泊江海子凍結造孔施工工藝技術

張子彬

（安徽煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

泊江海子凍結造孔施工工藝技術

張子彬

（安徽煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

結合泊江海子的地質情況和技術要求，從凍結造孔施工技術入手，對其相關的施工工藝進行了探討，提出在施工過程中根據不同的巖層段的巖性變化，選擇不同的鉆進參數和鉆孔的糾偏措施，合理調配鉆具級配、泥漿參數，保證開孔和鉆孔的垂直度，同時應做好施工管理才能保證鉆孔的高質量完成，從而縮短凍結時間，使礦井早日建成投產。

凍結造孔；參數；糾偏

泊江海子井田位于內蒙古自治區鄂爾多斯市塔然高勒礦區的最南部，行政區劃屬鄂爾多斯市東勝區管轄。礦井工業廣場布置在泊江海子鎮北部，距109國道2.5km處，距烏蒙公路30m，交通方便。泊江海子鎮西至烏海市305km，與包蘭鐵路相通；東至鄂爾多斯市東勝區55km。主要的鐵路和公路均在東勝區交匯。泊江海子礦設計采用立井開拓，在井田工廣范圍內布置主、副、風井，采用凍結法施工。由安徽省煤田地質局第三勘探隊施工了這三個井筒的凍結鉆施工。其具體參數見表1：

表1 鉆孔布置參數表

（一）主要技術及鉆孔施工要求

1.質量要求：

（1）孔位標定：實際開孔孔位與設計孔位偏差不大于20mm。

（2）鉆孔測斜：所有鉆孔鉆進時每隔 30m～40m測斜一次，易偏地層應加密測斜點，即將超出要求及時糾偏。

（3）鉆孔偏斜要求：

1）偏斜率≤2.5‰。

2）終孔最大孔間距：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）徑向內偏≤0.4m。

2.鉆孔施工要求

（1）凍結管下入鉆孔后，及時進行動壓試漏，試驗壓力為 5.6MPa，試壓 30min，壓力下降不超過 0.05MPa，再延續15min壓力不變為合格。

（2）水文孔按照設計要求下好水文管后，及時用鉆桿壓入清水沖洗水管，直至管外返清水，以保證水文觀測孔的質量和觀測效果。

（3）測溫孔下管時不得灌水，保證不漏水。

（4）測溫管、水文管采用外接箍焊接，凍結管采用內接箍對焊。

（5）鉆進過程中每個孔均要進行監測，凍結管深度用經過比長的測繩直接在凍結管中量測。測斜以JDT-5A型及其以上的陀螺測斜儀資料為準。

（二）施工設備及配套工器具

1.鉆塔的選型

鉆塔是凍結孔施工的重要設備之一，對鉆塔的要求是：即要有足夠的承載力，以承擔鉆具提升負荷，又要有足夠的高度，以便縮短凍結管的下放時間。在承載力方面，應不小于30t；在高度上，一般應滿足下放單根凍結管18m的需要；經分析對比，該工程選擇22.5m鉆塔，其參數見表2。

表2 四角鉆塔參數表

2.鉆機的選型

用于凍結孔施工的鉆機，要求具有提升功率大、轉速高、大扭矩、速比寬的特點。選用石家莊礦井機械廠生產的TSJ-2000 型。TSJ-2000型鉆機的性能，完全滿足該工程的施工需要，鉆機參數見表3。

表3 鉆機參數表

3.泥漿泵選型

泥漿泵用于輸送鉆進過程的沖洗液，以保證在快速鉆進條件下的孔底清潔，避免重復破碎。在鉆孔孔壁與鉆具之間的環狀間隙一定的情況下，要保證沖洗液具有高的上返流速，就必須提高泵量。另外，泥漿泵作為井下動力鉆具的動力源，也必須具有足夠的流量和較高的壓力。綜合考慮，所選用的泥漿必須滿足沖洗液上返流速0.50m/秒，經計算，上返流速達到 0.5m/秒時所需泵量為 650L/min，因隨著鉆孔深度加深和鉆具加長，泥漿液在輸送過程中會有一定量的泄漏，因此，泵量的取值應再乘以系數1.1，即：715L/min。

根據以上條件，風井擬選用TBW-850/50型泥漿泵。該型號的泥漿泵性能完全滿足該工程的施工需要，其性能參數見表4。

表4 泥漿泵參數表

4.鉆具選配

鉆桿：鉆桿是將地面鉆機的動力傳給地下鉆頭的主要部件之一。所用鉆桿必須滿足兩項要求：一是傳遞足夠的扭矩，二是滿足陀螺儀和陀螺定向儀測斜及定向的需要。本工程采用采用美國休斯公司的φ89mm鉆桿。

