井巷特殊施工(第三章-钻井法(节1-2))

第3章钻井法§1概述§2钻井设备§3井筒钻进§4洗井与净化§5钻井井壁§6钻井破岩机理§7钻井参数§8立井钻机的根本计算§9反井钻机定义：钻井法是用钻头破碎岩石，用洗井液进行洗井排碴和护壁，当井筒钻至设计直径和深度以后，在洗井液中进行支护的机械化凿井方法。钻井法凿井的主要工艺过程有钻进、泥浆洗井护壁、下沉预制井壁和壁后注浆固井等。第3章钻井法§1

概述1－天车；2－钻塔；3－吊挂车；4－游车；5－大钩；6－水龙头；7－进风管；8－排浆管；9－转盘；10－钻台；11－提升钢丝绳；12－排浆槽；13－主动钻杆；14－封口平车；15－钻杆；16－钻头；17－二层平台；18－钻杆行车；19－钻杆小吊车；20－钻杆仓钻进时，钻头的局部重量加在刀具上，使刀具压入岩石，转盘通过方钻杆和钻杆带动钻头旋转破碎工作面岩石。在大直径井筒中钻井，为减小设备功率和重量，常采用屡次扩孔的钻进方式。钻头破碎下来的岩碴，由洗井液冲至吸收口吸入，经钻杆、水龙头、排浆管至沉淀池沉淀。洗井液循环的动力是压气排液器(空汽吸泥机)产生。洗井液还起着维护井帮的作用。护壁作用在表土层中尤为重要，常常是选择洗井液材料的主要依据在井筒钻至设计直径和深度后，一般是将地面预制好的井壁在井口联结后下沉到井内(漂浮下沉法)。也可以一段一段的下放到井筒中(分段下放法)。然后进行壁后注浆，充填井壁与井帮间的间隙。最后排除井筒内的水，用钻井法凿井的工作就完成了。钻井法除用机械刀具破岩外，已提出应用高压水射流等新技术破岩；以及在井筒涌水不大或用预注浆堵水后，利用综合掘进机组凿井，它也是用刀具等方式破岩。总之钻井法虽在破岩刀具和钻井的方式方法上、洗井介质的选用上多种多样，但它们有共同的特点：即破岩方法是用机械力、高压水等非爆破的方法。因此也称作“非爆破破岩类施工法”。第3章钻井法§1

概述钻井法分类方法很多。现按钻井传动装置的位置分类：第3章钻井法§1

概述钻井法施工的地面化(掘进机组除外)、机械化，改变了传统的井下作业方式，工作平安可靠，施工质量好。从技术上讲钻井法可用于任何地层。在软岩中．钻井直径小于6米时，技术经济效果好。直径大的井筒，或岩石很坚硬时，技术经济指标不够理想。现钻井深度和直径都还受到钻井设备能力的限制。第3章钻井法§1

概述1854年德国工程师Kind采用冲击钻钻凿第一个直径4.25m，深度98m井筒。近几十年，德国大量采用钻井法钻凿风井和疏干井，仅莱茵褐煤公司钻进的疏干井就有2000多个，365000m。前苏联是应用钻井法的主要国家之一，1979年创造月成井160m的记录。美国1910年才引进钻井法，50、60年代出于地下核试验和其他工程的需要，钻井法得到广泛应用。仅美国原子能委员会内华达洲地下核试验场，在1960~1983年期间钻凿600多个，其中在阿留审群岛的井筒深达1829m。第3章钻井法§1

概述1969年元旦，我国第一口采用钻井法钻凿的煤矿立井井筒是淮北朔里南风井，直径4.3m，深90m。1984年施工钻井直径9.3m，成井直径7m，深469m的淮南谢桥西风井的深大井筒，并实现全套设备国产化，综合技术到达国际先进水平。1999年淮北许瞳矿井的主、副、风三个井筒，同时采用钻井法施工，主井、风井，偏斜分别为0.21‰和0.1‰。第3章钻井法§1

概述第3章钻井法§1

概述第3章钻井法§1

概述第3章钻井法§1

概述第3章钻井法§1

概述一、钻井设备的组成钻井法凿井所用设备主要为钻井机，简称“钻机”。另有一些起重运输、清碴、供电等辅助设备。最初的钻机是借助于石油钻机设备改造而成的，—般以地面转盘钻机为主。随着大直径钻井工艺的完善及矿山钻井的特殊要求，研究制造了矿山专用的钻机。近年来反向钻机开展很快，潜入式钻机和井下掘进机组也有所开展。第3章钻井法§2

