定對松散層人工挖掘10 m，孔徑≮1200 mm，為防止坍塌用水泥進(jìn)行護(hù)壁，最后下入1050 mm的孔口管。在鉆進(jìn)時，為了提高孔口段泥漿的上返速度，根據(jù)鉆頭直徑規(guī)格在孔口段放置不同規(guī)格的套管。使用雙聚泥漿，同時配備泥漿凈化裝置。

2.2.3 關(guān)鍵過程控制

2.2.3.1 鉆孔垂直度的控制

超前孔鉆進(jìn)過程中，每鉆進(jìn)30～50 m進(jìn)行單點測斜，對孔斜度進(jìn)行適時監(jiān)控。

在前導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔施工時，為預(yù)防鉆孔的偏斜，采用加設(shè)同徑級的導(dǎo)向裝置和鉆鋌加壓措施。由于鉆孔較淺，再加上控制措施到位，經(jīng)過測量數(shù)據(jù)，1號孔最終控制到井底位移1.08 m，終孔井斜0.44°，2號孔最終控制到井底位移0.37 m，終孔井斜0.15°，確保了準(zhǔn)確中靶，2項數(shù)據(jù)完全符合甲方對工程質(zhì)量的要求。

2.2.3.2 下管固井

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)備的能力能夠滿足所下鋼管重力，故本次下管采用鉆塔提吊、割洞穿桿法。在井管的下部(即第一根)離孔底5 m處安裝內(nèi)置單向逆止閥的浮力塞，以便下管后進(jìn)行注漿固井。套管之間采用電焊連接，下管過程中，動態(tài)掌握井管在孔內(nèi)凈重力的變化情況，通過控制注水量，將拉力控制在200 kN左右。

本工程固井采用泥漿泵逆止閥灌注法。套管下至孔底后，下入鉆具與逆止閥對接，開泵偱環(huán)正常后，沖孔換漿。泥漿參數(shù)達(dá)設(shè)計值時，注入前置液5～10 m3，隨后正式注漿。待水泥凝固72 h以后，掃除多余的水泥塞，套管內(nèi)保留≮3 m，然后將井口密封試壓，試驗壓力達(dá)到0.3 MPa。試壓結(jié)束后，把孔內(nèi)的水全部抽出，觀察管壁，無滲水現(xiàn)象。

2.3 山西保利平山煤業(yè)有限公司瓦斯管道井

2.3.1 工程概況

本項目主要是為了解決礦井瓦斯抽放問題，以排除礦井安全生產(chǎn)隱患。鉆孔井口位于新建瓦斯抽放泵站東側(cè)，井底位于回風(fēng)大巷煤(巖)壁內(nèi)3 m左右。鉆孔角度90°，鉆孔孔徑750 mm，深度約486 m，下入530 mm×14 mm的無縫鋼管，管路連接采用連續(xù)焊接，安裝前進(jìn)行表面防腐處理。施工過程嚴(yán)格按照設(shè)計要求實施，終孔偏斜距≯1 m。鋼管壁與巖壁之間要用R42.5的水泥漿封閉固井。管路安裝完畢后，應(yīng)該進(jìn)行整體氣密性檢查，試驗壓力為工作壓力的1.5倍。

鉆遇地層:第四系(Q4)，層厚25 m;二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)，層厚350 m;二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)，層厚50 m;二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，層厚61 m。

2.3.2 成孔過程

2.3.2.1 主要設(shè)備配置

本工程使用的主要設(shè)備配置為:TX－130型車載鉆機(jī)(美國)1臺，LM－400型反井鉆機(jī)1臺，27.5 m A型鉆塔，TBW1200/7型泥漿泵，配311 mm鉆頭的空氣潛孔錘，114 mm和203 mm鉆桿，203、178、159 mm 鉆鋌，750 mm 的反井鉆頭若干，YUH－D01型測斜儀。

2.3.2.2 成孔工藝

一開:為了滿足瓦斯管道井反井施工的順利進(jìn)行，需要對地面至基巖的地表層進(jìn)行固化，由于表土層不深，約15 m，采用人工挖樁的方法，固化樁直徑選用1600 mm，然后用標(biāo)號C25混凝土充填做成基礎(chǔ)。人工挖樁用高度1 m鋼制護(hù)壁模板支護(hù)，以確保人員安全，樁孔護(hù)壁≮200 mm，成孔孔徑750 mm。

