大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)快速成井技術(shù)

張禹洲，白領(lǐng)國，徐婉君，李源匯

（1.河南省資源環(huán)境調(diào)查四院，河南鄭州450016；2.河南省大口徑鉆井工程技術(shù)研究中心，河南鄭州450016；3.河南省開封市地震臺，河南開封475000）

1 工程概況

同煤集團同忻井田上覆侏羅系2、3、9、11、14號煤層采空區(qū)存在大量積水，根據(jù)礦井防治水工作的要求和生產(chǎn)銜接的需要，為保證同忻礦工作面正常開采，有效防止采空區(qū)積水對下部煤層的威脅，從根本上消除、杜絕可能造成的危害，在地面施工抽水井，通過深井泵抽放，抽取采空區(qū)積水[1-2]。

試驗井為同煤國電同忻煤礦一、二盤區(qū)上覆采空區(qū)白洞4#、同家梁5#抽水井工程，其中白洞4#抽水井井徑?350mm，井深335m，同家梁5#抽水井井徑?485~?350mm，井深345m。

依據(jù)工程的施工條件的特性和大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)鉆進技術(shù)研究的特點，在本區(qū)域適合開展大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)鉆進技術(shù)研究。

2 地質(zhì)概況

井田位于大同煤田的中、東部，由老到新賦存地層有：太古界五臺群，寒武系，奧陶系下統(tǒng)，石炭系中統(tǒng)本溪組，上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組，侏羅系下統(tǒng)永定莊組，中統(tǒng)大同組、云岡組及第四系。

本次只針對大同煤田的石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組含煤地層。

太原組(C3t)：厚86~95.8m，一般厚88.6m。主要由灰、灰白、灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成。該組為大同煤田下煤系主要含煤地層，共含有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10號等煤層，煤層總厚平均為27m左右，含煤系數(shù)為30%，其中3、5、8號煤為主要可采煤層，其余各煤層井田內(nèi)局部或零星賦存。

山西組(P1s)：厚53.34~81.34m，一般69.2m，由一套灰、深灰、灰白色砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤層組成。本組共含煤四層，其中僅最下部山4號煤較為發(fā)育，具有工業(yè)可采價值，而其它山1、山2、山3號等煤層只是零星賦存，甚至僅為煤線，不具有工業(yè)價值。

3 鉆井質(zhì)量要求

該工程是針對礦區(qū)老巷道的積水進行治理，還要利用巷道內(nèi)水倉內(nèi)的存水，因此鉆井質(zhì)量要求高，鉆井垂直度要求嚴，并且確保鉆井直接鉆到老巷道和主水倉上，要求卡準見空深度，準確記錄所穿過煤層與井內(nèi)異常情況。

鉆井垂直度要求：施工的鉆井要求井斜不大于2o。

4 鉆井工藝

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

抽水井鉆孔結(jié)構(gòu)力求簡化、利于施工、降低消耗，確保鉆井的垂直度、井壁的穩(wěn)定性有利于大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)鉆井工藝研究[3-4]。井身結(jié)構(gòu)圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 白洞礦4#抽水井井身結(jié)構(gòu)圖

圖2 同家梁5#抽水井井身結(jié)構(gòu)圖

白洞4#抽水井鉆具組合：?350mm潛孔錘+?159mm鉆鋌+?127mm鉆桿+主動鉆桿；同家梁5#抽水井鉆具組合：?485mm潛孔錘+?159mm鉆鋌+?127mm鉆桿+主動鉆桿；?350mm潛孔錘+?159mm鉆鋌+?127mm鉆桿+主動鉆桿。

4.2 防斜措施

防斜方法包括合理選用鉆具和鉆進技術(shù)參數(shù)，嚴格操作，牢牢把住安裝、開井、換徑三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。

（1）開孔鉆進時，必須用低擋轉(zhuǎn)速，每鉆進3~5m停鉆，用水平尺校正方鉆桿，確保井口開直。

（2）鉆進中，每鉆進1個單根，劃眼2~3遍，劃眼速度控制在0.5m/min。

（3）為使鉆具工作穩(wěn)定，增設(shè)扶正器三個以上，扶正器與?350mm鉆頭同徑，分別連接在鉆鋌的三個不同部位，使?jié)M眼鉆具長度達到14m左右，有效地減少鉆具與井壁之間的間隙，防止鉆頭偏斜。

