煤礦大口徑輸冰井施工技術(shù)

緱延民

(河南省煤田地質(zhì)局四隊，河南平頂山 467000)

煤礦大口徑輸冰井施工技術(shù)

緱延民

(河南省煤田地質(zhì)局四隊，河南平頂山 467000)

結(jié)合中平能化集團某礦大口徑輸冰井的工程實踐，總結(jié)了大口徑輸冰井的施工技術(shù)。從設(shè)備機具的選擇，先導(dǎo)孔及擴孔鉆具組合，采用先導(dǎo)孔、分級擴孔和水泥固井方法等方面闡述了大口徑輸冰井鉆井施工中的相關(guān)技術(shù)措施以及研制的新型保溫套管和采用割孔穿杠提吊加浮力塞的下套管方法。

煤礦;大口徑輸冰井;施工技術(shù)

0 引言

煤炭一直是我國的主要能源，在一次性能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著不可替代的重要地位。為滿足國民生產(chǎn)需要，煤礦必然加快向深部資源的勘探和開采。深部開采條件下，隨著采礦機械化程度的提高，生產(chǎn)更加集中，開采強度加大、地溫升高等因素惡化了礦內(nèi)作業(yè)環(huán)境，熱害問題越來越突出。井下高地溫嚴(yán)重影響礦工的工作效率和身心健康，甚至很可能導(dǎo)致一些礦井惡性事故的發(fā)生，給礦井的安全生產(chǎn)及其日常管理帶來了極大的威脅。為了改善井下采面的高溫現(xiàn)狀，有些煤礦開始與相關(guān)高校和降溫公司合作，對高地溫礦井井下降溫工程技術(shù)進行了積極的研究，其中有少數(shù)高溫礦井采用冰冷卻系統(tǒng)方法，通過井上融冰和井下融冰2種方式實施了井下降溫工程。但由于這些已經(jīng)實施的降溫工程受煤礦立井等開拓通道位置的限制，位置較遠(yuǎn)的采面實施井下降溫工程受到了很大限制，迫切需要在需要降溫的采區(qū)上部地面實施大口徑鉆井工程，下入保溫套管，在建立井上下保溫聯(lián)通通道的基礎(chǔ)上，實施井下降溫工程?？梢娒旱V井下降溫需要的大口徑鉆井技術(shù)和套管保溫技術(shù)正成為國內(nèi)外礦業(yè)開發(fā)研究的一個重要課題。

目前國內(nèi)外開展煤礦井下降溫工程，建立礦井上下連接通道，大都是利用煤礦開拓的立井中來敷設(shè)常規(guī)保溫管道，而通過鉆井的方式建立礦井上下聯(lián)通的套管保溫通道，尚處于試驗研究階段。

由于大口徑輸冰井井位設(shè)計大都在礦井采區(qū)井下巷道附近，對鉆井井斜的要求非常高，一些礦井巖石地層的傾角非常大，必須有效控制井斜，確保中靶;由于孔徑大、上部地層松軟，必須研究鉆井液工藝，解決井壁易坍塌的問題;此外，為滿足輸冰保溫要求和下套管要求，必須研究保溫套管的結(jié)構(gòu)性能和制造工藝。因此，通過對煤礦大口徑輸冰井施工技術(shù)和保溫技術(shù)開展研究，對于今后實施井下降溫工程、排水工程、瓦斯排放工程和建立煤礦應(yīng)急救生通道等方面，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

中平能化集團某礦大口徑輸冰井鉆井工程，設(shè)計井深為600 m，下入426 mm的雙層保溫套管，水泥固井后，井下建設(shè)融冰站，井上下的輸冰管路通過鉆孔連接，該井主要用于地面制冰站向地下采區(qū)內(nèi)輸送冰片，利用低溫水噴灑，實現(xiàn)井下降溫和除塵的雙重目的。

1 工程概況

1.1 地層情況

0～96 m為第四系粉質(zhì)粘土、流沙和礫石層;96～145 m為基巖風(fēng)化帶砂質(zhì)泥巖和砂巖;145～600 m為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等，裂隙發(fā)育，地層破碎，部分砂巖硅質(zhì)膠結(jié)，有3層不可采薄煤層，其中589～595 m為二1煤層。

