抗災排水鉆孔技術在粱北礦中的應用研究

王曉民

（中國煤炭地質總局 第二水文地質隊，河北 邢臺054000）

1 概 況

粱北煤礦地層位于華北地層區嵩箕小區，區內地層由下到上依次發育為寒武系上統崮山組、長山組，石炭系上統太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組、上統上石盒子組、石千峰組以及第四系。其中石炭-二疊系為主要含煤地層。礦區整體為單一地層走向106°～285°，傾向196°，地層傾角為6°～18°的單斜構造形態。整體構造復雜程度為中等。為提高梁北煤礦抗災排水能力，保障礦井安全生產，現設計抗災排水管路鉆孔3個，單孔深度683.50 m，合計2 050.50 m，鉆孔內敷設φ480 mm×22 mm排水管。

2 鉆探工藝

2.1 鉆井實際程序

（1）一開采用三翼鉆頭施工導向孔，導向孔為φ216 mm，鉆進至孔深701.38 m。

（2）二開采用φ450 mm的牙輪鉆頭，鉆進至設計孔深82.00 m，然后用φ960 mm鑲齒式組合牙輪鉆頭擴孔，下入φ820 mm×12 mm護壁管，水泥固井，水泥漿返至地面，候凝72 h。固井質量合格后，進行三開工作。

（3）三開采用φ780 mm組合牙輪鉆頭擴孔至孔深683.50 m，下入φ630 mm×24 mm通天工作管（材質為熱軋無縫鋼管），然后水泥固井，水泥漿返至地面，候凝72 h以上。

鉆井結構如圖1所示。

圖1 鉆井結構示意Fig.1 Drilling structure

2.2 鉆頭選擇

（1）導向孔鉆進，以φ216 mm帶噴嘴鑲齒牙輪鉆頭為主。

（2）擴孔使用組合牙輪鉆頭，用若干個鑲齒式牙輪鉆頭的單掌組焊接成φ450 mm、φ640 mm、φ860 mm、φ960 mm擴孔鉆頭，選用單掌時規格和新舊程度應一致，排放高度、角度嚴密均勻，加焊擋板，防止牙輪脫落，造成鉆頭損壞及孔內事故。

2.3 參數選擇

為了保證鉆進安全，提高鉆進效率和防止孔斜，采用塔式組合鉆頭，根據孔深、孔徑和巖性綜合選擇鉆進參數。

2.3.1 導向孔鉆進（φ215 mm）

（1）沖積層和煤系地層軟巖。

②硬巖。

2.3.2 大口徑擴孔鉆進

（1）沖積層。

（2）基巖。

3 防斜與糾斜工藝

導致鉆孔彎曲的因素很多，雖有一定的規律，但是鉆孔彎曲不可避免，鉆孔力求垂直，否則不僅會給鉆進造成困難，同時粗大的井管也難以下入孔內。本工程采用導向孔定向鉆進技術，首先是防斜，力求鉆孔垂直，然后定向糾斜的思路，實現靶點定向鉆進。開孔前應認真檢查鉆塔的安裝質量，塔基四角須挖基坑并用混凝土填平，至少2 d后再安裝鉆塔。

防斜方法包括合理選用鉆具組合和鉆進技術參數，嚴格操作要求，控制孔斜3個關鍵環節：安裝、開孔、換徑。側重4個方面。

（1）粗徑鉆具組合。使用φ127 mm鉆桿和粗徑鉆具，滿足φ215 mm導向孔鉆進井底壓力的需要。

（2）加扶正器3個。扶正器與φ215 mm鉆頭同徑，分別連接在φ178 mm鉆鋌的3個不同部位，使滿眼鉆進長度達到20 m，有效減少鉆具與孔壁之間的間隙，防止鉆頭偏斜。

（3）合理控制鉆壓，采用輕壓懸吊式鉆進方法把孔斜控制在最小范圍內。

導向孔采用及時測斜，隨鉆進掌握鉆孔的偏移量，測點段距定為30～50 m，10 m一個測點，一旦發現超偏跡象，及時采取糾斜措施。糾斜方法選擇隨鉆MWD隨鉆定向鉆進技術，這是保證中靶鉆進最可靠的鉆探工程技術。

4 下套管技術措施

4.1 套管規格

套管外徑630 mm，壁厚24 mm，材質為20號鋼無縫管。設計長度為683.50 m+0.50 m+逆止閥、旋流孔2.50 m=686.50 m（高出地面0.50 m），重量358.66 kg/m，總重量為686.50 m×358.66 kg/m=246 220.10 kg≈246.22 t。

