TMC-90钻机在神东布尔台煤矿贯通孔施工中的应用

杨卫平，吴德山，崔春兰

(神华地质勘查有限责任公司，北京 102209)

1 项目概况

1.1 项目来源

神东煤炭集团布尔台煤矿为神东集团重点矿井之一，为满足生产输电需要，布尔台煤矿拟在三盘区1-2上主运大巷与辅运大巷之间的新掘电缆措施巷范围内施工1-4号电缆钻孔。神东煤炭集团根据工程部署先委托神华地质勘查有限责任公司对1号电缆孔进行工程设计并组织施工。

项目名称：神东煤炭集团布尔台煤矿明安木独风井场地1#电缆钻孔工程。项目地点：内蒙古伊旗乌兰木伦镇明安木独村。

1.2 工程量及要求

1.2.1 主要工程量

(1)套管及钻机选用

表层护管∅425 mm×8 mm×9.9 m螺旋焊管；生产套管为无缝钢管∅219 mm×7 mm×329.85 m；使用设备为TMC-90型钻机。

(2)钻探工程

一开采用直径215.9 mm钻头钻先导孔，后用直径550 mm钻头扩孔至9.8 m；二开先采用直径215.9 mm钻头打先导孔施工至贯通巷道，后用直径375 mm反提扩孔钻头扩孔，深度9.80～328.85 m。

(3)上下井口安装作业

钻孔井口为1 m×1 m×20 mm钢板1块，预埋螺栓M20×630 mm 4套，20 mm肋板4块；钻孔井下托盘为1 m×1 m×10 mm钢板1块，4块300 mm×300 mm×12 mm四角托盘，17.8×8000 mm锚索4套。

(4)下管作业

直径425 mm表层套管、直径219 mm无缝钢管采用电焊连接，要求密实、不渗水、不漏水。

(5)固井作业

固井水泥砂浆强度为M10，环空灌注水泥砂浆(保证施工连续性)；混凝土基础墩混凝土强度为C25。

1.2.2 工期要求

工期约定每个孔从开钻之日算起，累计施工时间20天。

2 施工区地质条件

2.1 地质

2.1.1 地层(见表1)

表1 钻孔钻遇地层表

钻孔表层为第四系土层所覆盖。据BK58号钻探揭露及地质填图资料，预测钻孔地层由老到新有：侏罗系下统延安组(J1-2y)；侏罗系中统直罗组(J2z)；侏罗系中统安定组(J2a)；白垩系下统志丹群(K2z)；第四系。

2.1.2 构造

孔位位于较平缓的背斜一翼，地层倾角<4°，未发现岩浆侵入。

2.1.3 煤层

该钻孔钻遇煤层主要为12上，该煤层为三盘区主采煤层，平均厚度2 m，顶板以上有无编号的几层薄煤层。

2.2 施工区水文地质

2.2.1 地形地貌及地表沟系

钻孔及周边区域地形起伏较缓，其北部为干涸地表沟系，无积水。

2.2.2 含水层

钻孔含水层主要表现为第四系松散层含水层和中生界碎屑岩类裂隙含水层。

3 技术要求

3.1 地质技术要求

3.1.1 钻井性质

电缆孔(贯通孔)，设计井深为328.85 m。

3.1.2 终止层位

钻孔终止层位延安组，标高为+1007.00。

3.1.3 井斜要求

钻孔施工中要求每钻进20 m及达到终止井深时各测斜1次，确保井身的垂直度达到设计要求，终孔时井身最大偏移不能影响下生产套管后安装止水托盘。终孔测斜后要计算出井底的方位和坐标。

3.2 工程技术要求

3.2.1 钻探工程

(1)首先施工直径215.9 mm先导孔；

(2)本孔为电缆孔，与巷道贯通，严格控制孔斜，钻孔终孔最大水平位移不超过1 m；

(3)0～9.8 m孔段：钻孔孔径550 mm，下入∅425 mm×8 mm表层套管9.9 m，并用强度为M10的水泥砂浆固井；

(4)9.80～328.85 m孔段：钻孔孔径375 mm；施工至终孔层位贯通后，全孔下入∅219 mm×7 mm无缝管329.85 m，并用强度为M10的水泥砂浆固井。