1.2 技術(shù)要求

鉆孔深度600 m，井斜要求井底位移1 m/100 m。一開孔徑1080 mm，下入820 mm套管，水泥固井;二開孔徑650 mm，下入426 mm鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管，水泥固井后完井。

1.3 工程難點

1.3.1 地層松散、復(fù)雜

上部為第四系粉質(zhì)粘土、流沙和礫石層，地層松散，易坍塌掉塊;下部為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等，裂隙發(fā)育，地層破碎，部分砂巖硅質(zhì)膠結(jié)(平頂山砂巖)，可鉆性差。

1.3.2 設(shè)備和鉆具能力低

由于輸冰井口徑大，需要較大的轉(zhuǎn)盤扭矩，對鉆機和鉆具有較高的扭矩要求;由于孔徑大，對鉆井泵的能力也提出了較高的要求;由于套管串質(zhì)量大，需要鉆機、鉆塔和天車有足夠的提升力和承載力。

1.3.3 井斜和固井質(zhì)量要求高

由于地層有一定的傾角、井底附近又有巷道，需要采取可靠的控制井斜措施;由于孔徑大，固井水泥量大，對固井設(shè)備和固井過程的施工組織提出了較高的要求。

2 施工主要技術(shù)措施

2.1 施工主要設(shè)備和鉆具選擇

2.1.1 設(shè)備選擇

GZ2600型工程鉆機，JJ110/28－A型井架(配2.3 m鉆井平臺);3NB－1000、3NB－350型泥漿泵，旋流除砂器，電子單點多點測斜儀，配套電機和動力配電柜等。

2.1.2 鉆具選擇

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(見表1)

2.3 成井方法

大口徑輸冰井要求井筒垂直度高，井底位移小，完井后入井套管必須下入設(shè)計靶區(qū)，為保證輸冰降溫井的施工質(zhì)量，有效預(yù)防井斜，成井設(shè)計采用先導(dǎo)孔鉆進加分級擴孔的成井方法。

表1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)表

采用先導(dǎo)孔加分級擴孔方法的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在:一是對于大口徑輸冰井，采用先導(dǎo)孔鉆進然后分級擴孔的辦法，可以有效減少一次碎巖面積，從而較好的彌補了設(shè)備能力的不足;二是采用分級擴孔階梯型破碎井底，增加了井底巖石自由面，從而降低了破碎單位體積巖石所需的破碎功，使在同等機械破碎功的條件下，機械鉆速獲得較大的提高;三是實施先導(dǎo)孔鉆進能夠有效降低孔斜，一旦發(fā)生孔斜超標(biāo)時能夠及時有效地采取措施糾斜，從而為全孔孔身質(zhì)量的控制提供重要保障，此外，擴孔時采用帶導(dǎo)向頭的擴孔鉆頭有利于鉆孔保直。

2.4 鉆具組合

2.4.1 先導(dǎo)孔鉆具組合

2.4.2 先導(dǎo)孔糾斜鉆具組合

在施工先導(dǎo)孔過程中，如果通過測斜發(fā)現(xiàn)孔斜超標(biāo)時，應(yīng)及時采用糾斜鉆具組合進行糾斜。糾斜方法采用隨鉆螺桿定向鉆進技術(shù)，通過螺桿定向鉆進糾斜，確保井眼軌跡在設(shè)計范圍內(nèi)，井斜、井身質(zhì)量和井底位移滿足設(shè)計要求。

2.4.3 分級擴孔鉆具組合

2.5 鉆頭選擇

2.6 鉆井液

大口徑輸冰井鉆井施工中，鉆遇地層一般都會穿越第四系粘土、流沙及卵礫石等松散地層及水敏性地層和造漿性較強的地層。針對第四系地層不穩(wěn)定、孔壁易垮塌的特點，優(yōu)選細(xì)分散體系鉆井液，遇流沙、卵礫石地層，可以將鉆井液密度調(diào)到1.3 g/ cm3，漏斗粘度調(diào)到30 s以上。由于煤系地層部分層段易失水縮徑、裂隙發(fā)育，常規(guī)鉆井液漏失嚴(yán)重，煤系地層宜采用高粘度、低固相、不分散鉆井液體系。

3 大口徑輸冰井完井工藝技術(shù)

