泊江海子冻结造孔施工工艺技术

张子彬

（安徽煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

泊江海子冻结造孔施工工艺技术

张子彬

（安徽煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

结合泊江海子的地质情况和技术要求，从冻结造孔施工技术入手，对其相关的施工工艺进行了探讨，提出在施工过程中根据不同的岩层段的岩性变化，选择不同的钻进参数和钻孔的纠偏措施，合理调配钻具级配、泥浆参数，保证开孔和钻孔的垂直度，同时应做好施工管理才能保证钻孔的高质量完成，从而缩短冻结时间，使矿井早日建成投产。

冻结造孔；参数；纠偏

泊江海子井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市塔然高勒矿区的最南部，行政区划属鄂尔多斯市东胜区管辖。矿井工业广场布置在泊江海子镇北部，距109国道2.5km处，距乌蒙公路30m，交通方便。泊江海子镇西至乌海市305km，与包兰铁路相通；东至鄂尔多斯市东胜区55km。主要的铁路和公路均在东胜区交汇。泊江海子矿设计采用立井开拓，在井田工广范围内布置主、副、风井，采用冻结法施工。由安徽省煤田地质局第三勘探队施工了这三个井筒的冻结钻施工。其具体参数见表1：

表1 钻孔布置参数表

（一）主要技术及钻孔施工要求

1.质量要求：

（1）孔位标定：实际开孔孔位与设计孔位偏差不大于20mm。

（2）钻孔测斜：所有钻孔钻进时每隔 30m～40m测斜一次，易偏地层应加密测斜点，即将超出要求及时纠偏。

（3）钻孔偏斜要求：

1）偏斜率≤2.5‰。

2）终孔最大孔间距：200米以上小于≤2.15m，200m到300米小于≤2.45m，300m到400米小于≤2.65m ，400m到556米小于≤3.15m。

3）径向内偏≤0.4m。

2.钻孔施工要求

（1）冻结管下入钻孔后，及时进行动压试漏，试验压力为 5.6MPa，试压 30min，压力下降不超过 0.05MPa，再延续15min压力不变为合格。

（2）水文孔按照设计要求下好水文管后，及时用钻杆压入清水冲洗水管，直至管外返清水，以保证水文观测孔的质量和观测效果。

（3）测温孔下管时不得灌水，保证不漏水。

（4）测温管、水文管采用外接箍焊接，冻结管采用内接箍对焊。

（5）钻进过程中每个孔均要进行监测，冻结管深度用经过比长的测绳直接在冻结管中量测。测斜以JDT-5A型及其以上的陀螺测斜仪资料为准。

（二）施工设备及配套工器具

1.钻塔的选型

钻塔是冻结孔施工的重要设备之一，对钻塔的要求是：即要有足够的承载力，以承担钻具提升负荷，又要有足够的高度，以便缩短冻结管的下放时间。在承载力方面，应不小于30t；在高度上，一般应满足下放单根冻结管18m的需要；经分析对比，该工程选择22.5m钻塔，其参数见表2。

表2 四角钻塔参数表

2.钻机的选型

用于冻结孔施工的钻机，要求具有提升功率大、转速高、大扭矩、速比宽的特点。选用石家庄矿井机械厂生产的TSJ-2000 型。TSJ-2000型钻机的性能，完全满足该工程的施工需要，钻机参数见表3。

表3 钻机参数表

3.泥浆泵选型

泥浆泵用于输送钻进过程的冲洗液，以保证在快速钻进条件下的孔底清洁，避免重复破碎。在钻孔孔壁与钻具之间的环状间隙一定的情况下，要保证冲洗液具有高的上返流速，就必须提高泵量。另外，泥浆泵作为井下动力钻具的动力源，也必须具有足够的流量和较高的压力。综合考虑，所选用的泥浆必须满足冲洗液上返流速0.50m/秒，经计算，上返流速达到 0.5m/秒时所需泵量为 650L/min，因随着钻孔深度加深和钻具加长，泥浆液在输送过程中会有一定量的泄漏，因此，泵量的取值应再乘以系数1.1，即：715L/min。

根据以上条件，风井拟选用TBW-850/50型泥浆泵。该型号的泥浆泵性能完全满足该工程的施工需要，其性能参数见表4。

表4 泥浆泵参数表

4.钻具选配

钻杆：钻杆是将地面钻机的动力传给地下钻头的主要部件之一。所用钻杆必须满足两项要求：一是传递足够的扭矩，二是满足陀螺仪和陀螺定向仪测斜及定向的需要。本工程采用采用美国休斯公司的φ89mm钻杆。

