我国钻井法凿井设计理论与技术研究新进展

2013年11月04日2013年矿井建设年会汇报人：我国钻井法凿井设计理论与技术研究新进展第一页，共49页。前言

1主要内容最新研究进展3几点思考4近期研究成果2第二页，共49页。前言1我国中东部煤炭开发由浅部向深部发展，需要穿过深厚冲积层；随着西部煤炭开发，西部地区的煤炭资源多赋存于白垩系和侏罗系等不稳定地层之下。采用特殊法凿井面临一系列新课题。围岩我国煤炭相对于石油、天然气，资源赋存比较丰富，在一次能源结构中约占70%。第三页，共49页。

前言1目前在含水或不稳定地层中，最可靠的凿井方法只有钻井法和冻结法。钻井法与冻结相比具有以下优势：1、机械化、自动化程度高，作业条件好、劳动强度低、安全性好；2、井壁质量好。钻井井壁全部在地面进行现场预制，井壁制作质量易于控制，采用钢板混凝土复合井壁技术减薄了井壁厚度，成井后的井壁能做到滴水不漏，为业主节省了大笔的矿井永久排水费用；3、工程造价低。大约10%；4、工期相当。5、节省能源。6、节约资源。钻井法因井壁薄，材料总消耗不到冻结法的一半。7、可靠性高。钻井法施工成功率达到百分之百。第四页，共49页。

隧道围岩的概念与工程性质1

隧道围岩的概念与工程性质1

前言1

钻井法凿井1854年德国工程师钦德采用冲击式钻机成功地钻凿了世界上第一口井，1871年德国工程师霍尼曼发明旋转式钻机，以后钻井法在世界上得到了推广应用。钻井法自1969年在淮北矿业集团朔里煤矿南风井实验成功以来，钻井法凿井国内已竣工井筒60多个，穿越冲积层最厚的是国投新集板集煤矿主井（660m）。经过40多年的研究与应用，我国钻井法在大型钻井装备、井壁结构设计理论、施工工艺等方面均取得巨大进步，综合技术水平已步入世界先进行列。第五页，共49页。

隧道围岩的概念与工程性质1

隧道围岩的概念与工程性质1

前言1表1

近五年来我国已建成钻井法凿井一览表序号井筒名称井筒净直径/m冲积层厚度/m钻井深度/m1龙固矿主井1、25.7546.485832龙固风井6.05385803板集矿副井7.3580.936464板集矿风井6.5583.806565板集矿主井6.2584.16606陈四楼南风井5.03603777张集矿西区进风井7.24004308张集矿西区回风井8．3400430第六页，共49页。2.1针对两淮矿区深厚表土层及复杂地质条件，自主研发了国内、外设计能力最大，自动化程度高，性能可靠的液压竖井钻机；集成创新了深大井筒钻井法施工成套技术，创造了国际上钻井直径最大（10.8m）、穿越冲积层最厚（584.1m）、国内最大钻深（660m）的钻井工程新记录。

近期研究成果2第七页，共49页。（1）研制了大型竖井钻机

AS12/800型竖井钻机

2003年，研制了AS12/800超大型竖井强力钻机，于2005年完成了板集煤矿副井钻井工程；2004年，研制了AD130/1000超大型全液压钻井机，是目前世界上设计能力最大的竖井钻机，使用该机完成了袁店煤矿南风井的钻井工程。AD130-1000型竖井钻机

近期研究成果2第八页，共49页。（2）发展和完善了钻井井壁筒悬浮下沉竖向结构稳定性计算方法提出了符合实际工况的钻井井壁筒竖向结构稳定临界深度计算方法。钻井井壁筒竖向结构失稳图

近期研究成果2第九页，共49页。（3）集成钻井法施工成套技术

创新了高压泥浆中钻头滚刀密封方法；改进了滚刀外壳齿形结构和焊接工艺；研制了竖井钻机柔性变径接头（专利号：ZL2.7

）；首次将扩孔钻头刀盘倾角由25°设计成35°，提高钻井效率15%；研制了高流动性、高结石率和高强度新型节间注浆材料（专利申请号：26

）；首次采用了悬浮触底壁后充填新方法。

近期研究成果2第十页，共49页。

隧道围岩的概念与工程性质1

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近期研究成果22.2以两淮矿区深厚冲积层钻井法施工典型工程为背景，采用理论分析、数值分析与工业性试验相结合的方法，研发新型超前和扩孔钻具结构、新型破岩（土）滚刀，提高破岩能力和排渣效率；创新一扩（钻）成井施工工艺;研发钻井泥浆无害化处理新技术等。通过技术创新与集成，形成一扩（钻）成井成套技术，解决“一扩（孔）”快速钻井法凿井关键技术难题，实现大幅提高钻井法成井速度、有效减少环境污染之目的。第十一页，共49页。

