大口径煤矿定向排水井钻探及完井施工技术.pdf

2 0 0 7 年第 4 期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 4 7 大口径煤矿定向排水井钻探及完井施工技术 刘炳志， 韩成彬 ， 王英 ，王永丰 ( 山东省煤田地质局第三勘探队， 山东 泰安 2 7 1 0 0 0 ) 摘要： 介绍了大口径煤矿排水井在较复杂地层中的成孔、 完井的施工技术。从多个角度详细介绍 了利用正循环 钻进工艺施工过程中， 对于一些复杂地层的处理方法和处理工艺。利用泥浆处理技术 ， 成功克服了大口径排粉的 困难； 应用塔式钻具及减压钻进技术保证了钻孔垂直度。建议在类似工程中推广应用气举反循环钻进工艺技术。 关键词： 煤矿定向排水井； 塔式钻具； 减压钻进 ； 组合式牙轮钻头； 气举反循环 中图分类号．． T I Y ／ 4 5 文献标识码： B 文章编号： 1 6 7 2- 7 4 2 8 ( 2 0 0 7 ) 0 4—0 o 4 7— 0 2 临沂矿务局邱集煤矿为解决矿井水问题 ， 委托 我队施工 了一 口井径较大的定 向排水井 ， 该井终孔 深度 4 2 5 m， 终孔直径 5 0 8 m m 。由于钻孔直径大， 地质条件复杂， 垂直度要求高， 成井难度大。为此， 我单位组织相关技术人员研究制定 了一系列技术保 障措施 ， 最终达到了设计要求， 受到了业主的好评。 1 地质条件 ( 1 ) 第四系： 以砂土、 砂质粘土为主， 夹有多层 粉砂、 细砂及中砂层， 底部为一层不稳定的含砾或含 砾粘土， 局部为砾石层， 与下伏第三系呈不整合接 触 ； ( 2 ) 第三 系： 以粘土、 钙 质粘 土为主， 层底埋深 3 0 0 m左右 ； ( 3 ) 二叠系石盒子组： 以灰绿色砂岩、 杂质粘土 岩为主， 局部夹灰色至深灰色粘土岩及粉砂岩； ( 4 ) 二叠系山西组： 以深灰色、 灰黑色粉砂岩及 泥岩和灰色、 白色砂岩为主， 含薄煤层 3层 ( 2 、 3 、 4 煤 ) ； ( 5 ) 石炭系： 主要由深灰色、 灰黑色粉砂岩， 泥 岩， 灰色砂岩， 石灰岩组成， 为主要含煤地层。 排水孔的终孔层位为 1 0煤顶板。 2 钻 井施工设备及器具 施工设备 ： G Z一1 0 0 0型钻机 ； 2 4 m 角塔井架 ； T B w一 8 5 0 ／ 5 0型泥浆泵 2台； Z D一 1 型振动筛除砂 器 1台； 1 1 0 k W ／ l O 0 k W发电机 3台。 钻具 ： 2 0 3 mm钻铤 4 5 m， 1 ~ 1 5 9 mm钻铤 2 7 m， 0 1 2 7 m m钻杆 4 3 0 m。 钻头： 6 o ． 4 m m钢齿牙轮钻头 1 个， 组合式 镶齿牙轮钻头 1 个； I~ 5 0 8 m m组合式镶齿牙轮钻头 2个。 3 井身结构设计 本排水井设计为二开。一开采用 6 o ． 4 m m 孔径 ， 钻入基岩不少于 1 0 m， 深度 3 2 0 m， 下入 5 6 0 m m表层套管 ， 水 泥全 固井。表层套管 主要 是封隔 第四系地层， 钻进中重视泥浆质量管理， 防止孔壁坍 塌。二开采用 I~ 5 0 8 m m孔径， 钻至设计孔深4 2 5 m， 全井下入 0 4 2 6 m m抽水管， 水泥全固井封闭。 