钻井设备钻机的组成和构造都是由钻井工艺的需要确定的。按设备所起功用的不同分为以下的系统：(一)钻具系统钻具系统包括钻头和钻杆。它的主要功用是使钻头在旋转中破碎工作面岩石。(二)旋转系统包括转盘及其传动装置(简称“转盘”)，方钻杆。转盘产生的旋转扭矩经方钻杆传递给钻杆和钻头，使钻头旋转。国外有把转盘和水龙头合在一起，起名动力水龙头，简称“动力头”。其功用也是两个设备功用之和，但它的外形尺寸小。第3章钻井法§2

钻井设备(三)提吊系统包括钻塔、绞车及其传动装置(简称“绞车”)复滑轮组(包括天车、游车、钢过绳等)、大钩。提吊系统的主要用途是提升或下放钻具，以及在钻进时提吊钻具并调节给进速度，以到达控制钻压的目的，砌井时它提吊和下放并壁。近年来，国外开始用液压缸装置代替现有的绞车、天车和游车。(四)洗井系统煤矿大直径钻井一船用反循环洗井。洗井液自沟槽依自重流入并筒，在压气排液器的作用下，洗井液流动冲洗工作面上的岩碴至钻头的吸入口进入钻杆，上升至水龙头，流入排浆管，经溜槽到沉淀池。洗井系统的功用是及时去除钻头破碎的岩碴，防止刀具重复破碎岩碴，以提高钻进的速度和效率。同时对刀具进行冷却。洗井系统的设备主要有水龙头(也叫“缓转器”)，压气排液器、排浆管和溜槽。在地面有沉淀净化和清出岩碴等辅助设备。压气排液器的动力是空气压缩机供给的压缩空气。第3章钻井法§2

钻井设备(五)其它辅助设备包括各种专用车．例如：转台、封口平车等；各种专用起重运输设备，如龙门吊车、吊车、吊卡、卡瓦等；各种专用仪表；打涝工具；供电供水等设备。钻机的型式很多，它都是由上述的几个系统组成。只是各个系统中由于工艺的特点使设备的位置或结构不同而已。随着钻井技术和机械制造工业的开展，钻机也将逐渐改进。

第3章钻井法§2

钻井设备二、钻具系统的设备(一)钻头钻头是由刀具、刀盘(或钻头体)、中心管、加重块、稳定器等局部组成。由于钻进方式不同钻头结构也不同。转盘钻机在大直径井筒中一般采用扩孔的钻进方式。其钻头结构形式分为超前孔钻头和扩孔钻头。例如我国sz9/700型钻机；Bz—1型钻机等。一次全断面钻进的钻头和超前孔钻头相似，仅直径不同

第3章钻井法§2

钻井设备第3章钻井法对钻头的要求：1)钻头的刀具和吸收口布置有利于破岩和工作面冲洗；2)钻头结构具有足够的强度和保持减压钻进时所必须的重量；3)结构易于拆卸、组装、运输、检修和打捞。钻头转动平衡、平稳。井下动力钻机的钻头和传动装置连在一起。第3章钻井法§2

钻井设备1．刀具刀具是直接破碎工作面岩石的工具。刀具在钻头的一局部重量作用下压入岩石，经旋转连续破岩。不同的岩石所用刀具也不同。在表土层一般用刮刀或长齿滚刀。刮刀主要采用条状，刃部堆焊耐磨的碳化钨粉或镶焊硬质合金片。刮刀刃部及刀体的形状对破土、洗井及防止钻头泥包都有很大影响。当前我国常用的是桦犁式的。第3章钻井法§2