隧道围岩的概念与工程性质1

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近期研究成果2(1)完成一套新型“T”型“一钻成井”岩石和一套“一扩成井”表土钻头的设计，加工制造，并投入工业性试验，取得较高的钻进效率，岩石钻头钻进速度达到了60m/月。第十二页，共49页。

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近期研究成果2(2)选用耐磨合金铸钢，抵抗岩石碎块对齿根部的磨损，减少掉齿、断齿，内圈采用低碳钢，具有良好的综合力学性能和可加工性，采用了一次离心铸造工艺。第十三页，共49页。

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近期研究成果2(3)进行了泥浆压力10MPa下的滚刀密封试验和工业性试验。达到密封效果，滚刀密封能承受井深800m钻进泥浆压力。第十四页，共49页。

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近期研究成果2(4)研制成功新型岩石滚刀系列，解决了岩石钻进效率低、滚刀寿命短等影响钻井法凿井发展的技术关键。第十五页，共49页。

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近期研究成果2(5)引进“风险概率增强系数”，进行数据分析、对比，得到“一扩成井”工艺钻井法施工风险分布的“共性”规律。第十六页，共49页。

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近期研究成果2“一扩（一钻）成井”工业性试验井筒参数及成果名称成井方式钻机型号设计产量/Mt·a-1钻井深度/m钻井最大直径/m净直径/m成井速度m/月偏斜率/‰减少泥浆排放量/m3减少泥浆排放量占比/%袁店二矿主井一钻成井AD12/9000.9302.87.15.0450.118444

27.8袁店二矿副井一扩成井AD12/9000.8307.89.36.8310.2341300032袁店二矿风井一钻成井AD12/9000.9305.157.15.0420.348379.3

28朱集西矿矸石井一钻成井AD130/10004.0545.07.75.2390.1593000039.5第十七页，共49页。

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最新研究进展33.1钻井法凿井在西部地区应用所开展的工作

钻头锥角的优化

小锥角滚刀钻头孔底角由原来的25度优化为50度，减少了钻屑的重复破碎，提高了钻进效率。第十八页，共49页。

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最新研究进展33.1钻井法凿井在西部地区应用所开展的工作中煤矿山建设集团与苏州思丹孚钻具有限公司联合研制的12系列长球齿滚刀，比以往的滚刀寿命延长1.5倍以上。钻井刀具的研制3.1钻井法凿井在西部地区应用所开展的工作钻井刀具的研制第十九页，共49页。

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最新研究进展33.1钻井法凿井在西部地区应用所开展的工作

中煤矿山建设集团联合国内几家长期从事钻井刀具研究的单位，就15系列高效破岩滚刀的研制开展了合作研究；从表中可看出，承载力方面15系列刀具优于12系列刀具，其寿命也优于12系列刀具。

钻井刀具的研制12系列15系列径向承载力轴向承载力径向承载力轴向承载力68.3t22.45t153.3t71.4t第二十页，共49页。

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最新研究进展3中煤矿山建设集团进行行星滚子导向器的行星滚轴采用封闭式轴承，比原来的中心开放式轴承寿命长，减少了导向的检修次数，有效提高了纯钻进效率。3.1钻井法凿井在西部地区应用所开展的工作

钻井导向的研究第二十一页，共49页。

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最新研究进展3侏罗组地层：水敏性强，采用大比重低失水泥浆。可有效防止地层吸水发生岩块剥落。保证了井筒的安全。白垩系地层：采用低固相泥浆。固相颗粒含量低，洗井效过好，沉淀速度快，减少了钻屑的重复破碎，可有效提高钻进效率。针对不同地层开展了泥浆研究3.1针对钻井法凿井在西部地区应用所开展的工作

