大口径直排井讲稿.doc

大口径直排井钻探施工工艺一、大口径直排井大口径直排井（也叫充填井），顾名思义，口径大，一般开孔1200mm，终孔直径650800mm，主要以下入530mm30mm套管为主要目的。大口径直排井是近几年来，在煤矿企业逐渐发展、普遍采用的一种矿山治理行之有效的方法。随着煤矿企业安全生产事故的频发，我国政府不断加大对煤矿安全生产工作的监管力度。为确保煤矿安全生产，各煤矿生产企业纷纷投入大量资金，通过地面施工大口径直排钻孔，以解决煤矿突水、应急抽排；瓦斯超标抽排和瓦斯综合利用等生产技术难题。同时一些历史悠久的煤矿企业，经过长期开采，资源逐渐枯竭，剩余煤炭储量严重不足，为延续矿井使用寿命，通过地面大口径直排钻孔，将洗煤厂洗选出的矸石，经过破碎、筛分，与电厂的粉煤灰混合，投入直排孔中，再转入充填区，用压实机捣实，让充填物形成新的支撑体，避免煤层顶板破坏和地面下沉，以控制地表沉降，达到基本不迁村、不拆建筑，采取原煤柱和建筑物下原煤，以解放 “三下” (水下、路下、建筑物下) 这一煤炭行业面临的压煤难题，达到延长矿井的使用寿命。 二、直排孔一般要求（甲方招标） 主要以甲方技术要求及各种规范为准。 1、设计井深：一般在200800m。2、坐标：一般用高斯直角坐标（平面直角坐标）井口坐标：X：4106841.119；Y：38548160.090；Z：58井底坐标：X：4106841.119；Y：38548160.090；Z：-7423、水平位移：一般要求：1.5m为特级孔，1.53m为合格，大于3m为废孔。4、取芯：一般不作要求。5、护壁套管：一般为螺旋或无缝钢管，厚度1012mm6、生产套管：530mm，厚度30mm7、生产套管之间焊接，不得渗漏水。8、固井水泥要求：普通硅酸盐水泥，P.O42.5或42.5R。9、耐压试验：按照水文地质钻探规程DZ/T0148-9410、常规测井：视电阻率；自然电位；天然放射性；井斜；方位。特殊测井：声波测井；孔内电视测井11、提供准确落点坐标：一般误差不大于0.51.5m。12、完井后清空套管内残余泥浆，一般不大于25m。13、工期： 80120天。14、报告评审：完成野外施工15天内。15、正式报告：完成野外施工30天内。三、直排井设计原则1、根据施工的目的，确定钻孔结构。2、直排孔结构一般由最后一级套管向上推。3、环状间隙一般为3050mm左右，主要考虑水泥浆封固质量。4、根据地层因素确定套管级数： 井口套管：一般2m左右 第四系、卵砾石层，必须下护壁套管封隔。可采用螺旋管。 采空区上部510m左右必须下技术套管封隔。可采用螺旋管。 为生产套管增加一层保护套管。一般为无缝钢管。生产套管为双金属复合耐磨。常用大口径套管系列： 直径： 530mm，560mm，580mm，610mm，630mm，660mm，680mm，720mm， 820mm，920mm，1020mm，1220mm。 壁厚：10，12，14，16，18，20 mm4、大口径直排孔的设计结构一般为三开结构：一开钻孔直径为1200mm，孔深75m，主要以第四系卵砾石层为准，一般穿过12m，下入102010mm护壁套管，用水泥进行封固。二开钻孔直径为950mm，孔深240m不等，主要以二叠系2煤采空区为准，一般未钻穿，提前1020m，下入85010mm护壁套管，用水泥进行封固。三开钻孔直径为800mm，钻进至终孔，下入63012mm护壁套管，用水泥进行封固。最后下入53035 mm耐磨生产套管，用水泥进行封固。