3.1 保溫套管結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于設(shè)計部門提交的鋼套鋼聚氨酯雙層保溫套管的結(jié)構(gòu)形式抗壓強度低，只能用于城市直埋供熱管道和煤礦立井中向下敷設(shè)，無法滿足本工程的施工要求。因此必須對原保溫套管的結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，使其既能簡化套管結(jié)構(gòu)，起到保溫效果，又能滿足安全下入套管和水泥固井要求。

在多種方案對比分析研究基礎(chǔ)上，最終設(shè)計采用鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管，其內(nèi)管為426 mm無縫鋼管。新型的鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管具有優(yōu)良的保溫性能和抗拉、抗壓強度，與原設(shè)計相比具有結(jié)構(gòu)更加簡單、施工技術(shù)更加可靠、造價更為低廉、保溫性能滿足設(shè)計要求等諸多優(yōu)點，經(jīng)過降溫工程實踐，完全滿足保溫設(shè)計要求。

3.2 下套管作業(yè)技術(shù)

大口徑輸冰井套管總質(zhì)量較大，往往超過鉆機及鉆塔的最大承載能力，下套管作業(yè)現(xiàn)場一般采用“提吊+浮力塞”法。該方法的關(guān)鍵點之一是浮力塞下入位置和浮力塞上部空管段長度的確定，既要通過浮力塞提供足夠大的有效浮力，降低鉆機提升和鉆塔承載負(fù)荷，又要確保浮力塞上部空管段的長度盡可能小，保證套管有效外擠壓力小于套管三軸抗外擠強度。因此在套管設(shè)計時必須對輸冰井的套管厚度進行強度計算，同時考慮設(shè)備的承載能力確定浮力塞安裝位置并計算出浮力塞上部最大允許空管段長度，確保下套管作業(yè)時鉆機鉤載控制在安全合理范圍內(nèi)。

下套管前應(yīng)調(diào)整好鉆井液性能指標(biāo)，循環(huán)要充分，確保井底沉渣能沖洗上來，同時利用除砂器，盡可能除去鉆井液中的有害固相。還要備好各種下套管工具，保養(yǎng)好鉆機、鉆井液泵及攪拌機等設(shè)備。

套管焊接前，必須打坡口，確保上下套管同心。使用的焊條必須經(jīng)過烤箱烘干，焊縫必須滿焊，密實、牢固，無氣孔和夾渣，焊縫質(zhì)量滿足要求，確保焊縫強度不低于套管材質(zhì)。套管管口焊接完畢，應(yīng)在焊縫外均勻加焊補強板。內(nèi)管焊接完成后，鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管的接頭位置要做好保溫處理。

3.3 固井

3.3.1 固井設(shè)備

主要有水泥灰罐車、水泥漿混合器、清水泵、注漿泵，設(shè)備數(shù)量根據(jù)固井水泥用量確定。

3.3.2 固井方法

大口徑輸冰井固井作業(yè)采用套管頭密封鉆具井底注漿固井的方法。套管下管作業(yè)完成、鉆穿水泥浮力塞后，在套管內(nèi)下入固井鉆桿到套管底口上部設(shè)計位置，利用井口裝置上的上下公母接頭將套管內(nèi)下入的鉆具與上部方鉆桿連接在一起，井口裝置與套管焊接在一起，實現(xiàn)套管井口密封。通過井口上部注水孔，用清水將套管空管段注滿并封閉注水閥門。這樣鉆桿底部以上到套管井口以下的空間被鉆井液實現(xiàn)了密封。由于套管頂部被密封，根據(jù)液體不可壓縮的原理，在進行鉆井液循環(huán)和注入水泥漿固井時，通過鉆桿入井的鉆井液或水泥漿只能從注漿鉆桿底口沿井壁與套管外壁之間的環(huán)狀間隙返出，由于鉆井液密度比水泥漿小，水泥漿從套管底部向上將環(huán)空中的鉆井液頂替出來。待環(huán)空中的水泥漿凝固后即可達(dá)到固管的目的。

在制備水泥漿前，為提高固井水泥漿頂替環(huán)空鉆井液的效率，有效避免固井水泥漿串槽，提高固井質(zhì)量，注水泥漿前應(yīng)先制備一定量的前置液注入井之后才開始制備水泥漿，轉(zhuǎn)入固井作業(yè)。