4 钻进工艺的选择 根据地质资料显示， 该孔地层复杂， 裂隙发育， 容易产生坍塌、 掉块而造成卡钻、 埋钻等孔内事故， 因此成孔过程中孔壁维护难度较大； 另外， 由于孔径 较大， 携粉及排粉困难； 对孔的垂直度要求高。因 此， 本井采用以下技术措施 ， 保证施工的顺利进行。 4 ． 1 利用塔式钻具 和减压钻进技术解决孔斜问题 4 ． 1 ． 1 塔式钻具 塔式钻具是指钻具组合中从粗径加重钻铤到小 径钻杆的级配要合理， 同心连接， 每一级组合要平缓 过渡， 尽量避免应力集中， 造成钻具的损坏。这样的 钻具组合具有在高速旋转中钻具的同心度好、 受力 分散 、 从而能起 到钻孔孔径规则 、 防斜作用好 ， 延长 钻具寿命的作用。本孔采用的塔式钻具组合为： 钻 头 + 0 3 m m钻铤 ( 长 4 5 m)+1 ~ 1 5 9 m m钻铤 ( 长 2 7 m)+0 1 2 7 mm钻杆 +主钻杆。 4 ． 1 ． 2 减压钻进技术 收稿 日期 ： 2 0 0 6一l l一1 4； 改 回日期 ： 2 0 0 7-0 3—2 9 作者简介： 刘炳志( 1 9 6 8一 ) ， 男( 汉族) ， 山东高密人， 山东省煤田地质局第三勘探队工程师， 探矿工程专业， 从事煤田地质勘探、 深水井、 地热 井及煤层气井等方面的钻探技术工作， 山东省泰安市泰山大街 8 6 9号， l b z h 1 9 6 8 @1 6 3 ． C O I l 1 。 维普资讯 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 0 7年第 4期 利用孔底部分钻铤加压， 钻压不超过钻铤重力 的 7 O ％ 。 4 ． 2 携粉及排粉 施工使用优质低 固相泥浆 ， 选用正循环钻进工 艺， 采用2台 T B W 8 5 0 ／ 5 0型泥浆泵并联使用， 增大 泥浆的人口泵量， 从而提高泥浆的孔内上返速度， 达 到携粉及排粉的目的。 4 ． 3 钻进规程参数及注意事项 针对不同的地层， 采用不同的钻压、 转速、 泵量 等工艺参数 。由于本孔要求垂直度很高 ， 所 以采用 塔式钻具减压钻进技术 ， 实现垂直钻进的 目的。钻 压一般为 8 0～ 1 0 0 k N ， 转速较低， 一般用 4 8 r ／ m in ， 尽量采用大泵量。实践证明， 这种钻进技术在该孔 成孔过程 中应用非常成功 ， 控制 了钻孔顶 角 O ． 1 。 ／ ( 4 1 0 m) ， 远远小于允许的偏斜要求， 达到了设计 目 的。 钻进过程中， 实行定深测斜 ， 每 2 0 m测斜 1次， 发现井斜及时纠正， 要求孔斜≯2 ‰； 采用“ 塔式钻 具” 防斜， 严禁弯曲钻具下人孔内； 二开时加扶正器 纠斜、 稳直； 坚持每钻程扫孔。 5 泥浆处理技术 5 ． 1 泥浆性能参数 由于钻孔孔径大， 产生的岩粉多， 钻杆与孔壁的 环状间隙大， 用正循环钻进工艺， 能及时地将井底岩 粉排出孔外是调整泥浆性能的主要依据。 在开孔第 四系地层 和第 三系地层的钻进过程 中， 由于第四系地层主要以砂土、 砂质粘土为主， 含 砂量较高， 所以， 采用优质粘土配制聚丙烯酰胺低固 相泥浆， 添加腐植酸钾、 纤维素等外加剂， 稳定孔壁。 泥浆性能参数为 ： 粘度 2 6～3 2 s ， 密度 1 ． 1 0～1 ． 2 0 k g ／ L ， 失水量≯1 5 m lM( 3 0 m i n ) ， p H值 8～ 9 ， 含砂 量 ≯4 ％。