龍固井田巨厚表土層超大孔徑深孔制冷孔施工技術研究

徐栓祥 孫廣京

（山東新巨龍能源有限責任公司，山東省巨野縣，274918）

龍固井田巨厚表土層超大孔徑深孔制冷孔施工技術研究

徐栓祥 孫廣京

（山東新巨龍能源有限責任公司，山東省巨野縣，274918）

為解決龍固井田制冷鉆孔穿過567 m巨厚表土層、?650 mm超大孔徑、840 m大垂深、靶域半徑≤1 m的垂直度、管壁厚（重量達180 t）的施工技術難題，采取在先導孔施工中增加一級?450 mm擴孔、加密到每30～50 m測斜一次的科學施工技術措施，研究了泥漿配制比例，使泥漿粘度達到27S、密度1.16 g/cm3的最佳配比，達到鉆孔終孔最大偏距在0.645～0.993 m的較高垂直度，套管安全順利下放到位，注漿固管合格的要求，解決了巨厚表土層超大孔徑鉆孔施工的技術難題。

巨厚表土層 超大孔徑 高垂直度 制冷鉆孔

1 龍固礦井地溫概況

龍固礦井恒溫點的深度50 m、溫度18.9℃；煤系地層平均地溫梯度3.23℃/100 m。主采3＃煤層全部處于一級或二級高溫區，且大部分為二級高溫區；同時井下涌水較大，水溫46～51℃，造成采掘工作面氣溫升高，井下環境溫度比較惡劣。經實際測定，掘進工作面氣溫常年保持在30℃以上，最高達到39℃，曾造成工作面因高溫停工，嚴重影響了職工的身體健康和工作效率，制約了礦井的安全生產。為降低井下溫度，改善作業環境，除在原有地面冰冷輻射系統和井下WAT集中制冷降溫系統外，增加了二期WAT制冷降溫工程，需要在地面施工2個制冷孔。

2 制冷孔技術要求

二期降溫工程布置地面鉆孔2個，終孔深度840 m，鉆孔直徑?650 mm，全孔下?450 mm套管，注漿固管；固管達到管外的水泥分布均勻，孔口管外必須返漿；固管后，要求試驗壓力值不小于8.5 MPa，持續時間不下于30 min；鉆孔按靶域控制，要求鉆孔落底位置靶域半徑不大于1 m。

3 穿過地層概況

鉆孔穿過的表土層厚567 m，進入基巖273 m：穿過的第四系表土層厚約140 m左右，主要巖性為細砂、粉砂、砂質粘土及粘土；新近系厚約427 m左右，主要由厚層粘土、砂質粘土、粘土質砂及砂層組成；揭露的基巖地層為石炭－二迭系地層，巖性有中－細粒砂巖、砂質泥巖、泥巖、灰巖及煤層。

4 鉆探施工技術

本工程具有孔徑大、垂直度要求高、地層較復雜和管壁厚（重量大）等難點。

按設計要求，鉆孔分2次進行施工，即先施工先導孔，再在此基礎上進行一級擴孔，全孔下?450 mm×13～28 mm套管，并注漿固管。在實際施工中，根據以往經驗，一級?650 mm擴孔時，鉆機扭矩過大，鉆桿容易受傷而出現斷鉆桿事故，為避免斷鉆桿事故發生，決定在?216 mm和?650 mm中間增加了一級?450 mm擴孔。

4.1 先導孔的施工

先導孔表土段使用?216 mm鋼齒三牙輪鉆頭鉆進至基巖（深567 m），換?216 mm鑲齒三牙輪和復合片鉆頭鉆進至終孔（深841 m）。

在先導孔鉆進過程中，為防止鉆孔偏斜超限，使用足量的鉆鋌并采取合理的鉆進參數。對于不同的地層采取不同的泵量和壓力，且每30～50 m測斜一次，發現孔斜有超限趨勢時，及時使用螺桿鉆進行糾偏，并增加測斜次數，使鉆孔在較少糾偏的情況下達到較高的垂直度。

