[建筑]郓城风井钻井法凿井快速施工分析.doc

郓城风井钻井法凿井快速施工分析蔡 鑫（中煤矿山建设集团有限责任公司 钻井工程处）摘 要：通过郓城风井钻井法凿井施工情况介绍，对加快施工速度的各种因素进行了认真地分析，提炼出了提高钻井法施工成井速度应采取的一些措施，以供以后施工时参考。关键词：钻井法凿井钻进速度竖井钻机1概况郓城煤矿为设计生产能力2.4Mt/a的大型矿井。其中央风井采用钻井法凿井，由中煤特殊凿井集团公司采用AS-9/500竖井钻机施工。井筒设计井深921.9m，钻井深度为565.6m，设计净径为6.0m。自2006年1月20日正式开钻到2007年5月8日完成充填固井，总施工工期15.6月，平均月成井36.25m，偏斜率0.154，有效圆直径5.912m，井壁预制质量和壁后充填质量均达到或超过设计要求。1.1地质条件中央风井所穿过的第四系冲积层厚533.39m，基岩厚32.21m。冲积层主要由粘土、砂质粘土及砂组成。其中粘土层普遍较厚，粘性好，呈硬塑性，含钙质，遇水膨胀，自然造浆能力强，钻进时易泥包钻头和缩径。基岩段主要由砂岩和泥岩构成，上部风化严重。1.2钻井设计方案及钻进情况原设计钻井方案为1级超前，2级扩孔。超前钻孔直径为4.0m，第1级扩孔为7.8m，2级扩孔为9.0m。当第1级超前孔4.0m完成后，进行7.8m扩孔钻进，但当钻至324.24m时进尺较为缓慢，且掏孔次数频繁，严重影响钻进速度，经研究改为6.1m钻进。最后用9.0m钻头扩孔。该井自2006年1月20日开钻至2007年3月17日钻进工作全部结束，总钻进时间421天，平均钻进速度为40.3m/月。2影响施工速度的主要因素在钻井法凿井施工过程中，钻进的速度是影响施工速度的主要因素：2.1科学合理的钻进工艺改进前1级超前，2级扩孔，其破岩面积分别是12.56，35.2和15.83m2；改进后2级扩孔的破岩面积分别为16.66和34.4m2。通过改进前后对比，我们只是调整了扩孔的破岩面积，但对钻井速度的影响却非常大。就其原因分析，改进前，一级扩孔破岩面积为超前钻的2.8倍，钻碴在小孔内很快就填满了。而改进后，一级扩孔破岩面积仅为超前钻的1.3倍，二级扩孔破岩面积为前两级钻孔破岩面积的1.17倍。由此可见，改进后的分级方案更科学合理。因此，科学合理的钻进工艺是影响钻进速度的一个重要原因。2.2设备AS-9/500竖井钻机使用的控制系统是改造后的由西门子公司生产的直流调速系统，实现了从模拟到全数字质的飞跃，可靠性大大提高了。故障率低，机械效率高，维修时间和辅助时间少加，从而提高了平均钻速。除此之外，我们还对该钻机的水龙头、转盘，绞车进行了改造，加大了提升力和扭矩。3施工中采取的措施为加快施工速度，除按常规工艺施工外，我们还采取了一些改进措施。3.1钻进施工措施：3.1.1钻井参数优化选择：（1）、转速：一般控制钻头外沿切线速度为原则，国际：线=0.671.83， m/s；国内：线=0.91.308， m/s； 线极=2.355， m/s。转速计算按下式： rpm/s；其中，n值计算如表1所示。表 1 各级钻头转速计算表 钻头级别钻头直径最高转速建议转速4.0011.156.166.106.333.59.05.172.86高转速会对洗井、钻进有一定好处，但是其巨大的转动惯量，一旦受阻，很易扭断钻杆。（2）、 钻压：钻压按下式计算：, KN；其中K刀刃重复系数，一般中硬岩取1.42.0；超前孔取1.5；扩孔一取2；扩孔二取3。式中：Rr 钻井半径差，m；井底角，超前钻头为平底，=0，cos=1；扩孔钻头=15o，cos=0.9659；q刀刃单位长度上的钻压值，对=8岩石，q=300 kg/cm。钻压按泥浆中钻头重量的60%计算，见表2。表2：钻压取值表 钻头级别钻头直径m空气中重量t泥浆中重量t钻压值KN4.00160135.8815.06.10150127.5765.09.0150127.5765.0特别是在钻进软硬交接带时，钻压应再降5060%，以保持垂直度。3.1.2、洗井参数优化选择。（1）、洗井液（泥浆）流量：，m3/h最大破岩面积：S=0.78549.02=63.62， m2；钻进最高速度：Vmax=0.9， m/ h；携矸率：暂按=4%计；Q=63.620.9/0.04=1431.35， m3/h。岩屑上升临界速度： ， cm/s；式中 K1-系数，K1=3850，取50；r1-岩石密度，取2.6 ， g/cm3；r泥浆密度，取1.3 ， g/cm3；d岩屑粒径，cm； 计算结果见表3 。 表3 岩屑上升临界速度 岩屑径cm临界速度V1/ms10.520.7074161.22581.414101.581151.9362020236403.162钻杆内泥浆实际上升速度。