第二十二页，共49页。

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最新研究进展3钻井泥浆配置钻进泥浆配制比例：膨润土20%，纯碱5%，磺化褐煤树脂1%。泥浆与药剂配比：泥浆：纯碱：磺化褐煤树脂：广谱护壁剂Ⅲ型=100:1:1:1性能参数：比重1.05g/cm3，马氏漏斗粘度22s，失水量22ml/30min，含砂量0.5%。下沉井壁泥浆性能参数比重1.15g/cm3；马氏漏斗粘度30s；失水量15ml/30min；含砂量0.5%；胶体率＞98%；稳定性100%。第二十三页，共49页。

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最新研究进展3废弃泥浆处理

一般情况下，单口井产生的废弃泥浆约３～４万立方米。由于西部地区生态环境脆弱，有效处理废弃泥浆对保护生态环境具有重要意义。目前，国内常用“水土分离法”和“化学固化法”处理泥浆，从技术上来说，也已成熟。

第二十四页，共49页。

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最新研究进展3固化处理后产生的泥饼第二十五页，共49页。

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最新研究进展33.2钻井泥浆流场的研究第二十六页，共49页。

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最新研究进展3无需使用周边的吸收口，只要适当提高中间吸收口的流量即可3.2钻井泥浆流场的研究第二十七页，共49页。

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最新研究进展33.3井壁结构设计以神华新街能源有限责任公司新街一井为例：进风立井（φ6.5m；井深680m）

、回风立井（φ7.5m；井深680m

）；自上而下可采用以下井壁结构形式：上段：钢筋混凝土井壁；中段：单内层钢板、钢筋混凝土复合井壁；下段：双层钢板（内、外层）、钢筋混凝土夹层复合井壁。第二十八页，共49页。

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最新研究进展33.3井壁结构设计

以台格庙矿区立井井筒钻井法施工为例：井筒支护结构形式自上而下选择为：钢筋混凝土井壁，内层钢板、钢筋混凝土复合井壁，双层钢板高强高性能混凝土复合井壁。南京设计研究对台格庙矿区立井钻井井壁结构进行了优化：井壁结构设计及优化原则：（1）设计荷载取1.0倍静水压力；（2）部分控制截面钢板采用Q345；（3）混凝土强度等级采用最高C70；混凝土强度提高系数采用m=1.35；

第二十九页，共49页。

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最新研究进展3累深（m）内直径（m）井壁厚度（mm）砼强度等级钢筋环向竖向内层外层内层外层0～1086.8500C30Φ20@250Φ20@250Φ20@250Φ20@250108～1506.8500C40Φ20@250Φ20@250Φ20@250Φ20@250150～1926.8500C50Φ22@250Φ22@250Φ22@250Φ22@250192～2226.8500C60Φ22@250Φ22@250Φ22@250Φ22@250222～2586.8500C70Φ22@250Φ22@250Φ22@250Φ22@250258～3126.64580C60Φ25@250Φ25@250Φ25@250Φ25@250312～3606.64580C70Φ25@250Φ25@250Φ25@250Φ25@250360～4086.64580C60内层钢板Q235：20mm，配筋同上408～4526.64580C60内层钢板Q235：30mm，配筋同上表3钻井井壁结构设计参数（φ6.5m）第三十页，共49页。钻井井壁优结构简图

最新研究进展3第三十一页，共49页。

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最新进展33.4板集矿井井筒修复工作

副井破坏情况3

最新研究进展3板集副井73#井壁破坏情况板集副井46#井壁破坏情况1#螺栓（西北）2#螺栓（北偏西）3#螺栓（北偏东）第三十二页，共49页。

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最新进展33.4板集矿井井筒修复工作

副井破坏情况3

最新研究进展3板集副井47#井壁破坏情况第三十三页，共49页。

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最新进展33.4板集矿井井筒修复工作

主井破坏情况3

最新研究进展3板集煤矿主井54号与55号井壁错位第三十四页，共49页。

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最新进展33.4板集矿井井筒修复工作

风井破坏情况3

最新研究进展3风井99号井壁破坏情况第三十五页，共49页。

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最新进展33.4板集矿井井筒修复工作

修复情况板集矿井主、副、风三个井筒，先采用地面预注浆加固地层，进而采用冻结法在井壁外形成冻结壁，封隔地层与井筒内水力联系，在冻结壁的掩护下修复破损井壁。目前，主井和风井井筒已修复完毕，副井正在套壁，即将修复完毕。3