钻铤：钻铤是实现孔底加压、预防孔斜，保证钻具工作的稳定和垂直的重要部件，以减少孔斜发生。本工程拟选用φ159mm钻铤。

钻头：新地层钻进选用MP型钢牙轮钻头，基岩钻进选用XMP型镶齿牙轮钻头。

5.纠偏钻具

为了满足冻结孔各深度段孔间距的要求，在冻结孔的施工中，必须要有有效的定向、纠偏手段，否则，冻结孔将无法保证质量。因此，纠偏技术、纠偏机具显得尤为重要。为提高纠偏效率，本工程选用邹城市东远石油机械有限公司生产的5LZ120螺杆钻具作为纠偏钻具，螺杆钻参数见表5。

表5 螺杆钻具参数表

6.废浆排放系统

主井井盘布置一台 TBW—850/50型泥浆泵及一条排浆管路构成排浆系统。

7.测斜仪器与定向仪器

根据冻结工程质量要求，本工程选用北京建井研究所生产的JDT-5A型陀螺测斜仪，定向仪选用陀螺定向仪。陀螺测斜仪性能参数，见表6。

表6 陀螺测斜仪参数表

（三）施工工艺及相关技术措施

1.开钻前准备

（1）开钻准备工作很多，其中主要有设备的安装及检验、技术交底及复核、设备检修和维护、各种钻具及材料的准备等。

（2）开钻前要对钻机认真找正，安装稳固、周正，使转盘中心、钻孔中心和游动滑车提升中心重合，确保开孔垂直度。开孔前要制备一定数量的优质化学泥浆。

（3）开钻前，项目部应组织有关人员对钻探设备、材料、砼基础、滑动底盘、钻塔安装、电气设备安装、泥浆池、钻场安全设施与防护以及钻具的质量、数量进行验收，验收完毕后方可开工。

2.开孔

开孔是保证钻孔垂直度的关健。为确保开孔的垂直度，开孔钻进过程中应以轻压、慢转、大泵量为宜。一般控制在转速48～69r/min，钻压500kg，泵量500～800L/min左右。

3.钻进操作

（1）钻孔结构的选择

按冻结方提供的冻结管规格要求，依据管径大小和我队近年冻结孔的施工经验，选择孔径为φ190mm一径到底的方式。以保证顺利下放冻结管材和水文孔、测温孔管材。

（2）钻进参数的采用

采用合理的钻进参数不仅能保持钻进的高效率，而且能效地减少钻孔偏斜。

表7 钻进参数表

钻进中要精心操作，根据进尺速度和钻孔柱状图准确判层，换层钻进时要合理使用压力，软变硬时，降低钻压，待钻进0.5m后再恢复到该地层应使用的正常压力；当硬变软时，适当减小压力，降低转速。

钻进时给压均匀。并根据地层情况合理掌握钻压、转速和泵量。砂层中转速快给进，粘土层中转速慢给进，防止快进时泥包钻头；基岩应高钻压低转速。控制孔底钻压为钻铤在孔内总重量的75%～0%，采用悬吊钻进。

下钻接近孔底时，要慢放，严禁墩钻，用新钻头时应轻压慢转30分钟后，再逐步加大钻压正常钻进，起钻时应及时向孔内补充泥浆，预防塌孔。

（四）防斜、测斜与纠斜

钻孔偏斜必须遵循“以防为主，纠偏为辅”的方针，增强施工人员的责任心及严格按有关技术要求施工，加强技术监督的力度，杜绝蛮干行为。施工时，工程技术人员应充分研究易偏地层，分析易偏原因，找到适合该地区施工的防偏方法和措施。及时指导施工人员防偏纠偏。

1.钻孔防斜

（1）确保设备的安装质量，把好开孔关。

（2）钻进中地层由软变硬时，压力要适当减轻、转速要降低，地层由硬变软时，压力要减少到正常值的三分之一到三分之二。

（3）开孔使用的粗径钻具要直，正确选择钻具组合，增强钻具的导向性和稳定性，减小孔壁间隙，减小下部钻具弯曲。

（4）不得使用弯曲、变形的钻具，钻具连接后同心度要好。粗径钻具应有足够的长度。

2.钻孔测斜

（1）灯光测斜：0～30m段，采用对点器及其配套设施进行。测斜管要求φ108mm、要直，下端口堵死，下入时丝扣处应涂丝扣油。

（2）陀螺测斜：30m以下段测斜选用JDT-5A型陀螺仪测斜。正常钻进每 30～40米置一个测点，根据具体情况，测点可适当调整。易偏地段增加测点。发现疑点要重新测量，必须上下复测，确保测斜资料的可靠性。