， m/s；式中: Q泥浆循环量，Q=1337.6 m3/h；S钻杆内截面积，S=0.78540.3662=0.1052 m2；V2=1337.6/（0.10523600）=3.53 m/s。V2在举升岩屑直径50cm以内均允许。只是钻杆内径所限没有必要了。扬程低时，可适当少开压风机。（2）、 所需最大供风量：，m3/min；Q=1337.6 m3；风浆比：(正常钻进时)， m3/m3；式中:K1系数，K1=2.17+0.01618.5=2.46；r泥浆密度，r=1.3 g/cm3；h扬程，h =18.5 m；H0风管理深，m；P供风压力，MPa；P管路损失，P=3 kg/cm2；H0=(15-3/1.3)10=92.3 m；H实=13.5 kg/cm2；V0=2.461.318.5/23lg(1.313.10+10)/10 =59.3073/29.1719=2.033 m3/m3；总供风量：V总=1337。62.033/60=45.32 m/min；(3)、泥浆调控工艺开孔钻进时，配制高粘土和适量化学药剂，防止塌孔。正常钻进时，采用化学药剂处理泥浆，提高其性能，增强护壁效果。降低含砂率，利用沉淀池靠重力作用沉降粒径较大的岩屑；增加振动除砂装置，使泥浆保持良好的性能参数。用旋流器排除较小岩屑；进而用三聚磷酸钠絮凝沉降较细小岩屑及粉砂。降低失水量：若泥浆粘度超过24s，先加水稀释至24 s以下（失水量可能会升高，但泥皮已形成，不会造成太大危害）再加CMC，把失水量降下来。深井泥浆参数控制原则：以控制失水量、放宽密度值为手段，以形成孔壁内侧液柱压力大于孔壁外侧的液柱压力，泥浆密度值即P1=1.3(Kg/cm3)实测地压值P2=1.1(Kg/cm3)。也大于井壁设计时采用的侧压值P3=1.2(Kg/cm3)，所以井壁是安全的。 龙固矿井钻井泥浆护壁的成功经验，为郓城煤矿采用钻井法凿井提供了保证条件。但是，在借鉴经验的同时，还应积极试验与探索，不断创造与积累新的技术经验，解决好钻井泥浆遇到的新问题。3.1.3防偏措施每级钻头在钻进前均保证其自由状态下对准转盘中心，其偏差控制在5mm以内。各级钻孔所使用的钻压均小于钻头在泥浆中重量的60%。在各地层交接带和风化带钻进时，钻压在原有的基础上再适当减小5-10T。采用SKD型超声波测井仪，对各级钻孔的垂直度和井径进行及时的测量，以便及时采取纠偏措施，并绘制钻孔偏斜图和有效断面图。3.1.4钻孔缩径防治措施在钻进通过膨胀地层时，因这些地层遇水后体积要膨胀，极易使钻孔产生缩径，导致钻具无法起升，为防止此事故发生，我们采取以下措施：(1)、调制优质的泥浆进行护壁。（2）根据地层膨胀状况，我们定期起钻检查，以防因钻孔缩径卡住钻头。（3）布置两把反向刀具，一旦出现缩径卡钻时，可用反向刀具切削缩径面。3.1.5泥包钻头防治措施（1）、改进钻头结构，优化刀具布置方式。（2）、在粘土层钻进时，适当控制钻压，提高转速，减少进给速度。（3）、尽量加大泥浆的冲洗量 。（4）、每次下钻时钻头在距井底1.01.5m时进行扫孔后缓慢进入工作面。3.2井壁施工措施：在井壁施工中，我们为加快施工速度，主要采取了以下几项措施：3.2.1 采用钢制组合模板，加快了模板安装速度，提高了井壁的外观质量。3.2.2 采用泵送混凝土，加快了井壁预制速度，减轻了工人的劳动强度。3.2.3 安装三台门吊，其中两台用于井壁施工，一台80t门吊专门用于井壁法兰盘和钢板筒加工，一台200t门吊专门用于井壁施工，这样减少了与钻井交叉作业的时间，提高了井壁施工速度。3.2.4 为确保井壁制作不受混凝土冬季施工技术的影响，我们制作了养护井壁用的保温罩，并安装了蒸汽锅炉用于养护井壁及加热混凝土拌合水。在冬季成功地进行了高标号井壁制作，确保了井壁预制质量和整个钻井工期。3.2.5在预制井壁施工中采用了混凝土搅拌站及混凝土输送泵施工工艺，大大缩短了井壁制作时间，节约了人力和材料，同时电脑控制计量使混凝土质量得到了保证。3.2.6预制井壁的混凝土采用高性能混凝土配合比设计。高性能混凝土是在普通混凝土的传统组分中掺入化学外加剂及矿物外加剂用常规的混凝土生产工艺配制的。它具用低水胶比，新拌混凝土具用良好的流变特性，不离析，不泌水的特点。在硬化过程中体积稳定，水化热少，温升低，冷却时温度收缩及干燥收缩小。高性能混凝土具用结构致密，抗渗性、抗动融、抗炭化及化学侵蚀能力好的特点。3.2.7以前预制井壁时，经常出现由于外模下部跑浆，致使某些井壁下部出现麻面，俗称“烂根”，影响井壁外观质量。采取先浇肥浆铺底的措施，彻底根除了此现象。3.3下沉井壁和壁后充填施工措施：3.3.1 下沉井壁期间，我们采用了井壁专用吊具，减少了辅助作业时间，提高了工效。3.3.2 壁后充填采用10个100t散装水泥罐，并配以螺旋输送器，减轻了工人的劳动强度，提高了工效。3.3.3 我们改进了内注浆