最新研究进展3第三十六页，共49页。过去，在钻井井壁结构设计计算时，主要考虑水平侧压力作用。但随着井筒穿过地质条件的复杂性，当井壁结构竖向出现拉应力时，节间只通过法兰盘之间的焊缝连接，竖向抗拉强度差，井壁结构在竖向方向极易被拉裂，对井筒的安全使用存在不利影响，为此，在以前研究基础上对信湖煤矿主、风井钻井井壁的竖向连接再次进行加强设计计算，结果如下。3.5信湖煤矿主、风井钻井井壁节间抗拉等强设计新型结构研究

最新进展3

最新进展

最新研究进展3第三十七页，共49页。信湖煤矿主、风井钻井井壁节间竖向连接加强设计计算按照等强设计原则，即节间法兰盘处连接抗拉强度不小于上节井壁自身的竖向抗拉强度。通过多方案对比，选择采用在井壁筒外表面法兰盘处加焊竖向连接钢板条，即通过焊接钢板条的方法来弥补法兰盘处焊缝自身强度的不足。计算公式如下：（1）井壁结构抗拉极限强度为:

（1）3.5信湖煤矿主、风井钻井井壁节间抗拉等强设计新型结构研究

最新进展33

最新研究进展3第三十八页，共49页。式中：—井壁结构自身抗拉强度，N；

—分别为井壁内层、外层钢板截面积，mm2；

—钢板抗拉强度，MPa；

—混凝土抗拉强度，MPa；

—井壁混凝土面积，mm2。（2）连接法兰盘抗拉强度为:

（2）

—井壁连接法兰盘抗拉强度，N；

—分别为井壁连接法兰盘内、外侧焊缝截面积，mm2。3.5信湖煤矿主、风井钻井井壁节间抗拉等强设计新型结构研究

最新研究进展3第三十九页，共49页。（3）连接法兰盘处井壁外表面加焊竖向钢板条后井壁连接强度：

—加强后法兰盘处井壁竖向连接结构，N；

—分别为井壁连接结构内、外层焊缝截面积，mm2；

—井壁外表面加焊的竖向钢板条抗拉强度，MPa；

—井壁外表面加焊的竖向钢板条总截面积，mm2

等强设计原则要求：公式（3）计算值＞＞公式（1）计算值（3）3.5信湖煤矿主、风井钻井井壁节间抗拉等强设计新型结构研究

最新研究进展3第四十页，共49页。

根据上面的计算原则和风井施工图，经计算，主要结果如下：1）37-43节井壁，加焊材料采用Q345、10mm钢板，加焊圆弧长度为原井壁周长的85%；2）29-36节井壁，加焊材料采用Q345、10mm钢板，加焊圆弧长度为原井壁周长的85%；3）21-28节井壁，加焊材料采用Q345、12mm钢板，加焊圆弧长度为原井壁周长的85%；3.5信湖煤矿主、风井钻井井壁节间抗拉等强设计新型结构研究

最新研究进展3风井计算结果第四十一页，共49页。主井计算结果1）2-3节井壁，加焊材料采用Q345、16mm钢板，加焊圆弧长度为原井壁周长的85%；2）4-26节井壁，加焊材料采用Q345、20mm钢板，加焊圆弧长度为原井壁周长的85%；3）27-33节井壁，加焊材料采用Q345、10mm钢板，加焊圆弧长度为原井壁周长的85%；4）34-40节井壁，加焊材料采用Q345、10mm钢板，加焊圆弧长度为原井壁周长的85%；5）41-47节井壁，加焊材料采用Q345、10mm钢板，加焊圆弧长度为原井壁周长的85%；6）可缩接头处，加焊材料采用Q345、钢材截面积为417643mm2。3.5信湖煤矿主、风井钻井井壁节间抗拉等强设计新型结构研究

最新研究进展3第四十二页，共49页。需要说明的是以上等强设计原则要求法兰盘处内、处侧焊缝厚度不小于20mm。因此，在现场施工时要采取措施避免过去法兰盘处焊接为点接触不利情况，应打坡口确保焊缝质量。3.5信湖煤矿主、风井钻井井壁节间抗拉等强设计新型结构研究

最新研究进展3主要保障措施第四十三页，共49页。原施工法兰焊接缺陷及改进措施示意图3.5信湖煤矿主、风井钻井井壁节间抗拉等强设计新型结构研究

最新研究进展3主要保障措施第四十四页，共49页。

隧道围岩的概念与工程性质1

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最新研究进展3