大口径潜孔锤过多层采空区快速成井技术

张禹洲，白领国，徐婉君，李源汇

（1.河南省资源环境调查四院，河南郑州450016；2.河南省大口径钻井工程技术研究中心，河南郑州450016；3.河南省开封市地震台，河南开封475000）

1 工程概况

同煤集团同忻井田上覆侏罗系2、3、9、11、14号煤层采空区存在大量积水，根据矿井防治水工作的要求和生产衔接的需要，为保证同忻矿工作面正常开采，有效防止采空区积水对下部煤层的威胁，从根本上消除、杜绝可能造成的危害，在地面施工抽水井，通过深井泵抽放，抽取采空区积水[1-2]。

试验井为同煤国电同忻煤矿一、二盘区上覆采空区白洞4#、同家梁5#抽水井工程，其中白洞4#抽水井井径Ø350mm，井深335m，同家梁5#抽水井井径Ø485~Ø350mm，井深345m。

依据工程的施工条件的特性和大口径潜孔锤过多层采空区钻进技术研究的特点，在本区域适合开展大口径潜孔锤过多层采空区钻进技术研究。

2 地质概况

井田位于大同煤田的中、东部，由老到新赋存地层有：太古界五台群，寒武系，奥陶系下统，石炭系中统本溪组，上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组，侏罗系下统永定庄组，中统大同组、云冈组及第四系。

本次只针对大同煤田的石炭系上统太原组和二叠系下统山西组含煤地层。

太原组(C3t)：厚86~95.8m，一般厚88.6m。主要由灰、灰白、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成。该组为大同煤田下煤系主要含煤地层，共含有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10号等煤层，煤层总厚平均为27m左右，含煤系数为30%，其中3、5、8号煤为主要可采煤层，其余各煤层井田内局部或零星赋存。

山西组(P1s)：厚53.34~81.34m，一般69.2m，由一套灰、深灰、灰白色砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和煤层组成。本组共含煤四层，其中仅最下部山4号煤较为发育，具有工业可采价值，而其它山1、山2、山3号等煤层只是零星赋存，甚至仅为煤线，不具有工业价值。

3 钻井质量要求

该工程是针对矿区老巷道的积水进行治理，还要利用巷道内水仓内的存水，因此钻井质量要求高，钻井垂直度要求严，并且确保钻井直接钻到老巷道和主水仓上，要求卡准见空深度，准确记录所穿过煤层与井内异常情况。

钻井垂直度要求：施工的钻井要求井斜不大于2o。

4 钻井工艺

4.1 钻孔结构

抽水井钻孔结构力求简化、利于施工、降低消耗，确保钻井的垂直度、井壁的稳定性有利于大口径潜孔锤过多层采空区钻井工艺研究[3-4]。井身结构图分别如图1、图2所示。

图1 白洞矿4#抽水井井身结构图

图2 同家梁5#抽水井井身结构图

白洞4#抽水井钻具组合：Ø350mm潜孔锤+Ø159mm钻铤+Ø127mm钻杆+主动钻杆；同家梁5#抽水井钻具组合：Ø485mm潜孔锤+Ø159mm钻铤+Ø127mm钻杆+主动钻杆；Ø350mm潜孔锤+Ø159mm钻铤+Ø127mm钻杆+主动钻杆。

4.2 防斜措施

防斜方法包括合理选用钻具和钻进技术参数，严格操作，牢牢把住安装、开井、换径三个关键环节[5]。

（1）开孔钻进时，必须用低挡转速，每钻进3~5m停钻，用水平尺校正方钻杆，确保井口开直。

（2）钻进中，每钻进1个单根，划眼2~3遍，划眼速度控制在0.5m/min。

（3）为使钻具工作稳定，增设扶正器三个以上，扶正器与Ø350mm钻头同径，分别连接在钻铤的三个不同部位，使满眼钻具长度达到14m左右，有效地减少钻具与井壁之间的间隙，防止钻头偏斜。

（4）钻进过程，钻压不能过大，防止钻杆弯曲而造成井斜。

（5）钻进风化层、破碎带、松散堆积层时，应适当降低钻压，确保钻井垂直度。

（6）钻进时，应保持环状间隙畅通无阻。如遇坍塌掉块现象，应反复提动钻具强行吹风冲击，把掉块挤碎吹出井外。

（7）增加粗径钻具长度，井浅时加接钻铤，井深时加钻杆扶正器，扶正器长度不小于6m，保证井斜要求。

（8）采用电子多点测斜仪动态监测井眼轨迹，确保井斜指标符合设计要求。及时调整钻井参数，严格保证井身质量。

根据地质资料，在穿越采空区前，合理地组合好防斜扶正器之间的距离配比，使扶正器装置在穿越采空区时，能更好地起到防斜扶正的效果，确保钻井的垂直度，扶正稳定器如图3所示。