详细结构参见下图：大口径直排孔结构简图四、施工主要设备选型1、水源钻机一般采用GZ - 2000型水源钻机，该机钻盘通径660mm，钻盘输出扭矩21kn.m，卷扬机单绳提升力90kn，在众多水源钻机中，性能比较优越，较适合施工大口径直排孔。2、钻机底座平台由于大口径直排孔的扩孔钻头直径比较大，最大为1200mm，最小直径800mm，且每趟钻都要上、下各1次，而GZ - 2000型水源钻机钻盘的通孔直径为660mm，扩孔钻头根本过不去，故施工中采用钻井工作平台将GZ-2000型加重钻机整体架高，使大口径扩孔钻头能够在钻盘底部自由滑动出入，完成上、下钻具对接工作，这样可保持原有钻机的性能不被破坏。 平台尺寸长、宽、高为10.5m7.26m1.8m。3、钻塔由于大口径直排孔多在煤矿院内施工，受场地、建筑物约束，A型钻塔在地面无法整体组装，有的钻孔甚至连绷绳也无法安装，故施工中多采用24m四角加重钻塔，承载一般35吨，65吨。建议使用130吨。4、泥浆泵由于施工钻孔直径大，泵量小时，泥浆上返速度底，携带岩屑能力差，同时为配合螺杆钻具使用，故施工中多采用TBW850/50（双泵）或TBW1200/7B型泥浆泵，3NB350泵。5、电动机在煤矿施工，电力具有一定的保障，且电力价格比柴油价格低，有利于降低施工成本，减少噪音污染。钻机常配动力110kw，泥浆泵常配动力185kw。6、高精度测斜仪采用JJX-3D高精度测斜仪，该仪器测量顶角范围015，测量精度为 0.1；测量方位角范围0360，测量精度为4；测量方式：裸孔点测，每次可测120点，地面仪存贮数据。7、测斜效验台采用JJG-2型测斜效验台，测量顶角1，误差不大于 3；测量方位角2，误差不大于 3；水平轴，垂直轴与夹具中心的不垂直度误差，不超过12。8、螺杆钻具定向设备螺杆钻具7LZ957.0或5LZ1207.0型；无磁钻铤105mm或146mm；弯接头0.75、1.5、1.7；随钻测斜绞车；JJX-2型随钻测斜仪。五、施工导向钻具组合1、导向钻头选择：一般大口径直排孔采用小钻头钻进，钻孔成型后再进行扩孔。在施工开始钻进的导向钻头、钻具组合是关键，一般常规导向钻具组合为：216mm牙轮钻头 + 178mm钻铤 + 159mm钻铤 + 114mm钻杆 + 89mm钻杆 + 108108mm四方立轴。（环状间隙19mm）311mm牙轮钻头 + 203mm钻铤 + 311mm扶正器 + 178mm钻铤 + 159mm钻铤 + 114mm钻杆 + 89mm钻杆 + 108108mm四方立轴。（环状间隙54mm）在这两种组合钻具中，采用216mm钻头组合较311mm钻头组合导向钻进，其孔斜的机率要小一些。例1：张家口1号、2号直排孔。两孔间距为6m，由同一钻机施工。在1号孔施工中采用216mm钻头组合，在2号孔施工中采用311mm钻头组合，施工中所用人员、设备及地层均相同，但从2个孔的测斜资料对比分析中，可以看出：1号孔采用216mm钻头组合，在140m以前，钻孔顶角保持在0.05左右，位移为0m；140240m顶角保持在0.06左右，总位移为0.11m；240360m顶角保持在0.10左右，总位移为0.18m；390m顶角0.12，总位移为0.20m.2号孔采用311mm钻头组合，在140m以前，钻孔顶角保持在0.14左右，位移逐渐增加为0.13m；140240m顶角最大增0.38，总位移为0.38m；240360m顶角最大0.50，总位移为1.06m；390m顶角0.41，总位移为1.26m。