煤矿区大口径井二开先导孔下导管钻进技术_莫海涛.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.4 Aug. 2014 COALGEOLC刀Y second section; pilot hole; setting guide pipe drilling 煤矿区为满足安全生产需求，经常需要从地面施 工瓦斯抽采井、电缆连接井及物料输送井等，此类钻 井工程最主要的特点就是完井口径较大 （φ500～φI 200 mm），与常规岩心钻探所施工的 φ30～φ150 mml1l口径相孔比可谓大口径。煤矿区地 面大口径井施工工艺以正循环回转钻进为主，在完成 先导孔的基础上，经过多级扩孔完井，钻井周期长， 井内事故发生概率高。煤矿区地面钻井需要穿过第四 系表土层，该地层遇水膨胀，极易拥塌掉块［2］。为保 障大口径井扩孔施工安全，首先需单独完成一开钻井 施工，用大口径钢管将地表第四系土层封固后，再进 行二开基岩层井段施工。具体钻井工序如下a.开 挖井口，下人井口护筒；b.一开先导孔钻进至基岩以 下；c.一开扩孔（一级或多级）至设计要求；d.下入 一开钢管，固井；e.二开先导孔钻进至设计深度过二 开扩孔（一级或多级）至设计要求；g.下入二开钢管， 固井，完井。 由钻井工序可知，在二开小井眼先导孔钻进过程 中，井眼口径上下不一致，且上部一开井眼尺寸较先 收稿日期2013-06-30 导孔大数倍，对于钻井排渣极为不利，影响钻进效率， 甚至造成一开井底沉渣， 引起卡钻事故。为解决二开 先导孔钻进排渣问题，提高钻进速度，引人下导管钻 进技术，并通过实践规范技术操作，实现大口径井二 开先导孔快速安全钻进。 1 煤矿区大口径井典型井身结构 我国煤矿区第四系表土层厚度不一，最厚超过 200 m，对于大口径井钻进安全影响较大。煤矿区大 口径井典型的井身结构为二开设计，一开封固表土 层，二开完井达到设计要求。井身结构如图l所示。 2 大口径井二开先导孔钻进工艺 2.1 正循环钻进工艺 根据钻井工序，煤矿区大口径井需首先完成一开 施工，井下铜管固井。二开小井眼先导孔正循环钻进 时，即出现井眼口径上下不一致的情况（图2）。 设钻杆外径为R，先导孔钻进口径R下，先导孔内 钻井液循环上返流速Y下；一开固井钢管内径R上’ 作者简介莫海涛（1984一），男，湖北十堪人，硕士，助理研究员，从事煤矿地面及井下定向钻进技术研究， ChaoXing 第4期莫海涛等煤矿区大口径井二开先导孔下导管钻进技术 107 ＝＝二 ;c井井铿 图l煤矿区大口径井典型井身结构示意图 Fig. I Typical sketch-map of large-diameter well strcture m coal mining area 钻杆 循环示意 .J;; I .恤ν...I_...;... 4一－乙J主cfi乞］..二 二Jf先导孔 - n-,.句「－I一－－－‘－ ；二岳二IT-11应注 图2二开先导孔钻进示意图 Fig.2 Sketch-map of the second section pilot hole drilling 一开井段钻井液循环流速y上’则 R4 -R2 y←＝一士一一τY」1 十R主－R““ 而钻井过程中的钻井液循环流速决定于钻井方 法、钻进速度、地层特性、井身结构等，主要以能够 有效携带钻屑为基本确定依据．其重要的出发点是钻 屑的上返速度。 钻屑的密度大于钻井液，在二开先导孔内，设钻 屑相对于钻井液有沉降速度町．钻井液上返流速y下’ 钻屑在循环过程中的绝对上移速度吧，则 问＝v.下一只2 理论分析表明，为保证钻屑以不大的绝对速度上 移，维持正常钻进，取陀＝0.1～0.3）叫。因此由式（2 移项，得Y下＝1.1～1.3）问。考虑实际安全系数，钻 井施工中取上限［3] pιf 1.3只 由式（3）带入式（I）得 R乙－R2 3 v 1.3-----;- J1i 4 -R_l-Rι 同时 ，在一开铜管内．为保证钻屑正常上返．要 求几〉问．即l.3R丰－R2）＞（乓－R2）。 以常见的φ127mm钻杆钻进二开先导孔φ311mm 孔径为例，则要求一开井段固井钢管内径小于 φ347 mm，否则将造成钻屑堆积在一开底部，影响 钻进速度，造成沉渣卡钻。此计算结果大大限制了大 口径井的完井规格，应用范围小。 2.2 反循环钻进工艺 反循环钻进工艺是提高大口径井岩屑仁返流速 的重要工艺方法之一，按照形成上升液流的方式分为 泵吸反循环、射流皮｛）盲环和气举反循环［41 由泵吸反循环和射流反循环钻进工艺原理可知’ 井深超过70m即难以实现反循环效果’远低于煤矿 区大口径井完井深度要求，不能解决二开先导孔钻进 排渣问题。 气举反循环钻进工艺能够有效解决大口径深井 钻进的排渣问题［匀，配套装置主要包括气水龙头、空 压机、双壁钻杆、气水混合器及反循环钻头等。