许町中央风井钻井法凿井速度分析及经验

2005/10/12 15:43:59

　　摘　要　介绍许町中央风井钻井法凿井施工情况，对严重影响钻进速度的各种因素进行分析，提出了钻进中应采取的措施。
　　关键词　钻井法凿井　钻进速度　竖井钻机

1　概况
　　许町煤矿为设计生产能力1.5Mt/a的大型矿井。其中央风井采用钻井法凿井，由中煤特殊工程公司采用西德L40/800型竖井钻机施工。井筒设计井深365.0m，为变径结构，净径上部为φ5.94m，下部为φ5.50m。从1997-10-20正式开钻到1999-02-09完成充填固井，总施工工期15.6月，平均月成井23.4m，偏斜率0.36‰，有效圆直径5.32m，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328.2m，基岩厚40.78m。冲积层主要由粘土、砂质粘土、砂及砾石层组成。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。砾石层以石灰岩、石英岩为主，砾径φ10～70mm，部分为粘土充填，钻进时易塌帮。基岩段主要由砂岩(以粉砂岩为主)和泥岩(局部含铝土)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φ6.8m，2级扩孔为φ8.0m。当第1级超前孔φ4.0m完成后，由于当时φ6.8m钻头正在其它工程使用，只好将φ6.8m和φ8.0m两级扩孔合并，直接用φ8.0m钻头扩孔。该井自1997-10-20开钻至1998-12-15钻进工作全部结束，总钻进时间13.8个月，平均钻进速度为26.45m/月，钻进情况详见附表。从附表中可以看出，在427d钻进中，纯钻进时间只有204.3d，约占总时间的47.85%；辅助时间78.9d，约占18.48%；影响时间143.8d，约占33.67%。因此，要提高钻进速度，必须减少辅助时间和影响时间。

附表　许町中央风井钻进情况统计

名　　称	超前孔 (φ4.0m)	扩孔 (φ8.0m)	合计
总时间/d	126^*	301	427
纯钻进时间/d	70.8	133.5	204.3
辅助作业时间/d	26.7	52.2	78.9
影响时间^**/d	28.5	115.3	143.8
表土纯钻速/m^.d^-1	7.58	3.25	1.61
岩层纯钻速/m^.d^-1	1.48	1.09	0.64
总钻速/m^.d^-1	2.90	1.21	0.85
纯钻率/%	56.19	44.35	47.85
钻井深度/m	368.98	363.7	—
破岩面积/m²	12.57	37.70	50.27

　　注：*包括试钻时间13d；**包括机械故障，处理泥包钻头、掉钻头等事故以及掏孔时间。

2　影响钻进速度的主要因素
2.1　钻进工艺
　　1级超前，2级扩孔，其破岩面积分别是12.56，23.75和13.95m²；而1级超前，1级扩孔，扩孔面积达到37.70m²，钻机负荷过大，就出现跳钻蹩钻等孔内事故，大大降低钻进速度。另外，由于受钻机能力限制，在钻进不同地层时，不能及时调整钻进参数以达到最佳钻进效果，也影响了钻进速度。
2.2　设备
　　西德L40/800型竖井钻机设备已陈旧老化，故障率高，机械效率低，维修时间和辅助时间增加，从而降低了平均钻速。另外，由于长期使用，螺栓联接疲劳严重，焊接部位焊缝损伤，造成多次掉钻头事故，事故处理总耗时达47.5d，严重影响了钻速。在井筒钻进施工中，共发生3次掉钻头事故：第1次发生在粘土层，钻进深度为267.15m，钻杆与过渡接头部位联接螺栓被切断；第2次发生在钙质粘土层，钻进深度为320.08m，破坏部位为过渡接头连接法兰盘与喇叭型过渡处的焊缝；第3次发生在泥岩层，钻进深度为342.9m，仍是法兰盘联接螺栓被剪切破坏，造成稳定器以下部分全部脱落。
2.3　地质条件
　　该井筒穿过的粘土层较多，粘性好，遇水膨胀，造浆能力强；又由于废浆排放场地小，不能及时调整泥浆参数，有时只靠一些化学药剂抑制造浆，效果不明显，使泥浆粘度达40s，密度达1.3t/m³以上。因此，发生多次泥包钻头。在超前孔钻进中，因泥包钻头起钻达9次。如在钻进深度112.3m,200.7m和301.3m(粘土层)时，出现严重的泥包钻头现象，起下钻具和检修、清理钻头耗时23.7d；处理泥包使得钻进辅助时间太长。在φ8.0m钻头扩孔时泥包现象更为严重。此外，上下串动钻具、反复扫孔洗井调整泥浆参数，也影响钻进速度。

3　钻进中应采取的措施
　　下面针对L40/800型钻机提出一些改进措施，以加快钻进速度，提高钻进效率。
　　(1)合理确定超前孔和各级扩孔钻头直径，没有特殊情况，尽量避免并级钻进，使钻机处于良好的工作状态，以便优化钻进参数，达到较高钻速。
　　(2)根据具体地层条件，合理选择和布置破岩刀具，提高钻头自洁能力，减少泥包钻头的发生。在钻进粘土层时，要适当控制钻压，减小给进速度，严格控制泥浆参数；同时要经常串动钻具，加强扫孔和洗井，以减少处理泥包辅助时间，减轻工人的劳动强度。
　　(3)根据地层条件和刀具类型，合理选择钻进参数。首先，在施工组织设计中，要根据地层不同位置设计合理钻进参数；其次，在实际操作中，要随时观察地层状况，并将钻进参数调整到最佳。特别是在钻进复杂地层，如卵石层和破碎带，应采取小钻压、低转速，并加强洗井。
　　(4)加强设备维护和保养，减少维修等辅助作业时间。西德L40/800型竖井钻机是全液压系统，技术先进，造价高，若维修管理跟不上，就会增加辅助时间，影响钻机效率的发挥，缩短使用寿命。特别是该钻机无论钻杆还是钻具全部使用螺栓联接，为保证其可靠性，联接时要保证预紧力矩；联接前要采取措施保证上下法兰盘面清洁，并使上下法兰盘贴紧。针对法兰盘联接的不足，应设置增加传递扭矩的工字卡结构，或采取防松措施，使联接螺栓不至因松动而发生剪切破坏；同时尽可能使用高强度或经过探伤检测的螺栓，防止或减少掉钻头事故。

4　结语
　　提高钻进速度必须从提高纯钻进速度、减少辅助作业时间、提高钻机工作效率等几方面入手，同时要精心组织，精心操作，减少或消除钻进事故。

作者简介：王文升，1965年生，1989年毕业于淮南矿业学院矿井建设专业，工程师。一直从事钻井法施工技术工作，曾发表论文。
作者单位：(中煤特殊工程公司，淮北，235000)

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