為保證固井質(zhì)量，水泥漿的制備和注水泥漿作業(yè)必須連續(xù)進行，要求制備水泥漿和注水泥漿作業(yè)有備用設(shè)備。在水泥漿的制備過程中，要配備專人動態(tài)檢測水泥漿的密度，水泥漿返出地面時要及時轉(zhuǎn)入替漿作業(yè)。替水后候凝，候凝結(jié)束后，將鉆具提出，清理井底，提出套管內(nèi)的水，套管內(nèi)的水位達(dá)到設(shè)計要求后，完井交工。

4 存在的問題及展望

由于施工大口徑輸冰井孔徑大，施工中選用的設(shè)備和鉆具能力明顯偏低，鉆機扭矩小，鉆壓加不上，加上需要分級擴孔，造成鉆進效率低，完井周期長。據(jù)筆者調(diào)查，目前國內(nèi)尚無合適的施工井徑2.0 m以內(nèi)、井深1000 m以淺的高效鉆機和配套鉆具，因此研制和研究選配合適的鉆機和鉆具迫在眉睫。

由于施工大口徑輸冰井孔徑大，采用正循環(huán)鉆井工藝，泥漿上返流速低，巖屑循環(huán)不上來，造成二次破碎，鉆進效率低，完井周期長。因此需要加強大口徑工程井氣舉反循環(huán)鉆井工藝的研究，而目前國內(nèi)使用的氣舉反循環(huán)鉆具中，大直徑反循環(huán)鉆具都采用法蘭連接，起下鉆輔助時間太長，而小直徑絲扣連接的反循環(huán)鉆具，又不適合大口徑鉆井。因此研制直徑在219～245 mm之間的絲扣連接的反循環(huán)鉆具和大口徑反循環(huán)鉆頭，可減少擴孔級數(shù)，大幅度提高大口徑工程井鉆井效率，有效縮短起下鉆輔助時間。

5 結(jié)語

中平能化集團某礦大口徑輸冰井項目的順利完井，其井身質(zhì)量、固井質(zhì)量、保溫效果等技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，項目順利通過竣工驗收。煤礦大口徑輸冰井施工技術(shù)的研究，鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管的研制和成功應(yīng)用，對全國礦山企業(yè)高地溫礦井實施井下輸冰降溫、輸送保溫介質(zhì)、瓦斯排放、井下排水工程和建立煤礦井下應(yīng)急救生通道等施工領(lǐng)域具有重大的借鑒意義和推廣價值，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］緱延民，耿建國，等.煤礦大口徑輸冰井施工技術(shù)研究報告［R］.河南省煤田地質(zhì)局四隊，2011.

［2］趙金洲，張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊［M］.北京:中國石化出版社，2011.

［3］中油長城鉆井有限責(zé)任公司鉆井液分公司.鉆井液技術(shù)手冊［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2009.

［4］袁志堅，白領(lǐng)國.大口徑瓦斯抽放井鉆探施工［J］.西部探礦工程，2007，19(10):80－82.

［5］袁志堅.提吊加浮力塞下管法在大口徑瓦斯抽排孔的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(1):27－29.

［6］金涌.煤礦大口徑瓦斯抽排孔施工技術(shù)［J］.中國煤炭地質(zhì)，2009，21(11):68－69.

Construction Technology of Large Diameter Ice Transmission Well in Coalmine

GOU Yan-min(The 4th Team， Coalfield Geology Bureau of Henan Province，Pingdingshan Henan 467000，China)

With the engineering practice of the large diameter ice transmission well of a coalmine，the construction technologies of large diameter ice transmission well were summed up.The relative technologies in the drilling construction were discussed about the equipment selection，bottom hole assembly for pilot hole＆reaming，the pilot hole，step reaming and well cementing;and the newly developed insulating case and casing method by lifting bar in cutting-holes and floating plug were also presented.

coalmine;large diameter ice transmission well;construction technology

P634.5

A

1672－7428(2012)08－0069－03

2012－07－16

緱延民(1967－)，男(漢族)，山東齊河人，河南省煤田地質(zhì)局四隊黨委書記、副隊長、高級工程師，機電工程專業(yè)，從事煤田地質(zhì)勘探、地質(zhì)鉆具加工、石油和煤層氣鉆井、大口徑特鑿鉆井技術(shù)與管理工作，河南省平頂山市礦工中路185號，gym2819@163.com。