张家口测斜对比表 例2：邢台地区1号和2号直排孔中，也存在类似情况。两孔间直线距约10km，施工中所用人员、设备及地层均相同，从2个孔的测斜资料分析对比中，可以看出：邢台1号直排孔，采用216mm钻头组合，在205m以前，钻孔顶角保持在0.050.09左右，位移为0.30m；205330m顶角最大0.57，总位移为0.97m；330345m顶角最大0.80，总位移为1.13m；352m顶角1.31，总位移为1.29m。邢台2号直排孔，采用311mm钻头组合，在90m以前，钻孔顶角保持在0.15左右，位移逐渐增加为0.19m；90345m顶角逐渐增大，总位移最大为0.54m；由于该孔在40m处出现方位角，且方位角随着孔深延伸呈螺旋状，故钻孔顶角虽然增大，但总位移看起来不大，该孔施工到572.33m时，钻孔顶角2.25，位移已增至6.55m，最后采用螺杆钻具进行纠斜。通过以上钻孔测斜资料对比可以看出，216mm钻头与钻铤之间环装间隙为19mm，311mm钻头与钻铤之间环装间隙为54mm，虽然311mm钻头组合加装有扶正器，但从施工的效果上看，不如216mm钻头组合，故施工中优选216mm钻头组合。2、钻头选型分类和编号方法国际钻井承包商协会（IADC），按照地层硬度制定了牙轮钻头的统一标准，虽然各厂家都有自己的代号，但都采用以下分类标准：表示方法：从左到右有5位表示即：-1、钻头直径代号2、地层系列代号：用数字18表示，其中13为铣齿，48为镶齿钻头。3、岩性分级代号：用数字14表示，从软倒硬。4、钻头结构特征：用数字19表示，其中17为钻头轴承及保径特征，8为定向钻头，9为新结构特征钻头。5、钻头附加结构特征代号：英文字母表示，目前已定义了11个特征。地层系列、岩性分级代号表钻头系列适 应 地 层系 列岩 性分 级铣齿钻头1低抗压强度，高可钻性的软地层142高抗压强度的中到中硬地层143中等研磨性或研磨性的硬地层14镶齿钻头4低抗压强度，高可钻性的软地层145低抗压强度的软到中等地层146高抗压强度的中硬地层147中等研磨性或研磨性的硬地层148高研磨性的极硬地层14钻头轴承及保径特征表非密封滚动轴承。空气冷却滚动轴承。滚动轴承保径密封滚动轴承密封滚动轴承保径。滑动密封轴承滑动密封轴承保径。1234567钻头附加结构特征表代号附加结构特征代号附加结构特征A空气冷却S标准铣齿E加长喷嘴Z其它形状镶齿R加强焊缝D定向控制Y圆锥形镶齿J喷嘴偏射C中心喷嘴X楔形想齿G附加保径示例：8 - 517G8：8.5英吋；5：镶齿钻头；1：低抗压强度的软到中等地层1级；7：滑动密封轴承保径； G附加保径。常用牙轮钻头型号：517、537、617、637。六、大孔径直排井施工方法1、小径钻头领钻一开钻进，采用216mm钻头进行领钻，每钻进2030m，采用JJX-3D型高精度测斜仪对钻孔顶角、方位角进行一次检测，及时检查钻孔倾角、方位角、位移情况，防止钻孔提前偏离孔底坐标，钻过第四系卵砾石层，及时扩孔，下入护壁套管，注意：扩孔时保留小径井眼深度不低于510m。二开钻进，继续采用216mm钻头进行领钻，方法同上，测量数据输入计算机软件进行计算、检查。施工到距采空区510m处停钻（视地层情况而定，如果地层稳定，则可钻过采空区，进行扩孔、堵漏、下入技术套管），扩孔，下入技术套管，再钻穿采空区进行堵漏。三开钻进，继续采用216mm钻头进行领钻，方法同上，钻进至终孔。