钻井设备第3章钻井法第3章钻井法第3章钻井法第3章钻井法在软岩中多用楔齿滚刀。刀体一般用合金钢锻造而成。它是我国目前常用的一种破软岩的刀具。刀齿的几何形状和布置对破岩效果和刀齿磨损有很大影响，目前以楔形为主。对于页岩等较软的岩石，齿尖角可小些；对稍硬的岩石如砂岩等，齿尖角可大些。也可以把齿形改为展开线形或抛物线形的。在硬岩石和极硬岩石中，一般选用球齿滚刀。球齿是用碳化钨和钴混合制形后．电烧冶制而成。齿铆固在刀体上。球齿滚刀的刀座、刀体及结构根本上与楔齿滚刀相同。球齿的形状有半球、抛物线形和椭圆形。我国在坚硬的岩石中使用半圆形球齿滚刀．效果很好。球齿滚刀能承受很大的钻压，适用坚硬耐磨的岩石。其破岩块度小，刀具本钱高。由于它的寿命比楔齿滚刀高几倍，因此有些研究者认为：按每把刀破岩体积计算，球齿滚刀的本钱有可能比楔齿滚刀更合理。盘形滚刀有单刀刃的和多刀刃的，刀圈是由合金钢制成，刀刃上堆焊硬质合金或镶硬合金齿。盘形滚刀适用于中硬以上的脆性岩石破岩块度大，比能值小，多用在反向钻井中。第3章钻井法§2

钻井设备按岩石性质不同推荐采用的刀具形式见表。按照刀具在刀盘上的工作位置，刀具又分为边刀、正刀和中心刀三种。安装在钻头最外边的刀具叫边刀。它是保持钻进直径和井帮光整，以及钻头的稳定，破岩工作条件差，边刀是双支点的。由于旋转的线速度最大而较易于损坏。位于边刀和中心刀之间的所有刀具叫正刀。是工作面主要破岩刀具，为承受较大钻压和加长使用寿命也采用双支点刀座。中心刀位于刀盘的中心，为保持刀齿是滚动，它只能是单支点的。因此它的受力状况较正刀差。第3章钻井法§2

钻井设备钻井中刀具的消耗量很大。是钻井本钱的建要组成局部。在使用中刀具常发生以下的问题：1)表土钻进时的钻头泥包，除了和洗井净度有很大关系外，刀具本身的形式和排列是很重要的影响因素。这是目前正待解决的一个重要问题；2)滚刀的损坏主要是轴承两端密封不理想，洗井液渗入使轴承损坏，刀具卡住不转造成刀具损坏、落齿、甚至刀具从刀盘上脱落。刀具的密封正在研究改进中，3)落齿和刀体破坏的重要原因是加工的问题。总的来说是刀具寿命不够长，有待提高。第3章钻井法§2

钻井设备2．刀盘刀具按钻进的需要安装在刀盘上。大直径钻头的刀盘一般采用拼装结构、比较小的超前钻头的刀盘采用整体结构。刀盘的结构形式有封闭式；半封闭式和敞开式三种。为提高洗井效果，在小直径钻头多采用封闭式，大直径钻头可采用半封闭式的。刀盘底面有平底、锥底、截锥底、球底和台阶式等多种形式。对于这些形式的优劣其说不一。当锥底角较大利于洗井净度，也有的研究者认为平底利于井直。吸收口采用偏心布置，一个或两个均可，但其面积的总和约为钻杆过流断面的1．4倍左右为好。第3章钻井法§2

钻井设备第3章钻井法刀具在刀盘的布置有以下的经验；1)刮刀的数目不宜过多，刮刀可分为数排布置，相邻刮刀错开排位，以便刀间距加大，这样利于冲洗，防止泥土糊刀造成钻头泥包。2)滚刀布置以展开线形，大致对称布置。3)滚刀在破岩过程中应防止有过大的滑动，以减少刀齿和轴承的损坏。刀具纯滚动的条件是刀体的几何锥轴的延线通过工作面旋转中心。4)正刀在刀盘上按数个同心圆布量，在每圈布置1—3把。边刀数量为4—8把。刀具数量以每把刀破岩面积大致相同；刀盘每象限内刀具数最好相等的按径向对应布置。但要防止完全对称，防止钻头发生谐振。5)刀盘上所有刀具刀刃局部总长度L与刀具破岩带总宽度l之比叫覆盖系数K。超前钻头或一次全断面钻头，在表土层取K＝0．9一1；在岩石中取K＝1。扩孔钻头的K＝1—1．4。在选择刀具时K值大了的破岩效果反而不好，而且转盘扭距增大许多。第3章钻井法§2

