龙固井田巨厚表土层超大孔径深孔制冷孔施工技术研究

徐栓祥 孙广京

（山东新巨龙能源有限责任公司，山东省巨野县，274918）

龙固井田巨厚表土层超大孔径深孔制冷孔施工技术研究

徐栓祥 孙广京

（山东新巨龙能源有限责任公司，山东省巨野县，274918）

为解决龙固井田制冷钻孔穿过567 m巨厚表土层、ø650 mm超大孔径、840 m大垂深、靶域半径≤1 m的垂直度、管壁厚（重量达180 t）的施工技术难题，采取在先导孔施工中增加一级ø450 mm扩孔、加密到每30～50 m测斜一次的科学施工技术措施，研究了泥浆配制比例，使泥浆粘度达到27S、密度1.16 g/cm3的最佳配比，达到钻孔终孔最大偏距在0.645～0.993 m的较高垂直度，套管安全顺利下放到位，注浆固管合格的要求，解决了巨厚表土层超大孔径钻孔施工的技术难题。

巨厚表土层 超大孔径 高垂直度 制冷钻孔

1 龙固矿井地温概况

龙固矿井恒温点的深度50 m、温度18.9℃；煤系地层平均地温梯度3.23℃/100 m。主采3＃煤层全部处于一级或二级高温区，且大部分为二级高温区；同时井下涌水较大，水温46～51℃，造成采掘工作面气温升高，井下环境温度比较恶劣。经实际测定，掘进工作面气温常年保持在30℃以上，最高达到39℃，曾造成工作面因高温停工，严重影响了职工的身体健康和工作效率，制约了矿井的安全生产。为降低井下温度，改善作业环境，除在原有地面冰冷辐射系统和井下WAT集中制冷降温系统外，增加了二期WAT制冷降温工程，需要在地面施工2个制冷孔。

2 制冷孔技术要求

二期降温工程布置地面钻孔2个，终孔深度840 m，钻孔直径ø650 mm，全孔下ø450 mm套管，注浆固管；固管达到管外的水泥分布均匀，孔口管外必须返浆；固管后，要求试验压力值不小于8.5 MPa，持续时间不下于30 min；钻孔按靶域控制，要求钻孔落底位置靶域半径不大于1 m。

3 穿过地层概况

钻孔穿过的表土层厚567 m，进入基岩273 m：穿过的第四系表土层厚约140 m左右，主要岩性为细砂、粉砂、砂质粘土及粘土；新近系厚约427 m左右，主要由厚层粘土、砂质粘土、粘土质砂及砂层组成；揭露的基岩地层为石炭－二迭系地层，岩性有中－细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩、灰岩及煤层。

4 钻探施工技术

本工程具有孔径大、垂直度要求高、地层较复杂和管壁厚（重量大）等难点。

按设计要求，钻孔分2次进行施工，即先施工先导孔，再在此基础上进行一级扩孔，全孔下ø450 mm×13～28 mm套管，并注浆固管。在实际施工中，根据以往经验，一级ø650 mm扩孔时，钻机扭矩过大，钻杆容易受伤而出现断钻杆事故，为避免断钻杆事故发生，决定在ø216 mm和ø650 mm中间增加了一级ø450 mm扩孔。

4.1 先导孔的施工

先导孔表土段使用ø216 mm钢齿三牙轮钻头钻进至基岩（深567 m），换ø216 mm镶齿三牙轮和复合片钻头钻进至终孔（深841 m）。

在先导孔钻进过程中，为防止钻孔偏斜超限，使用足量的钻铤并采取合理的钻进参数。对于不同的地层采取不同的泵量和压力，且每30～50 m测斜一次，发现孔斜有超限趋势时，及时使用螺杆钻进行纠偏，并增加测斜次数，使钻孔在较少纠偏的情况下达到较高的垂直度。

K1号孔全孔进行了2次纠偏，在孔深470 m处和孔深500 m处，其最大偏距0.993 m（孔深836 m）。K2号孔全孔共进行了5次纠偏，分别在孔深540 m、570 m、600 m、700 m、735 m处；其最大偏距0.645 m（孔深740 m）。两钻孔偏距均满足设计靶域≤1 m的要求。

钻进过程中，为防止孔壁坍塌及钻孔缩径，使用优质的化学泥浆，且随时进行性能测试，发现泥浆性能变差，及时排出，更换新泥浆。使用振动筛除岩粉，不但减少岩粉的重复循环，而且减少泥浆泵的磨损。先导孔施工使用的泥浆粘度一般为18S，密度1.08 g/cm3，p H值为8～9。

4.2 扩孔施工

K1号孔使用ø650 mm钢齿（或镶齿）牙轮组合钻头扩至孔深642 m，以下孔段分两级扩孔，先用使用ø450 mm镶齿牙轮组合钻头扩至孔深841 m，再换用ø650 mm镶齿牙轮组合钻头扩至孔深841 m。

K2号孔使用ø650 mm钢齿牙轮组合钻头扩至孔340 m，以下孔段分两级扩孔，先用使用ø450 mm钢齿（或镶齿）牙轮组合钻头扩至孔深841 m，再换用ø650 mm钢齿（或镶齿）牙轮组合钻头扩至孔深841 m。