鉆鋌：鉆鋌是實現孔底加壓、預防孔斜，保證鉆具工作的穩定和垂直的重要部件，以減少孔斜發生。本工程擬選用φ159mm鉆鋌。

鉆頭：新地層鉆進選用MP型鋼牙輪鉆頭，基巖鉆進選用XMP型鑲齒牙輪鉆頭。

5.糾偏鉆具

為了滿足凍結孔各深度段孔間距的要求，在凍結孔的施工中，必須要有有效的定向、糾偏手段，否則，凍結孔將無法保證質量。因此，糾偏技術、糾偏機具顯得尤為重要。為提高糾偏效率，本工程選用鄒城市東遠石油機械有限公司生產的5LZ120螺桿鉆具作為糾偏鉆具，螺桿鉆參數見表5。

表5 螺桿鉆具參數表

6.廢漿排放系統

主井井盤布置一臺 TBW—850/50型泥漿泵及一條排漿管路構成排漿系統。

7.測斜儀器與定向儀器

根據凍結工程質量要求，本工程選用北京建井研究所生產的JDT-5A型陀螺測斜儀，定向儀選用陀螺定向儀。陀螺測斜儀性能參數，見表6。

表6 陀螺測斜儀參數表

（三）施工工藝及相關技術措施

1.開鉆前準備

（1）開鉆準備工作很多，其中主要有設備的安裝及檢驗、技術交底及復核、設備檢修和維護、各種鉆具及材料的準備等。

（2）開鉆前要對鉆機認真找正，安裝穩固、周正，使轉盤中心、鉆孔中心和游動滑車提升中心重合，確保開孔垂直度。開孔前要制備一定數量的優質化學泥漿。

（3）開鉆前，項目部應組織有關人員對鉆探設備、材料、砼基礎、滑動底盤、鉆塔安裝、電氣設備安裝、泥漿池、鉆場安全設施與防護以及鉆具的質量、數量進行驗收，驗收完畢后方可開工。

2.開孔

開孔是保證鉆孔垂直度的關健。為確保開孔的垂直度，開孔鉆進過程中應以輕壓、慢轉、大泵量為宜。一般控制在轉速48～69r/min，鉆壓500kg，泵量500～800L/min左右。

3.鉆進操作

（1）鉆孔結構的選擇

按凍結方提供的凍結管規格要求，依據管徑大小和我隊近年凍結孔的施工經驗，選擇孔徑為φ190mm一徑到底的方式。以保證順利下放凍結管材和水文孔、測溫孔管材。

（2）鉆進參數的采用

采用合理的鉆進參數不僅能保持鉆進的高效率，而且能效地減少鉆孔偏斜。

表7 鉆進參數表

鉆進中要精心操作，根據進尺速度和鉆孔柱狀圖準確判層，換層鉆進時要合理使用壓力，軟變硬時，降低鉆壓，待鉆進0.5m后再恢復到該地層應使用的正常壓力；當硬變軟時，適當減小壓力，降低轉速。

鉆進時給壓均勻。并根據地層情況合理掌握鉆壓、轉速和泵量。砂層中轉速快給進，粘土層中轉速慢給進，防止快進時泥包鉆頭；基巖應高鉆壓低轉速。控制孔底鉆壓為鉆鋌在孔內總重量的75%～0%，采用懸吊鉆進。

下鉆接近孔底時，要慢放，嚴禁墩鉆，用新鉆頭時應輕壓慢轉30分鐘后，再逐步加大鉆壓正常鉆進，起鉆時應及時向孔內補充泥漿，預防塌孔。

（四）防斜、測斜與糾斜

鉆孔偏斜必須遵循“以防為主，糾偏為輔”的方針，增強施工人員的責任心及嚴格按有關技術要求施工，加強技術監督的力度，杜絕蠻干行為。施工時，工程技術人員應充分研究易偏地層，分析易偏原因，找到適合該地區施工的防偏方法和措施。及時指導施工人員防偏糾偏。

1.鉆孔防斜

（1）確保設備的安裝質量，把好開孔關。

（2）鉆進中地層由軟變硬時，壓力要適當減輕、轉速要降低，地層由硬變軟時，壓力要減少到正常值的三分之一到三分之二。

（3）開孔使用的粗徑鉆具要直，正確選擇鉆具組合，增強鉆具的導向性和穩定性，減小孔壁間隙，減小下部鉆具彎曲。

（4）不得使用彎曲、變形的鉆具，鉆具連接后同心度要好。粗徑鉆具應有足夠的長度。

2.鉆孔測斜

（1）燈光測斜：0～30m段，采用對點器及其配套設施進行。測斜管要求φ108mm、要直，下端口堵死，下入時絲扣處應涂絲扣油。

（2）陀螺測斜：30m以下段測斜選用JDT-5A型陀螺儀測斜。正常鉆進每 30～40米置一個測點，根據具體情況，測點可適當調整。易偏地段增加測點。發現疑點要重新測量，必須上下復測，確保測斜資料的可靠性。