钻井设备第3章钻井法3．中心管中心管的作用是把钻杆传来的扭矩传给刀盘使钻头旋转；承受钻头的重量；它的内断面是洗井液循环的通道。中心管一般由高强合金钢管(例如35铬铜钢)加工的，上端焊有钻杆接头，下端与底法兰盘或刀盘相连结。中心管受力状况很复杂。钻井实践说明；焊接加工的质量已成为中心管质量的关键一环。4．加重块的作用是保证钻头所需要的重量。在结构上可以把加重块用螺栓联接成整体圆筒来承受局部由于钻头倾斜所产生的弯矩。5．稳定器对钻头起扶正和导向的作用。从构造上有的稳定器随钻头旋转，我国多采用此种形式。也有在中心管处装轴承而使稳定器不旋转的。第3章钻井法§2

钻井设备(二)钻杆钻杆是由两端带接头的无缝钢管所组成。钻杆在起下钻具时，承受钻具在洗井液中的重量，动力系数一般取1．2—1．3。在钻进过程中，钻杆即传递全部扭矩又承受拉力，拉力的数值是在洗井液中钻头重量的40一60％及钻杆重量之和。也可以按钻具(钻头与钻杆)重量之和的2／3计算。按这两个工作状况计算选择钻杆壁的厚度。由于钻扦受力大且复杂，一般选用合金的无缝钢管。sz9／700钻机采用35铬钼Φ406毫米的无缝钢管，壁厚20毫米。第3章钻井法§2

钻井设备钻杆接头常用型式有三种：1．花键牙嵌式接头：这种接头是由花键螺纹式接头开展来的。原来螺纹承拉，在装拆钻杆时扭螺纹费工费时，改进由牙嵌承受拉力，仍由花键传递扭矩。这种接头已为我国目前普造采用。例如sz9／700钻机和Bz—1钻杆都用这种接头。2．螺栓法兰盘接头：这种接头扭矩和拉力都由螺栓承担。西德L40型钻机的钻杆采用这种接头。3．锥纹接头：它同石油钻机钻杆的螺纹接头相似，美国至今仍广泛应用螺纹接头，即使在双层钻杆和三层钻杆中也用锥螺纹接头。这种接头必须用专用工具拧紧或拆卸，其接头制造精度和工艺要求很高。第3章钻井法§2

钻井设备第3章钻井法第3章钻井法三、旋转系统设备(一)转盘产生扭矩用以驱动钻具旋转的设备叫转盘。1．大直径钻井对转盘的技术要求1)转盘的扭矩和转数能满足钻井要求。在扭矩不变的情况下能改变转数，一般要求转数从0至30转／分的范围内变化，经常使用5—10转／分，为此转盘多用直流电动机或液压马达驱动。2)能承受钻头和钻杆的全部载荷。3)装有方补心的中心孔能通过钻杆接头。4)运转平稳，适宜野外条件工作。安装、运输和维修方便。第3章钻井法§2

钻井设备2．常用的几种转盘立井钻机最初的转盘是从石油钻井的转盘改装的。由于其扭矩小(约4吨米)，后按大直径钻井需要设计制造了专用转盘。最大扭炬30吨米，电动机400于瓦，通孔直径Φ900毫米。它结构紧凑、整体性好，安装也方便。Bz—1型表土钻机的转盘的规矩为12吨米，通孔直径Φ750毫米。它的特点是用四台75千瓦直流电动机驱动，减小了齿轮模数，加工方便。它也具有结构紧凑，整体性好，安装方便的特点。西德L40钻机采用两台或四台液压马达驱动的大通孔转盘。它的通孔直径2110毫米。两台液压马达驱动可获21吨米扭距．四台液压马达同时工作，可得42吨米的扭矩。美国把转盘和水龙头二个设备的功用合在一个设备上，叫动力水龙头(简称“动力头”)。它也用液压马达驱动。液压驱动和直流电动机驱动都可满足钻井的要求，液压驱动在控制上比较简单。第3章钻井法§2

钻井设备(二)方钻杆方钻杆下端与钻杆相接，上部与水龙头相连，套在转盘的方补心里，随转盘而转动。方钻扦的形式有四方形和六方形两种(图4—20)，带方的长度应比一根钻杆长1米左右．以方便钻进。sz9／700钻机采用六方钻杆，六方局部的长度为10．3米。方钻杆受有转盘方补心传来的挤压和扭矩及提吊系统的拉力。它的截面尺寸是在受这三力共同作用下计算选择的。其内管及接头与钻杆相同。与水龙头间目前仍用螺纹连接为多．第3章钻井法§2