为保证扩孔时不出新孔，钻头下接0.8 m的导向（ø216 mm钢齿钻头或ø450 mm镶齿牙轮组合钻头）。在扩孔过程中，为防止岩粉沉淀而堵塞先导孔，每扩50 m左右提钻一次，换用ø216 mm钻头将先导孔顺孔一次。

扩孔过程中，为防止孔壁坍塌及钻孔缩径，在泥浆中添加了护壁剂。由于扩孔后孔径较大，泥浆上返速度较慢。为保证大颗粒岩粉能及时携带至地面，泥浆尽可能稠，以防岩粉回落造成埋钻事故。扩孔时使用的泥浆，其粘度一般为28S，密度1.20 g/cm3，p H值为9～10。707～727 m及其以下层段由于使用的稠泥浆稠，且先导孔施工时已堵漏，而未出现明显的泥浆消耗现象。

4.3 套管下放

为保证套管能一次安全顺利下放到底，在套管下放之前做了大量的准备工作。

K1号孔扩孔结束后停放2 d时间。在这期间，使用卧式螺旋卸料沉碎离心机把孔内泥浆中未完全水化的颗粒及岩粉全部分离清除，在此过程中不断加入泥浆添加剂调整泥浆参数，使泥浆粘度达26S，密度1.15 g/cm3，p H值为9～10，失水量8.8 m L/min；然后取35 m长的套管试孔至孔底，提上后，再等待6 d进行第二次试孔，以确保长时间下管不出现一点意外。试孔结束后，再次使用ø650 mm钢齿牙轮组合钻头顺至孔底，并冲孔12 h，提钻正式下套管。

K2号孔根据K1号孔摸索的相关参数，在扩孔结束前使用卧式螺旋卸料沉碎离心机调整好泥浆，使泥浆粘度达27S，密度1.16g/cm3，p H值为9～10，失水量17.9 ml/min。扩孔结束后，未进行钻孔停放测试，采用35 m长的套管试孔后，开始了套管的正式下放。

套管规格为ø450 mm×13～28 mm，总重量达180余t。每根套管上头分四面均匀焊接了四块厚10 mm肋骨，一是阻档套管卡子下滑，二是保证注浆时灰浆在套管四周分布均匀。为保证下套管安全，特地加固了钻塔和天梁，更换了粗钢丝绳，并在套管底部焊接浮力器，使用千斤顶，以减轻钻塔的承载力。套管两端均打45°坡口，由3人对焊，每个焊缝焊4～7遍，将焊缝填满焊平。最下部的一根套管底部焊接成锥形，自套管底部向上每0.5 m割1组出浆孔，每组4个，共割3组；顶部焊接浮力器。K1号孔下放深度840.81 m，K2号孔下放深度840.96 m，套管下放质量合格。

4.4 注浆固管

下完套管后，下钻杆对上浮力器丝扣，循环泥浆。在注浆之前，先压入33 m3清水，以避免水泥浆和泥浆混合，影响注浆质量。水泥浆采用42.5R型普通硅酸盐水泥，其水灰比为0.7∶1，每孔注入量140 m3，每孔用水泥140 t，直至孔口返浆。

两孔对套管均做了压力渗漏实验，实验压力8.5 MPa，30 min压力不降低，说明套管焊接质量可靠，无漏水现象存在。水泥凝固后，下钻空取出浮力器，将孔底水泥及岩粉冲捞干净。经试探，K1号孔套管内沉淀物高度0.43 m，K2号孔套管内沉淀物高度0.45 m。

工程竣工后套管内全是清水，套管底部静水压力达8.4 MPa。为保证后续施工安全，使用吊桶将套管内的清水提出。

5 钻孔质量评述

（1）钻孔垂直度。钻孔施工过程中每30～50 m测斜一次，测出其顶角、方位，计算出偏距。终孔后经孔斜测量，K1号孔最大偏距0.993 m；K2号孔最大偏距0.645 m，最大偏距均小于1 m，满足了设计的垂直度要求。

（2）套管下放深度。在钻进过程中，每100 m、基岩界面、终孔各丈量钻具一次，误差无论大小，均进行了校正，从而保证了钻孔终孔深度达到设计要求。下套管时，每根套管均进行了丈量，计算出套管下放的实际深度。两孔套管下放深度均达到了840 m，满足设计的下放深度要求。

（3）套管焊接质量。所下套管经压力渗漏实验检查无渗漏，焊接质量可靠。

（4）注浆质量。固管管外水泥分布均匀，注浆时孔口返浆，注浆质量可靠。

（5）泥浆消耗量的观测。钻进过程中，对于泥浆明显消耗的层位增加了简易水文的观测，及时了解该层段泥浆消耗情况，指导下一步工作时应采取措施，避免孔内事故的发生。

6 结论

经井下揭露，两个钻孔偏距均小于1 m，满足了设计的垂直度要求；固管质量很好。目前正在安装德国WAT集中制冷降温系统，设计6台制冷器，制冷量可达19800 k W，极大缓解了制约矿井的井下高温热害问题。

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－），山东宁阳人，1991年毕业于山东矿业学院，地质工程师。

（责任编辑 张艳华）