抗灾排水钻孔技术在粱北矿中的应用研究

王晓民

（中国煤炭地质总局 第二水文地质队，河北 邢台054000）

1 概 况

粱北煤矿地层位于华北地层区嵩箕小区，区内地层由下到上依次发育为寒武系上统崮山组、长山组，石炭系上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组以及第四系。其中石炭-二叠系为主要含煤地层。矿区整体为单一地层走向106°～285°，倾向196°，地层倾角为6°～18°的单斜构造形态。整体构造复杂程度为中等。为提高梁北煤矿抗灾排水能力，保障矿井安全生产，现设计抗灾排水管路钻孔3个，单孔深度683.50 m，合计2 050.50 m，钻孔内敷设φ480 mm×22 mm排水管。

2 钻探工艺

2.1 钻井实际程序

（1）一开采用三翼钻头施工导向孔，导向孔为φ216 mm，钻进至孔深701.38 m。

（2）二开采用φ450 mm的牙轮钻头，钻进至设计孔深82.00 m，然后用φ960 mm镶齿式组合牙轮钻头扩孔，下入φ820 mm×12 mm护壁管，水泥固井，水泥浆返至地面，候凝72 h。固井质量合格后，进行三开工作。

（3）三开采用φ780 mm组合牙轮钻头扩孔至孔深683.50 m，下入φ630 mm×24 mm通天工作管（材质为热轧无缝钢管），然后水泥固井，水泥浆返至地面，候凝72 h以上。

钻井结构如图1所示。

图1 钻井结构示意Fig.1 Drilling structure

2.2 钻头选择

（1）导向孔钻进，以φ216 mm带喷嘴镶齿牙轮钻头为主。

（2）扩孔使用组合牙轮钻头，用若干个镶齿式牙轮钻头的单掌组焊接成φ450 mm、φ640 mm、φ860 mm、φ960 mm扩孔钻头，选用单掌时规格和新旧程度应一致，排放高度、角度严密均匀，加焊挡板，防止牙轮脱落，造成钻头损坏及孔内事故。

2.3 参数选择

为了保证钻进安全，提高钻进效率和防止孔斜，采用塔式组合钻头，根据孔深、孔径和岩性综合选择钻进参数。

2.3.1 导向孔钻进（φ215 mm）

（1）冲积层和煤系地层软岩。

②硬岩。

2.3.2 大口径扩孔钻进

（1）冲积层。

（2）基岩。

3 防斜与纠斜工艺

导致钻孔弯曲的因素很多，虽有一定的规律，但是钻孔弯曲不可避免，钻孔力求垂直，否则不仅会给钻进造成困难，同时粗大的井管也难以下入孔内。本工程采用导向孔定向钻进技术，首先是防斜，力求钻孔垂直，然后定向纠斜的思路，实现靶点定向钻进。开孔前应认真检查钻塔的安装质量，塔基四角须挖基坑并用混凝土填平，至少2 d后再安装钻塔。

防斜方法包括合理选用钻具组合和钻进技术参数，严格操作要求，控制孔斜3个关键环节：安装、开孔、换径。侧重4个方面。

（1）粗径钻具组合。使用φ127 mm钻杆和粗径钻具，满足φ215 mm导向孔钻进井底压力的需要。

（2）加扶正器3个。扶正器与φ215 mm钻头同径，分别连接在φ178 mm钻铤的3个不同部位，使满眼钻进长度达到20 m，有效减少钻具与孔壁之间的间隙，防止钻头偏斜。

（3）合理控制钻压，采用轻压悬吊式钻进方法把孔斜控制在最小范围内。

导向孔采用及时测斜，随钻进掌握钻孔的偏移量，测点段距定为30～50 m，10 m一个测点，一旦发现超偏迹象，及时采取纠斜措施。纠斜方法选择随钻MWD随钻定向钻进技术，这是保证中靶钻进最可靠的钻探工程技术。

4 下套管技术措施

4.1 套管规格

套管外径630 mm，壁厚24 mm，材质为20号钢无缝管。设计长度为683.50 m+0.50 m+逆止阀、旋流孔2.50 m=686.50 m（高出地面0.50 m），重量358.66 kg/m，总重量为686.50 m×358.66 kg/m=246 220.10 kg≈246.22 t。