钻井设备第3章钻井法四、提吊系统设备(一)钻塔钻塔承受提吊系统的全部裁荷，它是一个塔形的钢结构物。钻井对钻塔的要求是：1)底跨尺寸能满足钻机钻最大直径并筒的需要；且各种专用车(台)运行无阻；2)二层台以下的开口高度允许最长钻杆和预制井壁进入钻塔并移运至井口；3)在提吊的名义负荷和设计允许最大风力以内均保证有足够的强度和稳定性；4)整体性好，拆装移运方便，重量轻。第3章钻井法§2

钻井设备我国钻塔形式有桁架式截头棱锥型和四柱刚架式(图4—21)。sz9／700钻机等用这种结构形式。衍架式钻塔安装撤除不便，刚性差。四柱刚架式钻塔整体性强。国外用大直径无缝钢管或型钢代替刚架。我国QZ型潜入式钻机用卷焊大直径钢管作为柱腿。Bz—1钻机把龙门起重机和钻塔两设备合并为可移动的龙门式钻塔，简化了井口设备和根底工作量，实用效果也很好。西德L40钻机用可移动n型钻塔(图4—22)o它由两很大直径钢管作主受力柱腿，项部为箱形天车梁，每根柱腿有一个斜支腿。柱腿和斜支腿部铰接固定在井口梁上。斜支腿上有液压缸可以使钻塔向前或向后倾斜，以配合钻井操作需要。钻塔用拖车平放运输，安装用绞车自行拉起，比较方便。第3章钻井法§2

钻井设备第3章钻井法(二)绞车绞车是提吊系统的动力。它通过钢丝绳复滑轮组和大钩来完成提升或下放钻具的工作。根据钻井的需要，绞车应具有以下性能：1．主提升工作状态：即提下钻具时，绞车和复滑轮组大钩一起都承受大载荷，提绞速度较低。起、下一根钻杆后，又要提吊单根钻杆，这时载荷小，而速度应大为提高，在起、下钻具时这两种工作状况频繁交替。因此绞车一般采用直流电动机或液压马达驱动。提升工作状态时的额定提升速度为5—8米／分；提吊单根钻杆速度那么按电动机功率及转数可相应提高。2．钻进工作状态：在钻进过程中，随着工作面的向下推进，应当以相应的速度不断的下放钻头，保持刀具始终在所确定的钻压下连续进行破岩工作。这种持续保持下放钻头的工作叫钻头给进。给进速度快，钻压增加．反之那么钻压缺乏。我国一般采用等钻压给进，为此绞车要具有根据压力传感器的信号自动的调整滚筒的转数和方向，以保持钻压不变。3．要求刹车灵活可靠。绞车安装、移运、调整均方便，重量轻。第3章钻井法§2

钻井设备(三)复滑轮组钢丝绳穿绕天车和游车构成复滑轮组，用以增加提吊系统的提升能力。钢丝绳穿绕天车和游车后，一端固定在井口根底上或钻塔上称为死绳；另一端缠绕在绞车滚筒上称为活绳(或快绳)：复滑轮组的表示方法是；游车滑轮数x天车滑轮数，例如：7x8，即表示游车滑轮7个，天车滑轮8个，有效绳数为14绞车用的钢丝绳不仅受力大，负荷变化大，而从在各滑轮上屡次弯曲摩擦，因此要求钢丝绳除具有必要的强度，还要有良好的柔性和耐磨性。〔四〕大钩源于石油钻机，提吊系统与水龙头或钻杆的抓联装置通称为大钩。第3章钻井法§2

钻井设备五、洗井系统设备(一)水龙头水龙头这个名称也是从石油钻机的借用。它是提吊系统的不旋转局部与旋转系统的旋转局部的过渡环节，故也叫缓转器。它又是洗井液循环的出口和供压风管的入口。(二)压气排液器和风管压气排液器是洗井液循环的动力。它随钻井深度的增加，而需要改变其没入深度和供气量。风管是向井下输送高压空气的管路。风管均采用