為使擴(kuò)孔鉆進(jìn)開孔時鉆頭旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，擴(kuò)孔前要修整工作面，使工作面基本和實際導(dǎo)孔垂直。擴(kuò)孔時，用水管將冷卻水直接放入導(dǎo)孔內(nèi)，以冷卻鉆頭和消塵防爆，同時，礦方提供便攜式瓦斯檢測儀一個，并派專人對孔口瓦斯進(jìn)行測量，并加強(qiáng)地面與井下的聯(lián)系。

2.3.3 關(guān)鍵過程控制

2.3.3.1 鉆孔垂直度的控制

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)工程中，每20～30 m測斜一次，隨鉆及時掌握鉆孔的偏移量。由于鉆具組合采用導(dǎo)向防斜措施，控制措施到位，再加上空氣潛孔錘在保證鉆孔垂直度方面的優(yōu)越性，經(jīng)過測量數(shù)據(jù)，最終控制到井底位移0.88 m，終孔井斜0.1°，確保了導(dǎo)向孔一次準(zhǔn)確中靶，2項數(shù)據(jù)完全符合甲方對工程質(zhì)量的要求。

2.3.3.2 下管固井

反井結(jié)束后，礦方在井下鉆孔下方設(shè)置硬臺，密封鉆孔底部，并滿足固孔承壓，承壓能力達(dá)到10 MPa，并用清水灌滿鉆孔，以平衡灌漿時水泥漿對管壁的壓力。井管采用吊車提吊、割洞穿杠法進(jìn)行下管。套管下到位后，固井采用固井車水壓固井法，水泥漿返至地面。管壁外注水泥漿72 h后，掃水泥塞后打壓試驗，試驗壓力達(dá)到0.3 MPa。整個過程受控，工程質(zhì)量合格。

3 施工總結(jié)

3.1 設(shè)備的配置及施工方案的選擇

設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)鉆孔口徑、鉆孔深度、套管質(zhì)量進(jìn)行合理匹配。從我院已完工和正在施工的鉆孔來看，除礦山應(yīng)急搶險孔因為有時間要求，需要配置快速機(jī)動車載鉆機(jī)外，一般性的瓦斯抽放孔、通風(fēng)孔、電纜孔、送料孔以及備用應(yīng)急孔的施工可選擇TSJ－2600、TSJ－3000、ZJ－30型號的水源鉆機(jī)以及石油鉆機(jī)，基本能夠滿足常規(guī)要求的鉆孔施工。如施工條件允許，應(yīng)優(yōu)選反井鉆機(jī)。

施工方案的選擇，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、施工條件、工程要求以及設(shè)備配置等進(jìn)行綜合評價，對導(dǎo)向孔施工法、成井方式、排渣工藝、孔斜控制和下管固井方式制定切實可行的施工方案設(shè)計。施工的基本原則應(yīng)為先打?qū)蚩?，再逐級擴(kuò)孔。

如施工項目有多個毗鄰的鉆孔，可用車載鉆機(jī)使用空氣潛孔錘快速鉆進(jìn)導(dǎo)向孔，然后用其他鉆機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔成井，可大大提高整體工程的進(jìn)度。表4為我院最近施工的大口徑鉆孔施工方案的對比情況。

表4 不同類型大口徑鉆孔的施工方案對比

3.2 關(guān)鍵過程控制

3.2.1 鉆孔防斜

此類大口徑工程鉆孔一般首先施工導(dǎo)向孔，然后再分級擴(kuò)孔。在有條件的情況下，導(dǎo)向孔的施工盡量優(yōu)選潛孔錘鉆進(jìn)。

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)技術(shù)，首先是防斜，力求鉆孔垂直，然后是定向糾斜的思路，實現(xiàn)靶點定向鉆進(jìn)。糾斜方法選擇隨鉆螺桿定向鉆進(jìn)技術(shù)，這是保證中靶鉆進(jìn)最可靠的鉆探工程技術(shù)。定向造斜時，禁止連續(xù)大段造斜，防止出現(xiàn)大的“狗腿”，否則會給擴(kuò)孔鉆進(jìn)和下管工作帶來難度。如導(dǎo)向孔偏斜沒有控制好，一方面是待擴(kuò)孔后再糾斜難度相當(dāng)大，既耗費工時又耗材料，另一方面是給下管工作帶來很大的不確定性，套管的能否順利下沉到位，直接關(guān)乎著鉆孔的成敗。