2、钻压控制各级钻进时应注意：严格控制钻进参数，上部第三、第四系地层施工进尺一般较快，如果钻压控制不好，尤其是钻遇软硬互层较多时，三个小班钻进参数协调不一致，极易造成孔斜，故在施工中要有效的控制钻压，一般钻具下入孔内或接单根后秤量钻具悬重（即总重量），然后调整至所需钻压进行钻进。理论上一般311mm钻头压力不超过12吨， 216mm钻头压力不超过10吨，但最好控制在58吨范围之内，尤其是开始钻进时钻压不能过大。加压过程中保持钻铤加压，钻杆在钻进过程中始终保持处于拉伸状态（严禁钻杆加压）。防止盲目加压钻进，注意不能打懒钻，一般纯钻进24小时左右起钻一次，最长不超过48小时，这样可以保持孔眼顺畅。施工中，钻穿过2煤采空区时，应提前做好防漏失、防卡准备工作，一般采用便钻进、边扩孔，保留小径钻孔510m，以防止钻孔漏失时卡钻。3、井斜原因井斜，是由多种因素组合而产生的，在地层中钻进，一般牙轮钻头钻进软硬互层较多时，容易产生钻孔螺旋，造成孔斜，一般引起孔斜的原因大致可分为以下三个方面： 地质方面的原因：地层含有卵、砾石，地层软硬差别大，地层倾角大（大于45）。 技术方面原因：钻塔安装不周正、施工中地基下沉、使用弯曲钻具，粗径钻具长度短、粗径钻具与井壁的间隙差过大、水龙带没有平衡装置、加压过大。 操作方面的原因：一开钻进、换层、换径钻压大、钻速高。三个小班钻进参数不一致，盲目抢进尺。钻进中不是钻铤加压而是钻杆加压。4、钻孔纠斜方法在大口径直排孔的施工中，由于地层倾角、钻具组合、钻进参数等因素的影响，施工中容易造成钻孔逐渐偏斜，造成钻孔顶角、位移增大，在接近目标靶位前严重超标，这时采用普通的纠斜方法已经很难将钻孔纠正过来。这时只有采用螺杆钻具配合随钻测斜仪进行反向纠斜。这时应注意钻孔应保留不少于100m左右深度，以确保钻孔弯曲度合理，能将大口径套管顺利下入孔内。 工程纠斜实例例：峰峰矿区直排孔，设计孔深390m，施工中由于地层倾角较大（25左右），施工到260m时，钻孔倾角1.7，方位角252.7，钻孔总位移6.31m，位移严重超标，剩余孔段128m，如果继续施工，终孔后总位移将达到10m以上，后果较为严重。为此，施工中采用螺杆钻具定向钻进技术，将钻孔反向纠斜，具体纠斜方法如下： 理论数据计算：已知条件为，剩余孔深128m，计划钻孔反向位移4m，下入套管480mm。利用下例三角形关系计算出AB=128.0625； tg=0.03125；=1.7899；=3.5789；AO=2050；如图一。 图 一 在图二的弯曲钻孔结构图中，有如下关系式： 图 二2R/ L = 360/ (6-1)R=57.3L / (6-2)由于钻孔弯曲，使套管受到弯曲应力的作用，正常使用套管柱时（套管直径480mm、20号钢），钻孔弯曲率，不应导致产生超过材料屈服值的应力，故根据材料力学，则有弯曲钻孔中：套管柱内的弯曲应力：w = E r K1 K2 / R (6-3)弯曲钻孔的曲率半径：R = E r K1 K2 / w (6-4) =（2.11060.241.83）/ 2499= 1089 (m) (计算值AO = 2050m，符合要求)式中：w ：套管的极限屈服值 kg/cm2E：刚的弹性模量kg/cm2r：套管半径 mL：钻孔长度mK1：抗弯安全系数K2：螺纹应力集中系数将上式（6-2）代入(6-3)，则根据已知套管许用弯曲应力，每百米长度钻孔最大允许倾斜角为： = 5730 w / E r K1 K2 = 57302499 /（2.11060.241.83） = 5.26 (根据6-2，计算值每百米2.8/100m，符合要求)按每5m一个测点进行计算，应划分26等份。