钻井法凿井一扩成井施工工1

钻井法凿井一扩成井施工工法GJYJGF100-2012中煤矿山建设集团有限责任公司安徽水利开发股份有限公司中煤特殊凿井有限责任公司王厚良赵时运丁明蔡鑫刘建国1前言随着我国经济的发展，国家对煤炭的需求量日益增大。矿井立井井筒向深大方向发展。钻井法施工煤矿立井井筒在质量方面优势显著，但效率不高。在深厚冲积层中采用钻井法凿井，钻进过程需要多次分级扩孔才能达到所需要的钻井直径，多次扩孔虽然能有效地利用钻机能力，但也存在许多问题：需要多个扩孔钻头，设备占用量大，施工成本高，辅助工作时间长、工效低，成井速度慢。为了更好的发挥钻井法的优势，优化施工工艺，采用新型钻机，减少钻进分级等方法，对深大井筒进行“一扩成井”，有效地解决了钻井法成井速度问题。在钻井法凿井“一扩成井”工艺研发过程中，依托“煤矿深井建设技术国家工程实验室”，采用理论分析，计算机模拟，室内试验等方法，开展了钻井新工艺研究，新型破岩滚刀研制，新型高效钻头结构研究，攻克了在传统钻井法凿井“一次超前，分级扩孔”的钻进工艺中存在的诸多难题，获得专利6项。《“一扩成井”快速钻井法凿井关键技术及装备研究》成果荣获国家科学技术进步奖二等奖、安徽省科学技术进步奖一等奖和中国煤炭工业科学技术奖特等奖。该技术于2010年12月26日通过了中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，对钻井法凿井技术的应用和发展具有重要意义。2工法特点2.0.1采用“一扩成井”技术施工煤矿立井井筒，减少了辅助作业时间，提高了钻井速度，缩短了施工工期30％以上。2.0.2采用专配15系列滚刀，提高钻头刀具的破岩效率，降低钻头的故障率，使钻头的检查间隔从8天提高到14天。2.0.3依据钻头排渣能力合理匹配“超前孔”和“扩孔”关系，一次破岩面积增加1-2倍，纯钻进速度提高50%以上；减少岩屑重复破碎，减少造浆15％。2.0.4采用钻井防偏技术控制钻孔偏斜，利用超声波测井仪对钻孔的偏斜率进行监测，钻井偏斜率小，成井质量高。2.0.5设备占用量少，减小劳动强度，减少施工场地的占用。3适用范围适用于不稳定含水地质条件下直径大于8m小于10m的立井井筒施工，尤其适用于深厚冲积层立井井筒施工。4工艺原理根据井筒设计参数和地质条件，选择钻机并配备合适的钻头和刀具，在确定的位置上，采用超前钻孔和一次扩孔钻进的方法施工；利用竖井钻机驱动钻具旋转，使滚刀切割岩土，将其破碎成岩屑；通过压气反循环进行泥浆循环洗井作业，将破碎的岩渣携带到地面的沉淀池内沉淀；泥浆循环的同时又起到护壁和冷却钻头的作用，如此反复，完成钻井的施工。钻进施工期间，在地面预制井壁并养护，养护期满后吊运堆放。当钻进至设计直径和深度后，依靠泥浆的浮力将预制好的井壁逐节对接漂浮下沉；当浮力大于重力时，向井壁内注入配重水，使井壁下沉并保持井壁处于漂浮状态直至井壁下沉到位；井壁下沉到底后，测量扶正井筒，使其偏斜率符合规范规定。然后采用水泥浆和碎石交替充填将井帮与井筒间的泥浆置换出来，完成充填固井作业。5施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程施工工艺流程见图5.1-1。图5.1-1工艺流程图钻进施工测量放线设备安装调试配置泥浆超前孔钻进井壁下沉井壁预制基础施工扩孔钻进充填固井5.2操作要点5.2.1测量放线根据业主提供的井筒中心坐标及测量控制点，放样确定钻井井筒的中心，依据井筒中心及工业广场总平面布置图确定出泥浆沉淀池、设备基础等位置。5.2.2基础施工（1）锁口施工1）根据临时锁口设计图纸，用机械沿轮廓线开挖，临时锁口周边及底部进行修整、夯实。2）临时锁口施工完毕后，其平整度必须满足钻机安装的要求。（2）基础施工1）根据工业大临基础图纸完成泥浆沉淀池、井壁预制基础等的施工。井壁预制基础的平整度和强度必须能满足井壁预制的要求。2）沉淀池的长度、宽度和深度应能满足泥浆流动时岩土颗粒依自重沉淀要求，沉淀池宽度还应控制在捞渣机械的工作半径内。