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收稿日期2009 - 12 - 06 作者简介杨宗仁(1971 - ),男(汉族),内蒙古赤峰人,河北大直径工程井建设有限公司副经理、工程师、注册安全工程师、注册建造师,岩土 工程专业,从事大直径工程井施工技术和管理工作,河北省石家庄市建华南大街 58 号,hbjkyzr@sina. com。 超大直径、巨厚漂卵石地层钻井泥浆护壁洗井工艺技术 杨宗仁 1, 袁 洁2, 张 鹏1, 赵 丽1 (1. 河北大直径工程井建设有限公司,河北 石家庄 050031; 2. 河北省地质矿产勘查开发局,河北 石家庄 050031) 摘 要介绍了采用机械钻井法施工 饱 8. 3 m、深度286 m(其中漂卵砾石层厚度 251 m)矿山竖井的钻井泥浆护壁 洗井技术,主要包括钻井泥浆的配制、不同地层条件下泥浆性能参数的选择、调整以及钻井泥浆的净化、洗井等工 艺技术措施。 关键词漂卵石地层;超大口径竖井;机械钻井;泥浆;护壁洗井 中图分类号TD262. 1 +1;P634. 6 文献标识码A文章编号1672 - 7428(2010)04 - 0050 - 04 Well ing Technology with Drilling Mud in Super Large Diameter and Great Thick Gravel- oulder ation/ YANG Zong- ren 1, YUAN Jie2, ZHANG Peng1, ZHAO Li1 (1. Hebei Large Diameter Engineering Well Construction Co. , Ltd. , Shijiazhuang Hebei 050031, China; 2. Hebei Bureau of Geology and Mineral Exploration, Shijiazhuang Hebei 050031, China) Abstract The paper introduced the well protection and well washing technology with drilling mud by mechanical drilling construction method; the drilling diameter was 8. 3 m, the depth was 286 m and the thickness of gravel- boulder was up to 251 m.The preparation of drilling mud, the selection & adjustment of mud performance parameters in different formations, mud purification and well washing were illustrated. Key words gravel- boulder formation; super- diameter shaft; mechanical drilling; mud; well protection and well washing 机械钻井法施工矿山竖井,需要通过泥浆进行 护壁洗井完成。 钻井泥浆是由水、膨润土、化学处理 剂按一定比例配置、搅拌而成符合钻井工艺要求的 溶胶悬浮液,其主要作用是临时支护井壁稳定、冷却 破岩刀具、冲洗井底及携带岩屑,同时,也是钻井井 筒永久支护预制混凝土井壁漂浮下沉的介质,钻井 泥浆的性能直接影响着井壁漂浮下沉和壁后充填质 量,以及钻井洗井效果,所以钻井泥浆性能参数要满 足不同阶段竖井施工的要求。 1 工程的基本情况 河北遵化铁矿竖井工程由主井、副井、风井组 成,其中副井的钻井直径为 8. 