4.2 套管强度校核

（1）抗拉强度。依据材质单，φ630 mm无缝钢管抗拉强度为475 MPa。

（2）套管强度。φ630 mm套管材质为20号钢，依据材质单中屈服强度为272 MPa，按照公式计算套管抗挤毁强度。

屈服挤毁强度：

当Dc/δ≤（Dc/δ）yp时，

塑性挤毁强度：

过度挤毁强度：

式中：Dc为套管外径，取630 mm；δ为套管壁厚，取24 mm；Yp为管材屈服强度，取272 MPa；Pco为挤毁强度，MPa。

经计算，（Dc/δ）yp为屈服挤毁与塑性挤毁交点的径厚比，取16.48；（Dc/δ）pt为塑性挤毁与过渡挤毁交点的径厚比，取524.40。

φ630 mm外管径厚比（Dc/δ）：630/24=26.25

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

所以抗挤毁强度Pco=12.898 MPa。

4.3 下套管作业

（1）终孔后采用同规格套管不少于20 m进行试下，顺孔完成，观察3 h，下入探棒检测浮板或浮力塞密封效果。

（2）套管采用升降机提吊。套管柱底部具有引鞋及逆止阀，引鞋以上、逆止阀以下应割规格为φ8～12 mm的旋流孔5～7个。在套管柱底部30 m范围内，增加3组弹性扶正条，保证下入孔内套管居中，确保固井过程水泥环厚度均匀。

（3）套管连接采用30°坡度对焊，下套管现场配备3台电焊机，根据使用电焊条电流要求，及时调整焊接电流。接箍尺寸长不小于250 mm、厚10 mm。焊接时管口合缝、同心，焊缝要求不低于3遍，焊接应保证无漏失、无气孔、砂眼、虚焊，焊接处管内无台阶。

（4）下套管前，调整孔内泥浆参数，必要时更换新泥浆。在泥浆中加入润滑剂，减小下管阻力。现场准备备用泥浆，以防下管过程中孔内泥浆漏失。

（5）下管时采用浮力下管法，工作管采用割孔、穿杠、钢丝绳牵引提吊的下管方法，在管口上端0.50 m处对称切割φ125 mm圆孔。穿杠为钻铤加工而成，直径不低于φ120 mm，用钢丝绳连接游动大钩，起吊套管，套管对接焊实后，抽出穿杠，将切下的圆板填入割孔内，焊牢，割孔外补焊方板加强。

（6）工作管的重量大于钻塔的承载能力，下管前要提前加工浮力塞或浮板，下管中确保浮力塞或浮板能阻止泥浆从套管底进入管内，利用掏空浮力降低提吊设备的负荷，确保下管成功。

（7）套管下孔前核对编号并做记录，根据参数，计算每下1根，设备承载重量，并与实际承载重量对比。

（8）套管吊起后，应由2台经纬仪观测（2台经纬仪的夹角应有90°），确保套管垂直。

（9）下管工作力求快、稳，防止井壁失稳，尽量缩短下管时间，操作升降机人员必须平稳操作，严禁猛升猛降。

（10）套管焊接，焊接时由2人一组进行焊接，焊接工人必须持证。

（11）孔口返出的泥浆要及时进行抽排，下管结束后，加固管口并居中，套管高出地面0.50 m。

（12）下管作业过程中，定时回灌泥浆液，确保套管能够缓慢下降。

5 固 井

5.1 水泥固井

（1）采用专业固井车进行固井，提前检查和维护固井设备、管路。灰浆运输车要求一起发车，一起到现场，确保固井注浆连续。

（2）固管方法采用孔底压注水泥浆，从孔壁与管壁之间的环状间隙返出井口的全固管方法，水泥比水为1∶0.6，水泥标号P·O425#。

（3）注浆时立轴和钻杆要用大于10 MPa的单向阀链接。套管内要灌满清水，管口与钻杆间环状空间用钢板封闭，并在钢板上连接压力表（大于10 MPa）及放气阀。

（4）封固前在现场对水泥进行简易地面试验，并保存样品做好记录。注浆过程要求连续，水泥浆取样要求快速、准确、取全、取准数据，并准确计算替浆量。注浆前需注入前置液（清水）3～4 m3，孔内预留水泥塞10 m。

（5）待水泥凝固72 h后，检查封孔止水效果，合格后进行下部施工。

5.2 固井质量检测

水泥凝固72 h后进行扫水泥塞作业，套管内保留2 m，进行全井试压，试验压力为3 MPa，30 min压力下降不超过0.5 MPa即为合格。保证孔底揭露后管体不下落，管内及管壁不漏水。采用提桶清除套管内的积水、泥浆，要求残留不大于5 m。经现场检查，未发现漏失现象，证明固井质量达到设计要求。该项目为煤矿治理水患，提高抗灾排水能力提供了一种可行的、实用的施工方案。

6 结 语

矿井防水治水是一项长期、细致的系统工程，根据粱北矿自身的水文地质条件，完成抗灾排水管路钻孔3个，圆满的完成了整个项目的施工工作。