郓城风井钻井法凿井快速施工分析.doc

郓城风井钻井法凿井快速施工分析
蔡鑫
（中煤矿山建设集团有限责任公司钻井工程处）
摘要：通过郓城风井钻井法凿井施工情况介绍，对加快施工速度的各种因素进行了认真地分析，提炼出了提高钻井法施工成井速度应采取的一些措施，以供以后施工时参考。
关键词：钻井法凿井钻进速度竖井钻机
1概况
郓城煤矿为设计生产能力2.4Mt/a的大型矿井。其中央风井采用钻井法凿井，由中煤特殊凿井集团公司采用AS-9/500竖井钻机施工。井筒设计井深921.9m，钻井深度为565.6m，设计净径为φ6.0m。自2006年1月20日正式开钻到2007年5月8日完成充填固井，总施工工期15.6月，平均月成井36.25m，偏斜率0.154‰，有效圆直径5.912m，井壁预制质量和壁后充填质量均达到或超过设计要求。
1.1地质条件
中央风井所穿过的第四系冲积层厚533.39m，基岩厚32.21m。冲积层主要由粘土、砂质粘土及砂组成。其中粘土层普遍较厚，粘性好，呈硬塑性，含钙质，遇水膨胀，自然造浆能力强，钻进时易泥包钻头和缩径。基岩段主要由砂岩和泥岩构成，上部风化严重。
1.2钻井设计方案及钻进情况
原设计钻井方案为1级超前，2级扩孔。超前钻孔直径为4.0m，第1级扩孔为φ7.8m，2级扩孔为φ9.0m。当第1级超前孔φ4.0m完成后，进行φ7.8m扩孔钻进，但当钻至324.24m时进尺较为缓慢，且掏孔次数频繁，严重影响钻进速度，经研究改为φ6.1m钻进。最后用φ9.0m钻头扩孔。该井自2006年1月20日开钻至2007年3月17日钻进工作全部结束，总钻进时间421天，平均钻进速度为40.3m/月。
2影响施工速度的主要因素
在钻井法凿井施工过程中，钻进的速度是影响施工速度的主要因素：
2.1科学合理的钻进工艺
改进前1级超前，2级扩孔，其破岩面积分别是12.56，35.2和15.83m2；改进后2级扩孔的破岩面积分别为16.66和34.4m2。通过改进前后对比，我们只是调整了扩孔的破岩面积，但对钻井速度的影响却非常大。就其原因分析，改进前，一级扩孔破岩面积为超前钻的2.8倍，钻碴在小孔内很快就填满了。而改进后，一级扩孔破岩面积仅为超前钻的1.3倍，二级扩孔破岩面积为前两级钻孔破岩面积的1.17倍。由此可见，改进后的分级方案更科学合理。
因此，科学合理的钻进工艺是影响钻进速度的一个重要原因。
2.2设备
AS-9/500竖井钻机使用的控制系统是改造后的由西门子公司生产的直流调速系统，实现了从模拟到全数字质的飞跃，可靠性大大提高了。故障率低，机械效率高，维修时间和辅助时间少加，从而提高了平均钻速。除此之外，我们还对该钻机的水龙头、转盘，绞车进行了改造，加大了提升力和扭矩。
3施工中采取的措施
为加快施工速度，除按常规工艺施工外，我们还采取了一些改进措施。
3.1钻进施工措施：
3.1.1钻井参数优化选择：
（1）、转速：一般控制钻头外沿切线速度为原则，
国际：μ线=0.67~1.83，m/s；
国内：μ线=0.9~1.308，m/s；
μ线极=2.355，m/s。
转速计算按下式：
rpm/s；
其中，n值计算如表1所示。
表1各级钻头转速计算表

钻头级别钻头直径最高转速建议转速Ⅰ4.0011.156.16Ⅱ6.106.333.5Ⅲ9.05.172.86高转速会对洗井、钻进有一定好处，但是其巨大的转动惯量，一旦受阻，很易扭断钻杆。
（2）、钻压：钻压按下式计算：
,KN；
其中K—刀刃重复系数，一般中硬岩取1.4~2.0；超前孔取1.5；扩孔一取2；扩孔二取3。式中：
R－r—钻井半径差，m；
а—井底角，超前钻头为平底，а=0º，cosа=1；扩孔钻头а=15o，cosа=0.9659；
q—刀刃单位长度上的钻压值，对ƒ=8岩石，q=300kg/cm。
钻压按泥浆中钻头重量的60%计算，
见表2。
表2：钻压取值表
钻头
级别钻头
直径
m空气中重量
t泥浆中重量
t钻压值
KNⅠ4.00160135.8815.0Ⅱ6.10150127.5765.0Ⅲ9.0150127.5765.0特别是在钻进软硬交接带时，钻压应再降50~60%，以保持垂直度。
3.1.2、洗井参数优化选择。
（1）、洗井液（泥浆）流量：
，m3/h
最大破岩面积：
S=0.7854×9.02=63.62，m2；
钻进最高速度：Vmax=0.9，m/h；
携矸率：暂按а=4%计；
Q=63.62×0.9/0.04=1431.35，m3/h。
①岩屑上升临界速度：
，cm/s；
式中K1--系数，K1=38~50，取50；
r1--岩石密度，取2.6，g/cm3；
r—泥浆密度，取1.3，g/cm3；
d—岩屑粒径，cm；
计算结果见表3。
表3岩屑上升临界速度
岩屑径cm临界速度V1/