3 m,深度为 286 m。 矿区第四系地层主要为巨厚的漂卵砾石地层,基岩 部分主要为微风化花岗片麻岩,地层具体情况如下 0 ~ 113. 9 m 为粘性土及砂层、卵砾石层,以粗 砂砾石为主,一般粒径为 2 ~ 6 cm,最大粒径为 20 ~ 30 cm,砾石的主要成分为石英岩、片麻岩,其中局部 层段为粘性土充填; 113. 9 ~ 231. 6 m 为粗砂、漂卵砾石层,一般粒 径为10 ~ 20 cm,最大粒径为 40 ~ 50 cm,漂卵石的 主要成分为石英岩、片麻岩,局部层段为粘性土充 填; 231. 6 ~ 251. 0 m 为漂卵石层,最大可见粒径为 102 cm(通过钻头携带至地表),一般为 20 ~ 40 cm, 漂卵石的主要成分为石英岩,层底为黑色粘性土,层 厚约 1. 9 m; 251. 0 ~ 286 m 为花岗片麻岩,灰绿色,主要成 分为石英、长石、角闪石等,局部见少量石榴子石,细 粒变晶结构,片麻状构造,岩层的倾角为 35 ,微风 化片麻岩的抗压强度最大为101 MPa。 竖井施工采用机械钻井方法和普通凿井方法综 合进行,上部漂卵砾石层部分采用机械钻井法施工, 进入稳定的基岩地层 30 m 进行井筒永久支护。 副 井采用钻井法施工井段的设计参数为竖井净径 6畅 2 m;钻井直径 8. 3 m;竖井深度 286 m;井壁厚度 0. 6 m;成井后井筒涌水量≯5 m 3 / h;成井后竖井垂 直度≯0. 8‰。 综合考虑施钻地层主要为巨厚漂卵 砾石层的特点,确定采用分级钻进成井工艺。 超前 钻井直径为 饱 3. 5 m,一级扩钻为 饱 6. 3 m,二级扩钻 为 饱 8. 3 m。 选用化学泥浆进行钻井护壁洗井,洗井 排渣方式为气举反循环。 泥浆净化采用以重力沉淀 净化为主,机械旋流净化、化学药剂处理相结合的方 式综合进行。 05探矿工程(岩土钻掘工程) 2010 年第37 卷第4 期 2 钻井泥浆的配制 2. 1 泥浆材料 根据施钻区域为巨厚漂卵石层的特点,选用低 固相水解聚丙烯酰胺(PHP)泥浆护壁,造浆的主要 材料和处理剂为膨润土、水、纯碱(Na2CO3)、火碱 (NaOH)、聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纤维素钠(Na - CMC)、三聚磷酸钠(Na5P3P10)等,其中膨润土为 辽宁省黑山县生产的以蒙脱石为主的钙钠基膨润 土,该土具有较好的分散性和造浆能力。 分散剂选 用工业碳酸钠,其主要作用是提供 Na +,对钙土进行 改性处理。 高分子聚合物 PAM,主要作为絮凝剂。 Na - CMC 主要作为降失水剂,以降低泥浆的失水 量,作为胶体保护剂,提高泥浆的稳定性和泥皮质 量。 三聚磷酸钠主要作用是降低泥浆的粘度和切 力,有利于泥浆的净化和降低泥浆的含砂量,维持适 当的泥浆密度。 2. 2 泥浆的制备 通过现场室内试验,确定泥浆的最优配比。 泥 浆在专用的搅浆机中完成,先将一定量的水加入搅 浆机中,再按水质量的 6% ~ 8%加入膨润土,搅拌 约30 min,使膨润土颗粒充分分散。 再按比例加入 纯碱(约为膨润土含量的4% ~ 6%),充分搅拌后加 入一定量的水解聚丙烯酰胺(PHP)搅拌均匀。 2. 3 泥浆性能参数 新制备的 PHP 泥浆的主要性能参数为粘度20 ~ 22 s;相对密度 1. 03 ~ 1. 05 g/ cm 3;失水量≤12 mL/ 30 min;泥皮厚度 < 1. 0 mm/ 30 min;含砂率≤0. 1 %;胶体率99%;pH 值 7 ~ 8。 3 不同地层条件下各级钻井泥浆性能参数的选择 及调整 根据地层条件的特点及钻井法施工矿山竖井工 艺的要求,不同钻井阶段对泥浆性能参数有着不同 的要求。 钻井施工过程中,泥浆的 pH 值一般控制 在 7 ~ 8 为宜,否则泥浆的胶体率低,性能不稳定。 