3.2.2 下管固井

大口徑套管的下放不同于常規(guī)口徑套管的下放。安裝井管前，圓孔和試孔的工作必須加倍認(rèn)真實施，試孔器的長度和直徑要滿足一定的要求，根據(jù)井管總重及井管承受拉力或壓力的情況決定采用哪種井管安裝方法。大口徑鉆孔固井時，一般需灌注的水泥漿用量很大，因此固井時應(yīng)盡量采用專用固井設(shè)備進(jìn)行快速作業(yè)。

3.3 泥漿管理

在大口徑鉆孔的施工中，尤其是超大口徑，泥漿的使用和管理有其特殊之處。一方面，泥漿凈化設(shè)備的安裝是必不可少的，最好是振動篩和旋流器同時使用。另一方面，由于鉆孔容積較大，為避免鉆進(jìn)階段井筒內(nèi)泥漿面突然降低，因此在井口附近布置泥漿調(diào)節(jié)池，并盡量靠近井位。為儲存換漿和安放井管過程中產(chǎn)生的廢漿，需在施工現(xiàn)場開挖大容積的廢漿儲存池。

3.4 鉆具管理

在鉆進(jìn)過程中，尤其是在大直徑鉆頭擴(kuò)孔時，常常發(fā)生的鉆具事故為鉆桿折斷、組合鉆頭掉牙掌以及引路導(dǎo)向鉆頭掉入孔內(nèi)等事故。在施工過程中除了嚴(yán)格鉆具質(zhì)量檢查外，把好加工部件的保質(zhì)控制關(guān)尤為重要。

擴(kuò)孔鉆進(jìn)時，切割帶寬度的確定要根據(jù)鉆機(jī)能力和使用的鉆頭質(zhì)量在施鉆中合理確定，并不斷優(yōu)化。根據(jù)我院大量的實踐總結(jié)，切割帶寬度(單邊)一般控制在50～100 mm，太大的話，設(shè)備能力、鉆桿柱強(qiáng)度和鉆頭質(zhì)量一般很難滿足，太小的話則增加了擴(kuò)孔次數(shù)，又不利于成本控制和施工進(jìn)度。在擴(kuò)孔時，盡量采用2級交替擴(kuò)孔的方式進(jìn)行，這樣可以為組合鉆頭的加工和維修留出時間，既不影響施工所用，又節(jié)約成本。

在組焊擴(kuò)孔鉆頭時，要采取各牙掌在同一平面的技術(shù)措施，同時，應(yīng)保證有足夠數(shù)量的牙掌處于工作面上。牙掌是否在同一平面和是否有足夠的數(shù)量，直接影響著鉆桿壽命以及能否平穩(wěn)鉆進(jìn)。根據(jù)經(jīng)驗，單個牙掌的中心間距一般不應(yīng)該大于300 mm，否則，斷鉆桿的概率將大大增加。引路導(dǎo)向鉆頭的連接除了將絲扣上緊外，應(yīng)用焊片進(jìn)行加固，以防掉入鉆孔，同時要準(zhǔn)確紀(jì)錄導(dǎo)向鉆具的尺寸，以便一旦發(fā)生掉落事故能夠采用切實可行的處理工具。

4 結(jié)語

通過對多個大口徑鉆孔工程不同施工方法的實踐總結(jié)，決定進(jìn)度和質(zhì)量的關(guān)鍵因素是鉆孔垂直度的控制，因此，此類工程，在技術(shù)方法上，一般先施工導(dǎo)向孔，然后再分級擴(kuò)孔。就施工管理的重點來說，一是要制訂適合于工程特點的鉆進(jìn)方法，選擇適用的鉆進(jìn)工具;二是配備足夠的人力、設(shè)備、材料和資金資源，保證設(shè)備的良好運行、人員的合理組織和高效工作、材料的及時供應(yīng)和資金的及時到位;三是在下管和固井關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，確保施工現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)度工作協(xié)調(diào)到位，合理安排施工順序和施工機(jī)具、設(shè)備，減少場內(nèi)交叉施工的影響，保證施工順利進(jìn)行;同時要充分估計工作中可能發(fā)生的問題并制定相應(yīng)的預(yù)防措施。

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