在钻进过程 中， 要一直保持振动筛除砂 ， 保证泥浆的质量。 为保证表层套管下管顺利， 顺孔时适当调整泥 浆性能参数， 保证孔壁稳定和孔底沉渣在允许范围 内， 适当调整泥浆性能参数。下表层套管前顺孔泥 浆性能参数为 ： 粘度为 2 2～ 2 6 s ， 密度 1 ． 1 2 k g ／ L左 右， 失水量≯1 0 m L ／ ( 3 0 m in ) ， 含砂量≯ 4 ％。 二开钻进泥浆性能参数为 ： 粘度 2 3～ 2 8 s ， 密度 1 ． 1 O一 1 ． 1 5 k g ／ L ， 失水量≯1 5 m L ／ ( 3 0 m i n ) ， p H值 8 ， 含砂量≯4 ％。 达到设计孔深后， 为保证抽水井管下管顺利， 顺 孔时泥浆性能参数调整为： 粘度2 1 ～ 2 3 s ， 密度1 ． 0 8 ～ 1 ． 1 0 k g ／ L ， 失水量 ≯1 0 m lM( 3 0 m i n ) ， 含砂量≯ 4 ％ 。 5 ． 2 泥浆的维护 ( 1 ) 正常钻进 中， 每 回次检测泥浆全部性 能一 次， 并记录。发现泥浆性能变差时 ， 及时调整泥浆性 能并保持泥浆性能的稳定。 ( 2 ) 每次调浆或搅浆后要测定泥浆性能并记 录。 ( 3 ) 当井内遇特殊情况或重要施工工序时， 要 注意观察， 并测定泥浆性能变化， 以便及时调节。 ( 4 ) 要坚持泥浆交接班制度， 保证泥浆性能稳 定。 5 ． 3 特殊情况下的泥浆处理注意事项 上部地层造浆井段： 应避免直接加入清水稀释， 必要时采用稀释剂溶液进行处理。 坍塌井段： 泥浆粘度 3 O～ 3 5 s ， 密度 1 ． 2 0 k g ／ L 左右 ， 失水量 ≯8 m L ／ ( 3 0 m i n ) 。 漏失井段 ： 泥浆粘度 2 4～ 3 0 s ， 密度 1 ． 1 0～ 1 ． 1 5 k g ／ L ， 视漏失情况采取相应的处理措施， 并备有充足 的储备泥浆。 现场配有振动筛除砂器， 并保持其正常工作。 钻进间隙随时清理泥浆循环槽里的沉砂。 6 成 井 工艺 6 ． 1 一开 一 开钻进到预定深度后 ， 下人表层套管。 顺孔 ： 钻孔达到孔深 3 2 0 m时 ， 根据设计要求 ， 用 3 0 m ln 、 不短于9 m的顺孔管顺孔， 孔内钻具上 下顺畅后， 用 5 6 0 m m井管( 长3 0 m) 顺孔， 经验证 整个井段井管上下活动顺畅后下 5 6 0 m l n井管。 下管方法： 根据钻机的提升能力 ， 采用钻机提吊 安装井管方法。由于井管井径大、 质量较大， 经计 算， 井管总质量4 3 t ， 所以下井管时一定要制定相应 的下井管安全措施， 专人指挥， 专人操作， 当放人井 内的井管较多时， 提动井管应谨慎， 保证下井管时安 全可靠。 固井： 采用水泥浆全孔段固井止水， 注浆压力 2 ～ 3 M P a ， 水泥标号4 2 ． 5 R ， 水灰比O ． 6 。 6 ． 2 二开 二开钻进到设计孔深后， 下人抽水井管完井。 顺孔： 钻孔达到设计孔深( 4 2 5 m ) 后， 根据设计 要求， 用 5 0 0 m m 、 不短于9 m的顺孔管顺孔， 孔内 钻 具上下顺畅后， 用0 4 2 6 m m 井管( 长3 0 m) 探孔， ( 下转第5 0页) 维普资讯 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 0 7年第 4期 力进行冲击 ， 将挤扁 的过滤管撑大到一定 的孔径 。 