在孔隙度大、易漏失的漂卵砾石层段钻进时,泥浆的 失水量不必控制得太严,保持一定的失水量,对护壁 泥皮的形成是必要的。 但失水量过大,易导致泥皮 疏松、泥皮过厚,对钻井护壁反而不利,在易漏失的 漂卵石地层钻进时,泥浆的失水量一般控制在 20 ~ 22 mL/ 30 min。 超大直径、巨厚漂卵石层钻井施工,大面积井壁 稳定是泥浆的临时支护作用来保证,所以各级钻井 过程,适当保持泥浆的相对密度以平衡地层及地下 水的压力,对维护井壁稳定是必要的。 钻井完成后 安放预制混凝土井壁的过程需要20 天左右的时间, 期间泥浆无法循环,要保证井壁安放到预定位置和 壁后充填水泥浆固井止水的质量,适当提高泥浆的 粘度和胶体率,降低泥浆的失水量和含砂率,保证泥 浆性能参数的稳定。 不同地层条件下各级钻井泥浆 性能参数如表1 所示。 钻井泥浆性能参数的调整。 钻井施工过程中, 表 1 不同地层条件下各级钻井时的泥浆性能参数 钻井径级地层情况 粘度 / s 相对密度 / (g cm - 3) 失水量 / 〔mL (30min) - 1〕 泥皮厚度 / 〔mm (30min) - 1〕 含砂率 / % 胶体率 / % pH 值 饱 3T. 5 m 及 饱 6. 3 m 砂卵砾石20 ~ 22N1 . 10 ~ 1. 20≤20怂≤2侣. 2≤2R≥957 ~ 8墘 漂卵石20 ~ 26N1 . 10 ~ 1. 25≤22怂≤2侣. 5≤2R≥957 ~ 8墘 基岩18 ~ 22N1 . 10 ~ 1. 20≤18怂≤2侣. 0≤1R≥957 ~ 8墘 饱 8噰. 3 m 砂卵砾石20 ~ 22N1 . 10 ~ 1. 20≤20怂≤2侣. 0≤2R≥957 ~ 8墘 漂卵石20 ~ 26N1 . 10 ~ 1. 25≤22怂≤2侣. 2≤2R≥987 ~ 8墘 基岩18 ~ 22N1 . 10 ~ 1. 20≤15怂≤1侣. 5≤1R≥987 ~ 8墘 钻井完成及安放井壁前20 ~ 22N1 . 10 ~ 1. 20≤10怂≤1侣. 0 ≤0R. 5≥997 ~ 8墘 定时对泥浆的性能参数进行测量,当钻进地层发生 变化时及时调整泥浆的性能参数。 泥浆性能的几个 基本参数是相互关联、相互影响的,调整泥浆性能的 其中一个参数时要均衡考虑其它参数的变化。 泥浆 的含砂率过大会导致泥浆的相对密度过高,一般采 用加强自然沉淀、机械旋流除砂或加入三聚磷酸钠 处理剂的化学方法分离泥浆中的粉细岩屑,降低泥 浆中的含砂率进而降低泥浆的相对密度。 泥浆的粘 度过大时,一般采用加入低粘度的泥浆或清水进行 稀释,当泥浆稀释导致失水量和泥皮厚度增加时,应 同时加入 Na - CMC 溶液调整泥浆的失水量。 当泥 浆的 pH 值偏小,导致泥浆的胶体率偏低,泥浆的性 能不稳定时,一般应加入 Na2CO3调整泥浆的 pH,同 时加入 Na - CMC 调整泥浆的胶体率。 在泥浆的处 理过程中,碱是基本的处理剂,只有充分钠化的粘 土,才能使 PHP 充分发挥作用。 如果原浆中的碱量 不足,企图用其他处理剂来调整泥浆的性能是不能 达到理想的效果的。 钻井法凿井各道工序对泥浆的 15 2010 年第37 卷第4 期 探矿工程(岩土钻掘工程) 性能参数要求差别大,在特定的条件下所适应的泥 浆性能参数往往是一个经验范围,完成 饱 8. 3 m、深 度286 m 钻井井筒泥浆的理论方量在 15000 m 3 以 上,有时很难及时调整泥浆的性能参数,但是必须遵 循的原则,首先要考虑安全护壁性能参数的需要,是 保证钻井安全的必要条件,其次再考虑确定不同工 艺所需求的泥浆性能参数。 4 钻井泥浆的净化处理 钻井泥浆净化是把循环泥浆从井底携带至地表 的岩屑从泥浆中分离出去恢复其原有参数的工艺过 程。 