（3）單孔成孔后用陀螺儀測斜，原則上每 30米一個進行測斜，測斜成果由電腦打印輸出，在現場由各方認可簽字后，方可下凍結管。

（五）鉆孔糾偏措施的選擇

在凍結造孔過程中，盡管采取了性能較好的設備、合理的鉆具組合及鉆進參數，以確保鉆孔的垂直度，但由于種種原因，在施工過程中仍有部分鉆孔出現超偏現象，這就需要對鉆孔進行糾偏處理。在生產中常用以下糾偏方法。

1.掃孔糾偏法

一般在表土層中發生孔偏，可利用原有鉆具，更換三翼鉆頭或多翼鉆頭進行掃孔糾偏。這種方法是從噴嘴出來的泥漿直接沖刷翼層外刃與孔壁接觸的地方，可使鉆頭的翼片，特別是底外刃不產生泥包現象，始終保持鋒利狀態，便于和孔壁接觸掃出新的臺階把孔糾直。

2.擴孔糾偏法

使用原有鉆具，換用比原來鉆頭大的鉆頭擴大孔經，鉆至原深度時更換原鉆頭，開鉆前應將鉆具吊離孔底約1m左右，然后慢速給進開出一個新孔，當鉆進2m，鉆孔已修直后，再轉入正常鉆進。

3.墊、移鉆塔法

其原理是通過調整鉆具組合，利用鉆具的剛性及鉆孔偏斜拐點的相互抑制作用控制下部孔斜。根據鉆孔過程中的測斜資料，就是利用上部孔段較直，以鉆孔當時的孔深為起始點，順鉆孔偏斜方位移動鉆塔到一定距離，使當時鉆孔的起始點變成支點，產生抑制作用使鉆孔反方向鉆進，達到糾偏效果。必要時可調整鉆具組合，使糾偏效果更加明顯。通常的做法是發現孔斜時，應先采用墊架子方法，如行不通時，應采用移架子法。在移動架子時應不起鉆具，把架子朝孔斜方位上的方向移，要做到快速、穩妥。

4.采用井下動力鉆具（螺桿）作定向糾偏

當鉆進中孔斜偏距設計要求允許范圍上限時，可進行定向糾偏。但盡量選擇在粘土層。選擇彎接頭度數，對φ190mm孔經，使用5LZ165螺桿，要求井斜角變化很小，由孔斜角變化率i選擇0.5°或1°的彎接頭。在糾斜后還要鉆進打直孔，所以糾斜段不能太長，一般參考公式為：L=S×1/3×Sinа；L為螺桿鉆進深度；S為鉆孔偏距；а為彎鉆頭度數。

糾斜鉆具組合：φ190mm鉆頭+5LZ165螺桿+0.5°或1°彎鉆頭+φ89mm鉆桿；

增斜鉆具組合：φ190mm鉆頭+φ159mm鉆鋌+φ89mm鉆桿；

防斜鉆具組合：φ190mm鉆頭+φ159mm鉆鋌+φ180mm穩定器+φ89mm鉆桿；

在使用以上組合時應注意以下事項：

（1）下鉆前認真檢查鉆具，根據測斜所得數據進行準確定向，打印記號。

（2）選擇合適的鉆頭和噴嘴直徑，動力鉆具在孔口試運轉，正常后下入孔內。

（3）用螺桿鉆具糾斜前，應充分循環并調整好泥漿性能，含砂量≤1%。

（4）下螺桿鉆具中，應將每根鉆具用雙鉗加力緊扣。

（5）安裝防反轉器，防止定向糾斜鉆進中鉆具轉動。

（6）定向糾斜鉆進中加壓、送鉆要均勻，使用推薦的鉆進參數。

（7）糾斜過程中，每鉆進約 10米，進行測斜，了解頂角和方位角的變化，檢查糾斜情況。

（8）在表土層中使用螺桿鉆具糾斜時，上部可適當添加扶正器。

（六）做好施工管理

首先，認真做好施工中的各項記錄，對鉆孔測斜資料以單孔為單元整理成冊；其次，施工中各環節都要抓緊，減少輔助作業時間，增加純鉆進時間，提高鉆月效率；此外還應該建立建全項目管理中的生產管理、安全管理、技術管理、財務管理、后勤供給等管理制度，一切以工程為中心。

（七）結束語

凍結造孔施工在多數情況下為多臺鉆機同時在一個井盤施工，場地狹小，單孔施工時間短，對孔垂直度要求高，井盤各鉆機單孔施工周期頻率基本相同，因此必須制定周密的作業計劃，保證各鉆機的施工順序。特別是對偏斜鉆孔的處理，要有從簡到繁的不同的處理方案。

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A

1008-1151(2011)03-0058-03

2010-12-30

張子彬（1966－），男，安徽宿州人，安徽省煤田地質局第三勘探隊凍結工程處助理工程師，從事煤田地質勘探、凍結造孔的施工與管理工作。