4.2 套管強度校核

（1）抗拉強度。依據材質單，φ630 mm無縫鋼管抗拉強度為475 MPa。

（2）套管強度。φ630 mm套管材質為20號鋼，依據材質單中屈服強度為272 MPa，按照公式計算套管抗擠毀強度。

屈服擠毀強度：

當Dc/δ≤（Dc/δ）yp時，

塑性擠毀強度：

過度擠毀強度：

式中：Dc為套管外徑，取630 mm；δ為套管壁厚，取24 mm；Yp為管材屈服強度，取272 MPa；Pco為擠毀強度，MPa。

經計算，（Dc/δ）yp為屈服擠毀與塑性擠毀交點的徑厚比，取16.48；（Dc/δ）pt為塑性擠毀與過渡擠毀交點的徑厚比，取524.40。

φ630 mm外管徑厚比（Dc/δ）：630/24=26.25

由于16.48＜26.25＜524.40，即（Dc/δ）yp＜（Dc/δ）＜（Dc/δ）pt

所以抗擠毀強度Pco=12.898 MPa。

4.3 下套管作業

（1）終孔后采用同規格套管不少于20 m進行試下，順孔完成，觀察3 h，下入探棒檢測浮板或浮力塞密封效果。

（2）套管采用升降機提吊。套管柱底部具有引鞋及逆止閥，引鞋以上、逆止閥以下應割規格為φ8～12 mm的旋流孔5～7個。在套管柱底部30 m范圍內，增加3組彈性扶正條，保證下入孔內套管居中，確保固井過程水泥環厚度均勻。

（3）套管連接采用30°坡度對焊，下套管現場配備3臺電焊機，根據使用電焊條電流要求，及時調整焊接電流。接箍尺寸長不小于250 mm、厚10 mm。焊接時管口合縫、同心，焊縫要求不低于3遍，焊接應保證無漏失、無氣孔、砂眼、虛焊，焊接處管內無臺階。

（4）下套管前，調整孔內泥漿參數，必要時更換新泥漿。在泥漿中加入潤滑劑，減小下管阻力。現場準備備用泥漿，以防下管過程中孔內泥漿漏失。

（5）下管時采用浮力下管法，工作管采用割孔、穿杠、鋼絲繩牽引提吊的下管方法，在管口上端0.50 m處對稱切割φ125 mm圓孔。穿杠為鉆鋌加工而成，直徑不低于φ120 mm，用鋼絲繩連接游動大鉤，起吊套管，套管對接焊實后，抽出穿杠，將切下的圓板填入割孔內，焊牢，割孔外補焊方板加強。

（6）工作管的重量大于鉆塔的承載能力，下管前要提前加工浮力塞或浮板，下管中確保浮力塞或浮板能阻止泥漿從套管底進入管內，利用掏空浮力降低提吊設備的負荷，確保下管成功。

（7）套管下孔前核對編號并做記錄，根據參數，計算每下1根，設備承載重量，并與實際承載重量對比。

（8）套管吊起后，應由2臺經緯儀觀測（2臺經緯儀的夾角應有90°），確保套管垂直。

（9）下管工作力求快、穩，防止井壁失穩，盡量縮短下管時間，操作升降機人員必須平穩操作，嚴禁猛升猛降。

（10）套管焊接，焊接時由2人一組進行焊接，焊接工人必須持證。

（11）孔口返出的泥漿要及時進行抽排，下管結束后，加固管口并居中，套管高出地面0.50 m。

（12）下管作業過程中，定時回灌泥漿液，確保套管能夠緩慢下降。

5 固 井

5.1 水泥固井

（1）采用專業固井車進行固井，提前檢查和維護固井設備、管路。灰漿運輸車要求一起發車，一起到現場，確保固井注漿連續。

（2）固管方法采用孔底壓注水泥漿，從孔壁與管壁之間的環狀間隙返出井口的全固管方法，水泥比水為1∶0.6，水泥標號P·O425#。

（3）注漿時立軸和鉆桿要用大于10 MPa的單向閥鏈接。套管內要灌滿清水，管口與鉆桿間環狀空間用鋼板封閉，并在鋼板上連接壓力表（大于10 MPa）及放氣閥。

（4）封固前在現場對水泥進行簡易地面試驗，并保存樣品做好記錄。注漿過程要求連續，水泥漿取樣要求快速、準確、取全、取準數據，并準確計算替漿量。注漿前需注入前置液（清水）3～4 m3，孔內預留水泥塞10 m。

（5）待水泥凝固72 h后，檢查封孔止水效果，合格后進行下部施工。

5.2 固井質量檢測

水泥凝固72 h后進行掃水泥塞作業，套管內保留2 m，進行全井試壓，試驗壓力為3 MPa，30 min壓力下降不超過0.5 MPa即為合格。保證孔底揭露后管體不下落，管內及管壁不漏水。采用提桶清除套管內的積水、泥漿，要求殘留不大于5 m。經現場檢查，未發現漏失現象，證明固井質量達到設計要求。該項目為煤礦治理水患，提高抗災排水能力提供了一種可行的、實用的施工方案。

6 結 語

礦井防水治水是一項長期、細致的系統工程，根據粱北礦自身的水文地質條件，完成抗災排水管路鉆孔3個，圓滿的完成了整個項目的施工工作。