若泥浆处理不及时有效,含有大量岩屑的泥浆 流回至井内,在井底造成重复破碎,或残留在井底, 不仅加速钻头刀具的磨损,还会影响泥浆的护壁性 能,在采用泥浆漂浮安防预制井壁过程中,大量岩屑 沉淀井底,影响井壁顺利安防到预定的位置,沉砂堵 塞井壁底部分预留的注浆孔,进而影响壁后充填质 量。 完成 饱 8. 3 m、深度286 m 钻井需破碎岩土的方 量大于15000 m 3,都需要通过泥浆循环携带至地表 净化分离出来,所以采用钻井法凿井,必须做好泥浆 的净化工作。 饱 8. 3 m 钻井泥浆处理系统平面布置 如图1 所示。 图 1 泥浆处理系统现场平面布置图 泥浆净化主要采用重力自然沉淀分离、化学处 理剂絮凝和机械强制分离等方法进行综合处理。 泥 浆池沉淀净化系统,由清渣池、沉淀池、泥浆槽组成, 采用反循环洗井,出井泥浆首先进入清渣池,被泥浆 携带的大粒径的岩块迅速沉淀,用挖掘机或抓斗及 时把大粒径的岩块清除,较细的岩屑随着泥浆流经 沉淀池缓流区慢慢沉淀,泥浆以大坝溢流的形式漫 流过堰口溢流,回流进入泥浆槽返回井筒。 采用泥浆池沉淀净化泥浆的效果与泥浆的粘 度、岩屑颗粒的粒径和泥浆的相对密度有关,在泥浆 粘度小的情况下,一般经过重力沉淀净化可满足钻 井工艺要求。 泥浆的粘度高时,岩屑在泥浆中的下 降阻力增大,沉淀净化效果差,致使泥浆的含砂率超 标,必须经过机械旋流净化及振动脱水化或化学处 理剂进行二次净化处理。 泥浆机械净化选用多台 ZX - 250 型泥浆处理装置并列使用。 ZX - 250 型泥 浆处理装置的性能参数为处理能力 250 m 3 / h;分 离粒度≥27 μ m;除砂率≥90%;脱水率≥80%;处 理污浆的最大密度≤1. 4 g/ cm 3;总功率48 kW。 化学处理剂净化处理泥浆选用三聚磷酸钠作 为处理钻井泥浆的化学药剂,由于三聚磷酸钠吸附 在粘土颗粒表面,可拆散泥浆中的网状结构,降低泥 浆的粘度和切力,具有剪切稀释作用,降低岩屑颗粒 在泥浆中的下沉阻力,有利于泥浆的净化。 使用时, 按一定比例将粉剂加入到正在搅拌的水中,搅拌 15 min 后形成浓度为5%的三聚磷酸钠的水溶液,随时 加入循环的泥浆中,一般加量为泥浆体积量的 0. 1% 左右。 经过机械旋流净化或化学处理剂处理后泥浆 含砂率可控制在 0. 1%以内,完全满足钻井泥浆护 壁工艺和井壁安放工艺对泥浆参数的要求。 5 钻井泥浆洗井用空压机参数的选择 钻井泥浆洗井是使用泥浆介质将钻头刀具破碎 的各种岩屑从井底工作面清除的过程,洗井效果不 好,造成岩屑在井底的重复破碎,影响进尺效率。 泥 浆洗井冲洗量一般根据泥浆在钻杆中的上返速度来 确定,即泥浆在钻杆中的上返速度要大于最大岩块 在泥浆中的下沉速度。 泥浆在钻杆中上返速度的确定 V =1. 76KgD(γ 1 γ -1) 式中V 泥浆在钻杆中的上返速度,m/ s;K 系数,考虑泥浆在钻杆中的上返速度要大于岩块的 下沉速度,取 K≥1. 2;g 重力加速度,m/ s 2; D 所确定的岩屑直径,根据漂卵石地层情况及 钻杆的通径取0. 3 m;γ 1 岩屑重度,计算中一般 取 γ1= 2. 6 g/ cm 3;γ 钻井泥浆的相对密度,γ= 1. 2 g/ cm 3。 则泥浆在钻杆中的上返速度 V = 1. 76 1. 2 9. 8 0. 3 (2. 6 1. 2 - 1) = 3. 9 m/ s 时能够携带粒径 为0. 3 m 的岩屑。 完成气举反循环洗井工艺的主要 施工设备是空压机,其技术参数直接影响洗井泥浆 的循环量及洗井效果。 饱 8. 3 m 扩井钻进时泥浆循环量的确定 25探矿工程(岩土钻掘工程) 2010 年第37 卷第4 期 Q =2828d 2V 式中Q 需要洗井泥浆的循环量,m 3 / h;d 钻 杆内径,d = 0. 366 mm;V 泥浆在钻杆中的上返 速度,V = 3. 9 m/ s。 则 Q = 2828d 2 V =2828 0. 366 2 3. 