K1號孔全孔進行了2次糾偏，在孔深470 m處和孔深500 m處，其最大偏距0.993 m（孔深836 m）。K2號孔全孔共進行了5次糾偏，分別在孔深540 m、570 m、600 m、700 m、735 m處；其最大偏距0.645 m（孔深740 m）。兩鉆孔偏距均滿足設計靶域≤1 m的要求。

鉆進過程中，為防止孔壁坍塌及鉆孔縮徑，使用優質的化學泥漿，且隨時進行性能測試，發現泥漿性能變差，及時排出，更換新泥漿。使用振動篩除巖粉，不但減少巖粉的重復循環，而且減少泥漿泵的磨損。先導孔施工使用的泥漿粘度一般為18S，密度1.08 g/cm3，p H值為8～9。

4.2 擴孔施工

K1號孔使用?650 mm鋼齒（或鑲齒）牙輪組合鉆頭擴至孔深642 m，以下孔段分兩級擴孔，先用使用?450 mm鑲齒牙輪組合鉆頭擴至孔深841 m，再換用?650 mm鑲齒牙輪組合鉆頭擴至孔深841 m。

K2號孔使用?650 mm鋼齒牙輪組合鉆頭擴至孔340 m，以下孔段分兩級擴孔，先用使用?450 mm鋼齒（或鑲齒）牙輪組合鉆頭擴至孔深841 m，再換用?650 mm鋼齒（或鑲齒）牙輪組合鉆頭擴至孔深841 m。

為保證擴孔時不出新孔，鉆頭下接0.8 m的導向（?216 mm鋼齒鉆頭或?450 mm鑲齒牙輪組合鉆頭）。在擴孔過程中，為防止巖粉沉淀而堵塞先導孔，每擴50 m左右提鉆一次，換用?216 mm鉆頭將先導孔順孔一次。

擴孔過程中，為防止孔壁坍塌及鉆孔縮徑，在泥漿中添加了護壁劑。由于擴孔后孔徑較大，泥漿上返速度較慢。為保證大顆粒巖粉能及時攜帶至地面，泥漿盡可能稠，以防巖粉回落造成埋鉆事故。擴孔時使用的泥漿，其粘度一般為28S，密度1.20 g/cm3，p H值為9～10。707～727 m及其以下層段由于使用的稠泥漿稠，且先導孔施工時已堵漏，而未出現明顯的泥漿消耗現象。

4.3 套管下放

為保證套管能一次安全順利下放到底，在套管下放之前做了大量的準備工作。

K1號孔擴孔結束后停放2 d時間。在這期間，使用臥式螺旋卸料沉碎離心機把孔內泥漿中未完全水化的顆粒及巖粉全部分離清除，在此過程中不斷加入泥漿添加劑調整泥漿參數，使泥漿粘度達26S，密度1.15 g/cm3，p H值為9～10，失水量8.8 m L/min；然后取35 m長的套管試孔至孔底，提上后，再等待6 d進行第二次試孔，以確保長時間下管不出現一點意外。試孔結束后，再次使用?650 mm鋼齒牙輪組合鉆頭順至孔底，并沖孔12 h，提鉆正式下套管。

K2號孔根據K1號孔摸索的相關參數，在擴孔結束前使用臥式螺旋卸料沉碎離心機調整好泥漿，使泥漿粘度達27S，密度1.16g/cm3，p H值為9～10，失水量17.9 ml/min。擴孔結束后，未進行鉆孔停放測試，采用35 m長的套管試孔后，開始了套管的正式下放。

套管規格為?450 mm×13～28 mm，總重量達180余t。每根套管上頭分四面均勻焊接了四塊厚10 mm肋骨，一是阻檔套管卡子下滑，二是保證注漿時灰漿在套管四周分布均勻。為保證下套管安全，特地加固了鉆塔和天梁，更換了粗鋼絲繩，并在套管底部焊接浮力器，使用千斤頂，以減輕鉆塔的承載力。套管兩端均打45°坡口，由3人對焊，每個焊縫焊4～7遍，將焊縫填滿焊平。最下部的一根套管底部焊接成錐形，自套管底部向上每0.5 m割1組出漿孔，每組4個，共割3組；頂部焊接浮力器。K1號孔下放深度840.81 m，K2號孔下放深度840.96 m，套管下放質量合格。