3.2.2 钻探设备配套

本项目采用TMC-90型全液压钻机及配套钻杆；配备单点测斜仪；采用直径127 mm钻杆，并配备足够数量的钻铤；使用阿特拉斯QAS325发电机组。

3.2.3 钻孔结构与套管结构

钻孔结构与套管结构见表2。

表2 钻孔井身结构参数表

4 施工流程及设备

4.1 施工流程

施工流程见图1。

图1 施工流程图

4.2 设备选择

工程拟投入的主要施工设备和仪器详见表3。

表3 施工主要设备一览表

4.3 施工现场布置

施工现场布置见图2。

图2 施工现场布置图

5 施工工艺

5.1 钻进工艺

5.1.1 钻进方法

为保证钻孔垂直度，本工程采用“塔式钻具吊打防斜工艺”钻进。上部松散层及全风化基岩段采用“一开二(次)扩导向正循环施工工艺”，稳定基岩段采用“二开一(次)反提导向扩孔施工工艺”。

5.1.2 钻具组合

(1)松散层及全风化基岩段

一开钻具组合：∅215.9 mm钻头+接头+∅178 mm无磁钻铤+∅178 mm钻铤+接头+∅159 mm钻铤+接头+∅127 mm钻杆；一开一扩钻具组合：∅375 mm导向正循环扩孔钻头+接头+∅178 mm 钻铤+接头+∅159 mm钻铤+接头+∅127 mm钻杆；一开二扩钻具组合：∅550 mm导向正循环扩孔钻头+接头+∅178 mm钻铤+接头+∅159 mm钻铤+接头+∅127 mm钻杆。

(2)稳定基岩段

二开钻具组合：∅215.9 mm钻头+接头+∅178 mm无磁钻铤+∅178 mm钻铤+接头+∅159 mm钻铤+接头+∅127 mm钻杆；二开一扩钻具组合：∅375 mm反提扩孔钻头+接头+∅127 mm钻杆。

5.1.3 钻头选择

导向孔采用∅215.9 mm PDC钻头，扩孔采用导向牙轮组合钻头扩孔。

5.1.4 钻进参数

为了保证钻进安全，提高钻进效率和防止孔斜，根据孔深、孔径和岩性，综合选择钻进参数。

(1)小径导向孔钻进

小径导向孔钻进参数见表4。

表4 小径导向孔钻进参数表

(2)大口径扩孔钻进

大口径导向扩孔钻进参数见表5。

表5 大口径扩孔钻进参数表

5.2 泥浆工艺

根据该地区的地层特点，地层泥岩和砂岩较多且胶结不好，钻开后地层稳定性差，地层破碎易发生坍塌，对泥浆的护壁、携砂能力提出较高要求。在保证泥浆较好流型的前提下，应提高剪切稀释性能，提高携砂能力；在施工过程中采用大排量的泥浆泵，提高泥浆环空上返速度，保证井底干净。施工大口径钻孔，好的泥浆性能，才能保证钻进及成井安全(见表6)。

表6 泥浆性能参数表

在施工中要严格控制泥浆的黏度、密度、滤失量、含砂量及pH，在泥浆的调配中要适量加入部分降滤失剂和护壁剂，以确保施工的顺利进行和下套管的一次性成功。松散层的泥浆配方见表7。

表7 松散层泥浆配方表材

基岩一般选用双聚低固相泥浆，具有除砂好、流变性好、配制简单的特点，泥皮薄而坚韧，可防止地层垮塌。

5.3 固井工艺

使用强度为M10的水泥砂浆注入套管外环空。

5.3.1 水泥浆设计

水泥浆配方为强度为M10的水泥砂浆，并适量加入速凝剂或早强剂。

5.3.2 套管底部止水

下完直径219 mm生产套管后，安装底部止水托盘，填充止水材料，上提套管，封堵底部缝隙。

5.3.3 灌浆

套管环状空隙灌注水泥砂浆至返出地面。

5.4 反提扩孔技术措施

5.4.1 钻井技术措施

反提扩孔钻进时，钻头反装，从巷道顶板开始从下往上扩孔，发现排渣不畅、钻头激烈晃动、压力不稳、钻进困难时，可能是大掉块落在刀盘上磨挤刀具所致，此时将刀具下放一定距离，多次高速旋转，将掉块甩掉，若无效果时，把钻头下放到底进行处理。

5.4.2 反提扩孔冷却钻头方法

因钻孔与巷道贯通，无法建立循环，间断从孔口注入少量清水，达到冷却钻头目的即可。

6 结语

TMC90型高端多功能钻机，为全液压、顶驱式高速成孔车装钻机，采用伸缩桅杆技术，可满足泥浆、空气、泡沫钻进工艺要求，可钻煤矿垂直贯通孔，能解决点对点准确贯通的难题；自动化程度高，提高了钻探效率，减轻了工人的劳动强度；液压系统可靠，故障率低；配备10×10全驱重型军工越野底盘车，越障能力强，适用于矿山救援、煤矿贯通孔施工；施工周期短，经济效益好。