以O点为圆心，2050为曲率半径画圆弧，并将圆弧26等份，得到每个小圆弧中心角1、2、3 .。根据图三中的三角形关系，分别计算出1、2、3 的值。然后利用JJX-3D型高精度测斜软件，计算出剩余孔段倾角、方位角及总位移，以指导测井、钻机做定向纠斜（参见：钻孔纠斜设计数据与实际数据对比表）。 图 三 钻孔定向纠斜： 定向纠斜螺杆钻具组合：133mm复合片钻头 + 7LZ95 7.0性螺杆钻具 + 0.75弯接头 + 105mm无磁钻铤 + 105mm钻铤 + 73mm钻杆 + 循环头。 下钻前，检查螺杆钻具旁通阀开启、关闭情况，检查螺杆钻具轴向窜动间隙量及螺杆转动情况，正常后，钻具下入孔内。 钻具接触孔底前，调整螺杆钻具工具面，由于该孔方位角在265左右，故按设计方位角度调整工具面方位为90（注：此项工作需反复23次，以确保角度准确），锁定钻具、开泵缓慢下到孔底逐渐加压钻进，通过有线随钻测斜仪配合计算机在钻进过程中随时监测孔底的井斜、方位角变化情况，并根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭矩的误差，并调整工具面。 定向造斜钻进，要按照规定进行加压、均匀送钻，以保持恒定的工具面。钻孔处于开始造斜阶段时，要求单位小时进尺控制在0.6 1.5m范围内，过快容易造成钻孔偏离设计轨迹，钻压控制在1020kn，泵量控制在480780 l/min。 造斜12个单根后，如果数据和设计数据基本吻合时，可以起出螺杆钻具，换用正常钻具进行增斜钻进，每钻进一个单根，采用JJX-3D型高精度测斜仪进行检测，直至完成纠斜施工。 纠斜成果：经过纠斜后（参见钻孔纠斜设计数据与实际数据对比表），设计顶角和实际顶角在孔深300310m、335350m、370390m位基钻孔纠斜设计数据与实际数据对比表本吻合，钻孔设计方位角和理论方位角在275295m、310350m孔段基本吻合，钻孔总位移从275m以后逐渐由6.42m降至3.90m，最后在390m终孔位，方位控制为246.10，总位移控制在4.44m，达到甲方的满意，顺利交孔（参见：纠斜后钻孔侧面投影图）。纠斜后钻孔侧面投影图5、直排井扩孔施工大口径直排井，其主要工作量为扩孔，目前扩孔钻头主要分为两类，一类是硬质合金翼片扩孔钻头，主要适用于第三系、第四系松散地层。另一类是牙轮组合扩孔钻头，主要适应于中硬以上地层。 大口径直排孔大多为二迭系、石炭系等地层，故施工中采用牙轮组合扩孔钻头。在扩孔施工中，由于一次扩孔施工往往钻头材料损耗大，作业时间长，钻探效率低，因此需要进行分级扩孔。一般分为36级，扩孔牙轮采用216mm或245mm三牙轮破成单体牙轮掌，进行组合。每级扩孔量约为60mm左右，其扩孔效率较高，过多效率低，过少不经济（参见组合牙轮钻头扩孔参数表）。例：邢台1号直排孔，施工中各级单位小时平均进尺为：7.68m、2.38m、1.74m、1.59m、1.56m、2.27m，其扩孔效率比较明显。扩孔钻头设计时保持前端为翼片状导向，并控制环状间隙为5mm，随着孔径的增大，适当增加翼片数量，以保持扩孔钻头稳定。由于孔壁与钻具环装间隙较大，（扩孔时较明显），为防止钻具敲打孔壁引起坍塌、断钻具，钻速控制为：45 64 r/min。泵量在确保泥浆上返速度大于0.2m/s时，条件许可尽可能采用大泵量进行扩孔钻进，泵量太小不利于排除孔内岩屑,故泵量为8001000 ml/min。扩孔时注意保留小孔眼深度不低于10m。每级扩孔2030m，要用小钻头进行1次下部排岩粉工作，以防止小孔眼堵塞造成岩屑重复研磨，钻孔偏斜。