5.2.3设备安装、调试（1）利用起重设备完成钻机、空气压缩机、门式起重机等设备的安装；钻机安装完毕后，要保证大钩提吊中心、转盘中心、井筒设计中心在同一铅垂线上。（2）根据图纸合理布置刀具，测量并记录钻头高度。（3）完成设备电气安装后，应先通电进行空载试运转，然后负载进行设备试运转。5.2.4配制泥浆开钻前应认真分析井筒地质资料，对自然造浆能力好的地层，可直接采用清水开钻。对开钻后不能自然造浆或自然造浆能力差的地层，提前配置泥浆，泥浆配置数量应能满足超前孔泥浆护壁需要。5.2.5钻进施工一扩成井示意图（1）开钻前，配备的空压机最大供风量应能满足全断面钻进时泥浆冲洗的要求。（2）开钻时应先进行泥浆正循环钻进作业，当钻进深度满足出浆要求后，起钻具，装入混合器，进行泥浆反循环钻进作业。（3）钻进期间，要经常检查钻进记录，校核钻具全长。（4）钻进期间，应根据地层情况合理选择钻压、转速等参数。（5）在钻进通过膨胀性地层时，钻孔容易缩径，可采取控制泥浆失水量、扫孔、反向刀具等技术措施，预防和消除钻孔缩径。（6）在钻进通过膨胀性粘土层、泥岩层时，钻头容易泥包，可采取如下措施预防和消除钻头泥包：1）钻进时应适当控制钻压，减小钻进速度。2）加大泥浆的冲洗量和适当降低泥浆的粘度。3）改进钻头结构和刀具布置方式。4）钻进过程中经常上下串动钻具，反复扫孔洗井。5）每次下钻时，在钻头距井底1.0m～1.5m处，经扫孔后，再进入工作面。（7）钻进期间，操作人员应注意观察各仪表的变化情况，防止掉钻、井内掉物、井帮坍塌等。（8）钻进期间，应及时清理沉淀池内的沉渣，定时化验泥浆的各项参数，严格控制井口泥浆面不低于临时锁口面500mm。（9）当超前孔钻至设计深度后，利用超声波测井仪测量钻孔垂直度和直径，符合规范要求后，进行下一步施工。（10）超前孔钻进结束后进行扩孔钻进，当扩孔钻进达到设计深度后，经调制泥浆、测井，确认符合要求后下沉井壁。5.2.6井壁预制（1）法兰盘加工时，应成对配钻加工，并严格控制焊接变形。（2）固定下法兰盘应用专用工具将其点焊在基础钢轨上，清扫干净。按方位焊好预埋件、节间注浆管，并将不正的焊筋板、封水板调正，做好方位标记。（3）井壁吊运堆放前应标明节号和方位，根据井壁下沉的顺序按“先下在上，后下在下”的原则堆放。5.2.7井壁下沉（1）井壁下沉准备1）井筒钻进结束后，调整泥浆参数，为井壁下沉做好准备。2）测量钻井的深度、直径以及偏斜情况，绘制井筒的纵剖面图和平面投影图，判断是否具备下沉井壁条件。3）计算出每节井壁下沉时所需增加配重水量，便于下沉时掌握。4）找出井壁底的中心，焊好找正用的中心线支座。5）安装第一段高的注浆充填用防逆流装置（检查、调整压力）。6）认真检查井壁底和其它井壁的壁后补注浆管，确保密封可靠。7）验算井壁下沉时的漂浮高度,对漂浮高度不满足要求的井壁要提前加设支撑梁。（2）井壁连接、下沉1）将井壁底吊至井口，对准临时锁口中心，缓慢下放，使支撑梁落在临时锁口上，并将支撑梁找平垫实。2）上、下两节井壁对接时,压在下节井壁的重量不得超过其钢梁的最大承载力。3）井壁对接时,当下部井壁的上法兰盘与上部井壁的下法兰盘的方位标记对齐后,缓慢下落上部井壁，当两节井壁轻轻接触,应迅速穿好螺栓，然后拉线找正,使中心线与井壁上下法兰盘”米”字线中心重合。4）井壁对接找正后，应用手将上下法兰盘连接螺栓拧紧，当对接的两法兰盘间隙超过5mm时，应用铁楔沿圆周方向按固定间距垫实，保证上部井壁的重量均匀传给下部井壁；法兰盘焊接时，当间隙过大需加圆钢填塞。5）井壁下沉结束后，测量井筒内的无水段高深度，并将其和理论计算值进行对照。如果实际值与理论计算值之差在±15m之内，视为正常。如果超出正常值则需要进行分析找出原因。（3）扶正固定井壁下沉到底后，应测量计算井筒的偏斜率，根据井筒偏斜率情况，确定出扶正点的位置和扶正量，在临时锁口上部利用千斤顶扶正井壁，当偏斜率符合规范要求后，扶正工作完成。5.2.8充填固井充填段高的合理划分以及充填材料的选用对提高壁后充填质量、降低成本等起到积极的作用。