（4）鉆進過程，鉆壓不能過大，防止鉆桿彎曲而造成井斜。

（5）鉆進風化層、破碎帶、松散堆積層時，應(yīng)適當降低鉆壓，確保鉆井垂直度。

（6）鉆進時，應(yīng)保持環(huán)狀間隙暢通無阻。如遇坍塌掉塊現(xiàn)象，應(yīng)反復提動鉆具強行吹風沖擊，把掉塊擠碎吹出井外。

（7）增加粗徑鉆具長度，井淺時加接鉆鋌，井深時加鉆桿扶正器，扶正器長度不小于6m，保證井斜要求。

（8）采用電子多點測斜儀動態(tài)監(jiān)測井眼軌跡，確保井斜指標符合設(shè)計要求。及時調(diào)整鉆井參數(shù)，嚴格保證井身質(zhì)量。

根據(jù)地質(zhì)資料，在穿越采空區(qū)前，合理地組合好防斜扶正器之間的距離配比，使扶正器裝置在穿越采空區(qū)時，能更好地起到防斜扶正的效果，確保鉆井的垂直度，扶正穩(wěn)定器如圖3所示。

圖3 扶正穩(wěn)定器示意圖

4.3 過采空區(qū)鉆進技術(shù)措施

（1）結(jié)合礦方提供臨近鉆孔的地質(zhì)資料，及時從鉆孔柱狀、巖屑、地質(zhì)資料等方面綜合分析，提前判斷距采空區(qū)的井深。見空后立即停鉆，卡準見空深度并做好記錄。施工至第一層采空區(qū)頂板以上30m時（井深約124m），制訂大口徑潛孔錘過采空區(qū)的技術(shù)措施和防斜措施后方可施工，采空區(qū)鉆進示意見圖4。

圖4 采空區(qū)鉆進示意圖

（2）在采空區(qū)鉆進時，由于鉆頭壓力點失去支撐層，鉆具在采空內(nèi)會產(chǎn)生落空，或在冒落帶內(nèi)因重力垂落，鉆進時應(yīng)合理掌握鉆進技術(shù)參數(shù)，防止發(fā)生鉆桿折斷、鉆頭掉齒、斷齒以及排渣不及時造成井內(nèi)事故發(fā)生[6]。

（3）大口徑潛孔錘過采空區(qū)鉆進過程中，應(yīng)保持均勻加壓，防止盲目加大壓力，或忽大忽小，以保證鉆柱的穩(wěn)定性。

（4）過采空區(qū)鉆進如發(fā)現(xiàn)鉆桿抖動厲害或周期性滯轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說明遇到破碎帶或較大裂隙，應(yīng)立即提動鉆具，再緩慢下放，以較低鉆壓通過該區(qū)，防止造成鉆桿折斷等事故[7]。

（5）應(yīng)保持井底清潔，鉆進時當井內(nèi)堆積巖粉過多時，應(yīng)使用特制撈渣桶進行撈渣作業(yè)，及時清除井內(nèi)巖粉。

（6）進入采空區(qū)施工時，鉆井工作區(qū)嚴禁明火，井口采用主動排風措施，防止采空區(qū)有害氣體在井口區(qū)域富集，產(chǎn)生安全隱患。

5 試驗情況和技術(shù)參數(shù)

5.1 試驗情況

兩個抽水井均采用了大直徑潛孔錘過多層采空區(qū)正循環(huán)鉆進，白洞4#抽水井采用大口徑?350mm潛孔錘鉆進335m，共用20d，并使用撈渣管撈取井底巖屑，使井底干凈再用大口徑潛孔錘鉆進直接成井。同家梁5#抽水井采用大口徑?485mm潛孔錘開井鉆進至70m，改用大口徑?350mm潛孔錘鉆進至345m，共耗時20d。大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)鉆進分別在兩井試驗獲得了成功，圓滿地完成快速一次成井，鉆孔施工現(xiàn)場見圖5。

圖5 抽水井施工現(xiàn)場

5.2 技術(shù)參數(shù)

通過生產(chǎn)試驗，大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)鉆進時，隨著井深的不斷增加，在遇到采空區(qū)頂板或在采空區(qū)含水層中鉆進時，對機械的轉(zhuǎn)速、壓力以及空壓機的風量（采空區(qū)或潮濕層需要兩臺并聯(lián)使用）、風壓的變化有了進一步的認識，通過鉆井試驗，確定的技術(shù)參數(shù)最佳范圍為：鉆壓2~5kN,轉(zhuǎn)速12~18r/min、風量27.7~50m3/min、風壓15~25MPa。