七、下套管作业 1、护壁套管： 护壁套管直径一般在630mm以上，重量在3060t左右，常常采用套管割洞、穿杠进行下套管作业，下套管时，割洞需严格补焊，以防止渗漏、穿杠（采用钻铤料制作），配合双股28mm钢丝绳套进行起吊，套管之间采用电焊连接，单根套管头部焊拉筋34组，底部倒角45，套管柱底部在30m范围内，增加3组弹性扶正条，以保证下入孔内套管居中，确保固井水泥环厚度均匀。2、生产套管：下生产套管分为两种情况，一种情况是在孔内没有漏失的情况下，采用单项逆止阀减轻套管柱重量的方法进行下套管。套管柱重量及校核如下：（软件计算） 直排孔原始数据输入。 套管在空气中重量。 套管在泥浆中重量。 套管底部装有逆止阀重量（泥浆中）。 套管柱所受的浮力（水泥浆中）。 套管柱与管内泥浆重量（水泥浆中）。 套管允许掏空深度（水泥浆中，安全系数1.5）。 套管管体抗挤强度（水泥浆中）。一般套管柱重量在4050 t左右，但另一种情况是孔内严重漏失或钻孔泥浆完全掏空时，套管柱重量达到110140 t左右，完全超过钻塔有效载荷，这时采用重型吊车进行下套管作业。固井水泥讲、干水泥计算（软件计算） 直排孔原始数据输入。 水泥浆用量计算 干水泥用量计算 清水用量计算一般采用R42.5硅酸盐水泥进行固井，水泥浆比重要求：1.80g/cm3左右，套管内水泥塞预留510m。24小时内扫水泥塞，72小时试验。八、接头类型及时别方法1、API接头类型钻杆外加厚：钻杆内加厚 内平接头（IF）：接头内径和钻杆外加厚处内径相近似，泥浆流过时阻力最小。 贯眼接头(FH)：接头内径和钻杆内加厚处内径相近似，泥浆流过时阻力不大，流速没有明显变化。 正规接头(REG)：接头内径小于钻杆内、外加厚处内径，泥浆流过时阻力较大，但强度较高。常用三位数字表示：第一位为：公称尺寸，3，4。第二位为：接头类型，1内平，2贯眼，3正规。第二位为：公扣或母扣，1公扣，0母扣2、数字型接头1964年以后出现，美国石油学会，为了改进旋转台肩式接头螺纹连接的工作性能，采用数字型接头。表示方法为：第一个字母N为：number，数字。第二个字母C为：connect，连接。第三、第四位数字为：公扣距台肩15.875mm处的节圆直径。NC50：节圆直径5.042吋=128.06mmNC46，节圆直径4.626吋=117.50mmNC38，节圆直径3.808吋=96.72mmAPI接头丝扣规范接头型式及尺寸接头外径锥度每吋扣数基面直径公 扣 头母 扣 头扣长大端小端水眼扣长镗孔水眼内平IF12 7/81051:6480.8489086.12871.128549888.7543 1/21211:6496.723102102.0085.00368110104.6684 1/21561:64128.06114133.34114.33995122135.9955 9/161871:64157.20127162.48141.314122134165.0122公差0.5-20.60.50.6贯眼FH22 7/81081:4585.4808892.07570.075549594.5543 1/21181:4594.84496101.43877.43862103103.9624 1/21461:45115.113102121.70996.20980110124.1805 9/161781:64142.011127147.949126.782101134150.51016 5/82031:64165.598