其工 艺原理是将空压机的压缩空气经气水龙头、双壁钻杆 的环状空间送到气水棍合器进入内管，利用压缩空气 在液体中等温膨胀作用，造成钻杆内外的流体比重 差；在此压差作用下，使钻杆内的泥浆、岩屑和气体 的三相混合体连续不断地携出地表，再将处理过的泥 浆送入（流入）孔内，经孔底进入钻具内，补充排出循 环液的空间，如此不断形成反循环钻进过程［6］。但该 技术用于先导孔钻进有如下不足 a.先导孔的基本要求是进行精确定向钻进，通 过螺杆马达及随钻测量系统实现。气举反循环钻进不 能使用螺杆马达及随钻测量系统，只能使用单、多点 测斜仪器掌握钻孔轨迹，不能定向纠斜。 b.气举反循环钻进工艺配套设备较多，工艺较 复杂．成本高，用于小井眼先导孔施工不经济。 3 大口径井二开先导孔下导管钻进技术 综合分析上述大口径井二开先导孔钻进工艺特 点，从适用性出发，解决大口径井二开先导孔排渣问 题，引进下导管钻进技术。该技术主要内容包括 a.首先完成一开施工，封固表土层；b.在一开 钢管内居中下套管，套管规格在能够满足二开先导孔 钻具通过的基础上，内径越小越好。套管下入基岩以 ChaoXing 108 煤田地质与勘探第42卷 下2m左右，并稳固；c.在套管内下入二开先导孔 施工钻具，从基岩层开始钻进。 二开先导孔下导管钻进如罔3所示。钻进循环液 由于套管阻隔不能进入一开大Cl径钢管内，直接从套 管与钻具环空上返，循环流速上下一致。套管实际起 到导流的作用。该技术简易实用，可配合使用螺杆钻 具及随钻测量系统进行定向钻进。 导信 钻杆 扶正板 主撑板 循环不放 忖，1巳－底照 二月4先导.fL 罔3二开先导孔下导管钻进示意图 Fig.3 Drilling technology with guide pipe 4 实践应用 4.1 技术关键点 a.下导管钻进只用于先导孔施工，先导孔完成 后，需将导管拔出。因此，导管进入基岩不宣过深， 保证易于起拔脱出。 b.为阻隔二开先导孔钻进循环液进入一开大口 径钢管内，导管底部要满足密封要求。 c.中心对正。钻孔定向的基本要求是井眼中心 线连续一致，大口径井经过先导孔及后续多级扩孔钻 进完井，钻孔中心对正的要求严格［7］，导管必须下放 至一开钻孔中心位置。 4.2应用 某矿区大口径瓦斯抽采井工程施工资料显示，该 井一开表土层固井钢管规格为φ920mm12 mm，固 井深度73m，二开完井口径为φ850mm。由于二开 完井口径较大，先导孔钻进采用φ222mm钻头成孔 后，分别采用φ550mm、φ850mm钻头分两次扩孔 完井。二开先导孔下导管钻进技术流程为a.完成 导管底座钻进。导管底座采用φ311mm钻头在一开 底部居中钻深2m;b.下入φ244.5mmx7.92 mrη导管f8］。 导管下端缠裹海带，满足密封要求，又能易于起拔；底 部焊接扶正板及支撑板，保证对中；c.井口稳固，连接 排渣管路；d.使用φ222mm钻头＋φ172mm螺杆马达 及随钻测量系统进行正循环定向钻进。 4.3 效果对比分析 在分析实践大口径井二开先导孔下导管钻进的 同时，对比临近井的施工情况。临近井一开固井钢管 规格为φ630mmlOmm，二开先导孔钻进未下导管。 两井直线距离3.6km，二开钻遇地层相近，钻速对比 情况如表l所示。 表1下／不下导管钻进对比 Table I Comparison of drilling with and without guide pipe 钻进方法 下导管 不下导管 5结论 钻深 Im 408.80 340.79 子L径 Imm 222 216 纯钻时间平均机械钻速 /h /mh-1 53.42 7.65 139.50 2.44 a.大口径井二开先导孔下导管钻进技术能明显 提高钻进效率，值得借鉴。 b.我国煤矿区地表土层厚度一般不超过100m, 个别地区达到200m，二开先导孔钻进下导管作业难 度不大。本文下φ244.5mm导管深度为75m，下、 拔导管作业时间为6 h，总体钻进效率仍然远高于不 下导管钻进。 c.煤矿区大口径井一开固井钢管口径一般较先 导孔口径大3-4倍，直接施工二开先导孔安全隐患极 大，下导管钻进技术是确保二开先导孔安全钻进的重 要方式。 参考文献 川中华人民共和国国土资源部DZ厅0227-2010地质岩心钻 探规程［SJ.北京．中国标准出版社，2010. 2］部泰宁，岩土钻掘工程学［M］.武汉中 国地质大学出版社． 2001 152. [3］乌效呜钻井液与岩土工程浆液［M］.武汉中国地质大学出版 社，200210一lI. 4］李世忠．钻探工艺学（下册）[Ml北京地质出版社.1980 37-44 [5］耿令强。气举反循环钻进深度的理论计算与加深试验（J］.中国 煤田地质，2001,132 86-87. [6］许刘万．双壁钻具气举反循环钻进技术的推广应用J］.建材地 质，1988,96 37 39. [7］杜贵亭超大口径瓦斯抽排放井施工技术JJ.探矿工程岩土 钻掘工程，2010,3712 47-48. [8］中联煤层气有限责任公司Q/CUCBM0301 2002煤层气钻井 工程作业规程［SJ.北京中联煤层气有限责任公司.2002. ChaoXing