每次冲击的力量必须适当、 均匀， 防止将套管冲断而 增加事故处理的复杂程度 。冲击时应开泵 冲孔， 排 除套管内的泥砂， 增强处理效果。 2 ． 1 ． 2 回转法 利用图 2所示的旋转撑管器 ， 施加适当的压力 ， 在钻具回转的作用下 ， 将挤损套管逐渐扩大到原来 的直径 ， 达到修复的 目的。在撑管过程中， 仍需开泵 冲孔， 排除过滤管内外积砂， 增强处理效果。 滚轮二(4 1 、 ) 滚轮 一 “1 、 ) 旋转撑管 器 8 9 钻柑 ： 接头( ) 通 图 2 旋转撑臂器示意 图 2 ． 2 过滤管修复 通过以上两种方法处理完成后， 损坏的过滤管 内径已基本达到了原来的直径， 上下钻具畅通无阻。 在洗井 的过程中， 返上大量 的细砂， 证明缠丝遭到破 坏 ， 已失去滤水作用， 无法交井。通过井下视频技术 也证明了过滤管已经遭到破坏。必须对过滤管进行 处理， 增强过滤管的过滤作用， 防止细砂进人井内。 如图 3所示， 采用套管 内壁挂管技术， 选用 0 1 2 7 m m过滤管， 缠丝间距仍为0 ． 3 5 m m ， 在其两端 缠好止水膨胀胶带， 每端各 2 道， 通过钻具下到过滤 管受损部位 ， 静止 4 8 h ， 通过止水胶带 的膨胀作用 ， 将 1 2 7 m m过滤管固定在受损过滤管的位置， 起到 过滤 、 阻砂的作用 。经过 4 8 h后， 通过提拉实验 ， 证 明已悬挂牢固， 进行摘挂处理， 提出井 内钻具 ， 重新 洗井， 出水正常， 直到事故处理完毕。 止 水膨胀胶带 受损筛管 挂壁筛管 图 3 内壁挂管法示意图 3 事故处理的效果 事故处理结束后， 经过抽水实验 ， 水 中含砂量达 到设计要求， 水质完全符合国家饮用水的标准， 水量 满足设计要求， 处理达到了预期效果， 处理工作圆满 结束。 4 结语 通过本次事故， 我们认为在深井下套管作业中， 必须向套管内注水， 调整好套管内外压力差， 使套管 内外的压力基本达到平衡， 否则极易造成套管损坏， 影响成井质量 。 ( 上接第 4 8页) 经验证整个 井段井管无 阻力后 ， 下人 0 4 2 6 m m井 管。 下管方法 ： 采用提 吊浮力塞法下管 。经 计算 ， 2 6 mm X 1 2 m m X 4 2 5 m井管总质量为 5 1 ． 7 4 t ， 浮力塞控制浮力 ≯2 2 0 k N， 即管内液面深度 ≯2 0 0 m 0 固井止水 ： 采用水泥浆全孔段固井止水， 注浆压 力 3～ 5 MP a ， 水泥标号 4 2 ． 5 R， 水灰比0 ． 6 。 7 井管密封检查及井管内泥浆处理 固井结束 4 8 h后按设计要求进行试压保压试 验， 试压压力达设计压力后保压 2 0 m i n以上， 证明 井管密封 良好 。 采用提桶法 ， 清空管内稀泥浆 ， 管内的残液高度 <0． 5 m。 8结语 该排水井施工比较成功 ， 按设计要求在业主要 求的工期之内顺利完成了施工任务。但基于该井井 径较大， 使用正循环钻进工艺排粉难度较大， 钻进效 率相对较低， 施工过程中维护泥浆性能难度较大， 泥 浆质量要求较高。笔者认为施工该类井或比该井深 度更大、 井径更大的类似工程时， 如果结合气举反循 环钻井工艺， 会取得更加良好的技术效果和经济效 果 。 维普资讯