6 鉆進成效分析

大口徑潛孔錘穿越多層采空區(qū)鉆進工藝，解決了在采空區(qū)泥漿鉆進中出現(xiàn)的漏漿、漏水、效率低、成本高等諸多問題，鉆進成效見表1。

表1 鉆進成效對比表

6.1 時間利用率高

大口徑空氣潛孔錘鉆進工藝與大口徑常規(guī)工藝鉆進相比，對含有一層或多層采空區(qū)的深層煤系復雜地層，利用大口徑潛孔錘不僅解決了常規(guī)工藝鉆進出現(xiàn)的漏水、漏漿、效率低、成本高問題，并且縮短了施工周期，時間利用率也有成倍的提高，是普通工藝鉆進無法與其相比的，白洞4#抽水井鉆效表見表2。

表2 白洞4#抽水井鉆效表

6.2 鉆頭壽命長、鉆探成本低

根據(jù)試驗，大口徑潛孔錘硬質(zhì)合金柱齒鉆頭的壽命達167.5m。由于采用過多層采空區(qū)鉆進一次成井，鉆進效率大幅提高，節(jié)省了泥漿材料和堵漏材料，減少了井內(nèi)事故，延長了鉆頭壽命，減輕了工人的勞動強度，縮短了施工周期，是常規(guī)工藝鉆進不可比擬的。

6.3 井內(nèi)事故少

大口徑潛孔錘穿越多層采空區(qū)一次成井鉆進工藝作為一種過多層采空區(qū)等復雜地層施工的新方法，解決了常規(guī)工藝鉆進出現(xiàn)的漏漿、漏水、成本高、效率低、遇到采空區(qū)不能封堵等鉆井易發(fā)生不安全事故等諸多問題，提高了過多層采空區(qū)大口徑工程的成功率。

6.4 鉆井彎曲度小

大口徑潛孔錘穿越多層采空區(qū)時，防止井斜是重中之重。由于采空區(qū)頂?shù)装逯g的差異，因此在進入采空區(qū)頂板之前，應(yīng)根據(jù)地層柱狀資料合理地調(diào)配好扶正器之間的配比，嚴格按照潛孔錘鉆進規(guī)程參數(shù)要求（鉆壓小、慢鉆速）穿越采空區(qū)。對白洞4#抽水井和同家梁5#抽水井兩個試驗井進行測斜，采用電子多點測斜儀動態(tài)監(jiān)測井眼軌跡，及時調(diào)整鉆井參數(shù)，嚴格保證井身質(zhì)量，確保井斜指標符合設(shè)計要求。兩個試驗井的測斜情況見表3、表4。

表3 白洞4#鉆井測斜數(shù)據(jù)表

表4 同家梁5#鉆井測斜數(shù)據(jù)表

7 結(jié)語

（1）研究了一套適合大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)施工的鉆機及配套機具、沖擊器。整套機具經(jīng)濟適用、技術(shù)性能匹配合理，技術(shù)參數(shù)能滿足施工需求，性能穩(wěn)定，運行可靠。

（2）研究了一套適用于大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)施工的鉆井工藝。主要包括：一次成井排渣困難，空壓機配置優(yōu)化以及鉆進參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速、風壓、風量）的優(yōu)選，以保證實現(xiàn)安全、高效、低耗、快速鉆進成井，可促使大直徑工程井鉆探技術(shù)水平大幅提升。

（3）研究了一套大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)鉆井工藝技術(shù)。針對大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)施工對井斜要求高、鉆井直徑大且深的難題，研究了對采空區(qū)和采空區(qū)落空段預防井斜的鉆進技術(shù)。

（4）對大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)工程鉆井施工所需的設(shè)備選用配套及大口徑潛孔錘鉆井、完井工藝技術(shù)進行了系統(tǒng)科學的研究。在認真研究大口徑潛孔錘鉆進工藝特點的基礎(chǔ)上，總結(jié)了一套大口徑潛孔錘施工實用新型工藝技術(shù)。

（5）采用大口徑潛孔錘過多層采空區(qū)鉆進工藝解決了目前施工大直徑工程中遇到的鉆進效率低、施工周期長、風險大、成本高等問題，使大直徑工程井施工技術(shù)水平得以大幅提升。對全國礦山企業(yè)大口徑工程項目施工具有重大的借鑒意義和推廣價值，潛在的經(jīng)濟效益和社會效益巨大，具有廣闊的應(yīng)用前景。