9 =1478 m 3 / h。 提升单位体积泥浆压风消耗量 V0= K1γ h 23lg γ H0+10 10 式中V0 提升单位体积泥浆的压风消耗量,m 3 / m 3;γ 泥浆相对密度,γ= 1. 2 g/ cm3;K 1 系 数,K1= 2. 17 + 0. 0164 h = 2. 367;h 扬程,h = 12 m;H0 压风管埋入深度,H0=〔(P压-Δ P) / γ 〕 10 =100 m;P压 供风压力,P压=14 kg/ cm 2 (1畅 4 MPa);Δ P 供风管路压力损失,Δ P = 2 kg/ cm 2(0. 2 MPa)。 则提升单位体积泥浆压风消耗量 V0= 2. 367 1. 2 12 23lg 1. 2 100 +10 10 =1. 36 m 3 / m 3 饱 8. 3 m 扩井钻进时,循环泥浆洗井所需的供风 量 V = QV0 60 = 1478 1. 36 60 = 33. 5 m 3 / min。 所以,饱 8. 3 m 扩井钻进时选用供风量为 23. 3 m 3 / min、排气压力为 20. 7 kg/ cm 2 的两台 RHP825E 型空压机并联使用,供风量富余系数为(23. 3 + 23. 3)/ 33. 5 = 1. 39,满足钻井施工的要求。 饱 8. 3 m 钻井选 用 RHP825E 空压机的性能参数为排气压力 20. 7 kg/ cm 2;排气量 23. 3 m3 / min;功率 230 kW;二级螺 杆压缩形式。 在矿山竖井超大直径钻井施工中,洗井效果取 决于流经井底工作面的流速及流线状态,即使泥浆 的循环量达到 1500 m 3 / h 以上,工作面的冲洗速度 仍然很小,为克服这一不利因素,通过改进钻头结构 (将平底钻头改为截锥体或球面体形式)和优化其 它工艺参数进行弥补。 实际钻井施工过程中,通过 气举反循环洗井携带至地表的岩块粒径最大达到 0. 33 m,如图2 所示。 图 2 气举反循环洗井携带至地表的岩块 6 结语 钻井泥浆性能对实现钻井安全、提高钻井效率、 保证井壁漂浮下沉到预定位置及壁厚充填质量等有 着关键作用。 巨厚漂卵砾石地层条件下的超大直径 钻井施工,应按工艺要求配置、调整泥浆性能参数指 标以满足不同条件的护壁需要。 各级工序对泥浆的 性能参数要求差别大,在特定的条件下所适应的泥 浆性能参数没有一个特定值,往往是一个经验范围, 但必须遵循的原则是首先要考虑护壁性能参数,这 是保证钻井安全的必要条件,其次再考虑确定不同 工艺所需求的泥浆性能参数。 参考文献 [1] 崔云龙. 简明建井手册[M]. 北京煤炭工业出版社,2003. [2] 翁家杰. 井巷特殊施工[M]. 北京煤炭工业出版社,2000. (上接第49 页) (4)下放割刀前,要在地面上反复试验,使割刀 头能够收入圆筒内,并能够顺利打开; (5)钻杆割断后,首先要确认割刀已经收入圆 筒内以后,才能试着轻轻往上提,以免将割刀拉断而 增加处理事故的难度; (6)由于孔内有几个拉断的钩子头(经分析,钩 子头应紧贴在孔壁上),在将上部钻杆锥出钻孔后, 要及时用纺锤形钻头将拉断的钩子头挤入孔壁内, 以免掉入钻孔下部,形成新的事故。 8 几点体会 (1)地质钻探孔施工过程中,出现各种孔内事 故是在所难免的,出现事故后一定要把事故的性质 弄清楚,绝不能盲目地去处理,更不能急躁。 (2)处理任何一种事故,都要从易到难逐步进 行,在处理过程中要坚决避免将事故恶化。 (3)不要轻言放弃。 这次事故在处理到后期 时,情况已经非常糟糕,已经到了报废钻孔的边缘, 但是由于我们没有放弃,最终将事故处理成功,避免 了近百万元的损失。 35 2010 年第37 卷第4 期 探矿工程(岩土钻掘工程)
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