段高的合理划分以及充填材料的选用既应符合规范的规定，又要根据井筒深度按实际地质条件、井壁结构和充填工艺。水泥浆充填段高应设在第一段高和粘土层（隔水层）中或钢板砼符合井壁层位内，以增加摩擦力，更好地起到固井封水和腰箍作用。井筒表土段可采用石子充填，在确保充填质量前提下可起到降低成本的目的，一次充填高度不应超过100m。深井表土段应分为若干段，水泥浆和石子交替进行充填。井筒顶部充填段应采用水泥浆进行充填段高不得小于30m。（1）水泥浆充填划分原则：第一段高必须采用水泥浆充填，起固井和封水作用，第一段高下部要深入稳定基岩层中达5m以上，上部要覆盖冲积层与岩石交接带以上15m；水泥浆充填段高宜设在粘土层（隔水层）中或钢板砼复合井壁层位内，以增加摩擦力，更好地起到腰箍作用；井筒表土段可采用石子充填，一次充填高度不应超过100m。1）第一段高充填前，必须计算配重水量，加足配重水量。2）第一段高采用水泥浆充填，密度应大于1.70g/mm3。3）充填采用一泵一管制，并宜采用同型号注浆泵，充填时要经常观察压力表读数，如发现压力表读数不正常，要及时查明原因，确保充填正常进行。4）第一段高注浆后养护时间不应少于48小时，中间注浆段养护时间不应小于36小时。5）在下一段高充填前，应在对称的四个方位探测实际深度。（2）石料充填1）抛石充填应均匀对称进行，石料粒径40～60mm。2）抛石充填时，应在相互垂直的方位用两台经纬仪检测井壁位移，随时调整各方位的充填速度，使整个充填顶面大致保持一致。6材料与设备6.0.1主要材料、机具设备见表6.0.1-1表6.0.1-1主要材料、设备表序号名称规格单位数量备注1钻机台套根据井筒直径、设计钻井深度和现场情况确定2钻杆根3超前钻头套4扩孔钻头套5泥浆除砂装置ZX-250套6空压机GR200/20台7门式起重机300t×18m套8洗碴机台19注浆泵TBW-850/50台套610吊帽只根据井壁设计情况和井筒数量确定11内导向只12井壁模板套13井壁专用吊具套14吊车50t辆15装载机L40台216自卸汽车7～8t辆417挖掘机0.9m3台118灰浆搅拌机C-076-1台219双轴搅拌机5m3台套520超声波测井仪SKD-1套121经纬仪J2台222水准仪台123全站仪台124黄砂根据井筒深度、直径和井壁设计确定25碎石26水泥7质量控制7.0.1该工法严格执行《矿山井巷工程质量验收规范》（GB50213-2010）、《煤矿井巷工程施工质量检验评定标准》（MT5009-94）、《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）、《煤矿立井井筒装备防腐蚀技术规范》（MT/T5017-96）、《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81—91）。其质量检验项目及检验方法如下：（1）钻井临时锁口工程质量：检验材料质量证明书、复检报告、砼试件强度报告、砼施工记录。（2）钻进、吊运、泥浆系统的安装质量：检查安装记录。（3）钻井护壁泥浆质量：检查泥浆化验记录。（4）各级钻头钻进最终深度：测量钻进最终深度时组成钻杆、钻头等的长度，计算出钻具总长，校核钻进最终深度时的活残尺和死残尺。（5）成孔偏斜率：检查测井图纸。（6）井壁法兰盘连接质量：检查井壁下沉质量验收记录。（7）井壁法兰盘和法兰盘裸露面的防腐质量：检查井壁下沉质量验收记录。（8）钻井成井有效圆直径：检查测井图纸。（9）钻井成井深度：测量井壁下沉结束后井壁总长度。（10）钻井成井偏斜率：检查测井图纸。7.0.2达到工程质量目标所采取的技术措施（1）钻进前，要准确测量钻头、钻杆高度、长度、死残尺等参数。（2）在不均匀地层或软硬交接地层钻进时，应坚持减压钻进。（3）钻进期间，要严格控制泥浆的参数，确保护壁质量。（4）钻进结束前，提前调制泥浆，确保泥浆各项参数符合井壁下沉的要求。（5）充填用水泥浆必须搅拌均匀，水泥浆密度不应小于1.7g/mm3。水泥浆充填完毕，在碎石充填前，必须待水泥浆初凝后方可进行碎石充填。第一段高充填时，壁后注浆充填率不小于设计充填量