4.4 注漿固管

下完套管后，下鉆桿對上浮力器絲扣，循環泥漿。在注漿之前，先壓入33 m3清水，以避免水泥漿和泥漿混合，影響注漿質量。水泥漿采用42.5R型普通硅酸鹽水泥，其水灰比為0.7∶1，每孔注入量140 m3，每孔用水泥140 t，直至孔口返漿。

兩孔對套管均做了壓力滲漏實驗，實驗壓力8.5 MPa，30 min壓力不降低，說明套管焊接質量可靠，無漏水現象存在。水泥凝固后，下鉆空取出浮力器，將孔底水泥及巖粉沖撈干凈。經試探，K1號孔套管內沉淀物高度0.43 m，K2號孔套管內沉淀物高度0.45 m。

工程竣工后套管內全是清水，套管底部靜水壓力達8.4 MPa。為保證后續施工安全，使用吊桶將套管內的清水提出。

5 鉆孔質量評述

（1）鉆孔垂直度。鉆孔施工過程中每30～50 m測斜一次，測出其頂角、方位，計算出偏距。終孔后經孔斜測量，K1號孔最大偏距0.993 m；K2號孔最大偏距0.645 m，最大偏距均小于1 m，滿足了設計的垂直度要求。

（2）套管下放深度。在鉆進過程中，每100 m、基巖界面、終孔各丈量鉆具一次，誤差無論大小，均進行了校正，從而保證了鉆孔終孔深度達到設計要求。下套管時，每根套管均進行了丈量，計算出套管下放的實際深度。兩孔套管下放深度均達到了840 m，滿足設計的下放深度要求。

（3）套管焊接質量。所下套管經壓力滲漏實驗檢查無滲漏，焊接質量可靠。

（4）注漿質量。固管管外水泥分布均勻，注漿時孔口返漿，注漿質量可靠。

（5）泥漿消耗量的觀測。鉆進過程中，對于泥漿明顯消耗的層位增加了簡易水文的觀測，及時了解該層段泥漿消耗情況，指導下一步工作時應采取措施，避免孔內事故的發生。

6 結論

經井下揭露，兩個鉆孔偏距均小于1 m，滿足了設計的垂直度要求；固管質量很好。目前正在安裝德國WAT集中制冷降溫系統，設計6臺制冷器，制冷量可達19800 k W，極大緩解了制約礦井的井下高溫熱害問題。

Study on construction technology of drilling super－large aperture deep cooling hole in super－thick topsoil in Longgu mine field

Xu Shuanxiang，Sun Guangjing
（Shandong Xinjulong Energy Co.，Ltd.，Juye，Shandong 274918，China）

In order to solve the construction technical problems of drilling for refrigeration through 567m thick topsoil，super－large aperture ofФ650mm，large vertical depth of 840 m，the radius of target domain being not more than 1m and thick tube wall（weighs up to 180t）in Longgu mine field，some scientific construction technical measures are adopted that increasing a Φ450mm reaming in the construction of the pilot hole，densifying the inclination measurementonce every 30～50m；the slurry mixing ratio is researched to get the best ratio with viscosity of 27Sand density of 1.16g/cm3.And then the maximum offset of the well completion reaches higher verticality within 0.645～0.993m；casing is run into position safely and smoothly；grouting to consolidate the casing meets the requirement，which resolve the technical problems of super－large aperture drilling construction in super－thick topsoil.

super－thick topsoil，super－large aperture，high verticality，drilling for refrigeration

TD727

A

徐栓祥（1971－），山東寧陽人，1991年畢業于山東礦業學院，地質工程師。

（責任編輯 張艷華）