（3）单孔成孔后用陀螺仪测斜，原则上每 30米一个进行测斜，测斜成果由电脑打印输出，在现场由各方认可签字后，方可下冻结管。

（五）钻孔纠偏措施的选择

在冻结造孔过程中，尽管采取了性能较好的设备、合理的钻具组合及钻进参数，以确保钻孔的垂直度，但由于种种原因，在施工过程中仍有部分钻孔出现超偏现象，这就需要对钻孔进行纠偏处理。在生产中常用以下纠偏方法。

1.扫孔纠偏法

一般在表土层中发生孔偏，可利用原有钻具，更换三翼钻头或多翼钻头进行扫孔纠偏。这种方法是从喷嘴出来的泥浆直接冲刷翼层外刃与孔壁接触的地方，可使钻头的翼片，特别是底外刃不产生泥包现象，始终保持锋利状态，便于和孔壁接触扫出新的台阶把孔纠直。

2.扩孔纠偏法

使用原有钻具，换用比原来钻头大的钻头扩大孔经，钻至原深度时更换原钻头，开钻前应将钻具吊离孔底约1m左右，然后慢速给进开出一个新孔，当钻进2m，钻孔已修直后，再转入正常钻进。

3.垫、移钻塔法

其原理是通过调整钻具组合，利用钻具的刚性及钻孔偏斜拐点的相互抑制作用控制下部孔斜。根据钻孔过程中的测斜资料，就是利用上部孔段较直，以钻孔当时的孔深为起始点，顺钻孔偏斜方位移动钻塔到一定距离，使当时钻孔的起始点变成支点，产生抑制作用使钻孔反方向钻进，达到纠偏效果。必要时可调整钻具组合，使纠偏效果更加明显。通常的做法是发现孔斜时，应先采用垫架子方法，如行不通时，应采用移架子法。在移动架子时应不起钻具，把架子朝孔斜方位上的方向移，要做到快速、稳妥。

4.采用井下动力钻具（螺杆）作定向纠偏

当钻进中孔斜偏距设计要求允许范围上限时，可进行定向纠偏。但尽量选择在粘土层。选择弯接头度数，对φ190mm孔经，使用5LZ165螺杆，要求井斜角变化很小，由孔斜角变化率i选择0.5°或1°的弯接头。在纠斜后还要钻进打直孔，所以纠斜段不能太长，一般参考公式为：L=S×1/3×Sinа；L为螺杆钻进深度；S为钻孔偏距；а为弯钻头度数。

纠斜钻具组合：φ190mm钻头+5LZ165螺杆+0.5°或1°弯钻头+φ89mm钻杆；

增斜钻具组合：φ190mm钻头+φ159mm钻铤+φ89mm钻杆；

防斜钻具组合：φ190mm钻头+φ159mm钻铤+φ180mm稳定器+φ89mm钻杆；

在使用以上组合时应注意以下事项：

（1）下钻前认真检查钻具，根据测斜所得数据进行准确定向，打印记号。

（2）选择合适的钻头和喷嘴直径，动力钻具在孔口试运转，正常后下入孔内。

（3）用螺杆钻具纠斜前，应充分循环并调整好泥浆性能，含砂量≤1%。

（4）下螺杆钻具中，应将每根钻具用双钳加力紧扣。

（5）安装防反转器，防止定向纠斜钻进中钻具转动。

（6）定向纠斜钻进中加压、送钻要均匀，使用推荐的钻进参数。

（7）纠斜过程中，每钻进约 10米，进行测斜，了解顶角和方位角的变化，检查纠斜情况。

（8）在表土层中使用螺杆钻具纠斜时，上部可适当添加扶正器。

（六）做好施工管理

首先，认真做好施工中的各项记录，对钻孔测斜资料以单孔为单元整理成册；其次，施工中各环节都要抓紧，减少辅助作业时间，增加纯钻进时间，提高钻月效率；此外还应该建立建全项目管理中的生产管理、安全管理、技术管理、财务管理、后勤供给等管理制度，一切以工程为中心。

（七）结束语

冻结造孔施工在多数情况下为多台钻机同时在一个井盘施工，场地狭小，单孔施工时间短，对孔垂直度要求高，井盘各钻机单孔施工周期频率基本相同，因此必须制定周密的作业计划，保证各钻机的施工顺序。特别是对偏斜钻孔的处理，要有从简到繁的不同的处理方案。

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A

1008-1151(2011)03-0058-03

2010-12-30

张子彬（1966－），男，安徽宿州人，安徽省煤田地质局第三勘探队冻结工程处助理工程师，从事煤田地质勘探、冻结造孔的施工与管理工作。