图3 扶正稳定器示意图

4.3 过采空区钻进技术措施

（1）结合矿方提供临近钻孔的地质资料，及时从钻孔柱状、岩屑、地质资料等方面综合分析，提前判断距采空区的井深。见空后立即停钻，卡准见空深度并做好记录。施工至第一层采空区顶板以上30m时（井深约124m），制订大口径潜孔锤过采空区的技术措施和防斜措施后方可施工，采空区钻进示意见图4。

图4 采空区钻进示意图

（2）在采空区钻进时，由于钻头压力点失去支撑层，钻具在采空内会产生落空，或在冒落带内因重力垂落，钻进时应合理掌握钻进技术参数，防止发生钻杆折断、钻头掉齿、断齿以及排渣不及时造成井内事故发生[6]。

（3）大口径潜孔锤过采空区钻进过程中，应保持均匀加压，防止盲目加大压力，或忽大忽小，以保证钻柱的稳定性。

（4）过采空区钻进如发现钻杆抖动厉害或周期性滞转现象，说明遇到破碎带或较大裂隙，应立即提动钻具，再缓慢下放，以较低钻压通过该区，防止造成钻杆折断等事故[7]。

（5）应保持井底清洁，钻进时当井内堆积岩粉过多时，应使用特制捞渣桶进行捞渣作业，及时清除井内岩粉。

（6）进入采空区施工时，钻井工作区严禁明火，井口采用主动排风措施，防止采空区有害气体在井口区域富集，产生安全隐患。

5 试验情况和技术参数

5.1 试验情况

两个抽水井均采用了大直径潜孔锤过多层采空区正循环钻进，白洞4#抽水井采用大口径Ø350mm潜孔锤钻进335m，共用20d，并使用捞渣管捞取井底岩屑，使井底干净再用大口径潜孔锤钻进直接成井。同家梁5#抽水井采用大口径Ø485mm潜孔锤开井钻进至70m，改用大口径Ø350mm潜孔锤钻进至345m，共耗时20d。大口径潜孔锤过多层采空区钻进分别在两井试验获得了成功，圆满地完成快速一次成井，钻孔施工现场见图5。

图5 抽水井施工现场

5.2 技术参数

通过生产试验，大口径潜孔锤过多层采空区钻进时，随着井深的不断增加，在遇到采空区顶板或在采空区含水层中钻进时，对机械的转速、压力以及空压机的风量（采空区或潮湿层需要两台并联使用）、风压的变化有了进一步的认识，通过钻井试验，确定的技术参数最佳范围为：钻压2~5kN,转速12~18r/min、风量27.7~50m3/min、风压15~25MPa。

6 钻进成效分析

大口径潜孔锤穿越多层采空区钻进工艺，解决了在采空区泥浆钻进中出现的漏浆、漏水、效率低、成本高等诸多问题，钻进成效见表1。

表1 钻进成效对比表

6.1 时间利用率高

大口径空气潜孔锤钻进工艺与大口径常规工艺钻进相比，对含有一层或多层采空区的深层煤系复杂地层，利用大口径潜孔锤不仅解决了常规工艺钻进出现的漏水、漏浆、效率低、成本高问题，并且缩短了施工周期，时间利用率也有成倍的提高，是普通工艺钻进无法与其相比的，白洞4#抽水井钻效表见表2。

表2 白洞4#抽水井钻效表

6.2 钻头寿命长、钻探成本低

根据试验，大口径潜孔锤硬质合金柱齿钻头的寿命达167.5m。由于采用过多层采空区钻进一次成井，钻进效率大幅提高，节省了泥浆材料和堵漏材料，减少了井内事故，延长了钻头寿命，减轻了工人的劳动强度，缩短了施工周期，是常规工艺钻进不可比拟的。

6.3 井内事故少

大口径潜孔锤穿越多层采空区一次成井钻进工艺作为一种过多层采空区等复杂地层施工的新方法，解决了常规工艺钻进出现的漏浆、漏水、成本高、效率低、遇到采空区不能封堵等钻井易发生不安全事故等诸多问题，提高了过多层采空区大口径工程的成功率。

6.4 钻井弯曲度小

大口径潜孔锤穿越多层采空区时，防止井斜是重中之重。由于采空区顶底板之间的差异，因此在进入采空区顶板之前，应根据地层柱状资料合理地调配好扶正器之间的配比，严格按照潜孔锤钻进规程参数要求（钻压小、慢钻速）穿越采空区。对白洞4#抽水井和同家梁5#抽水井两个试验井进行测斜，采用电子多点测斜仪动态监测井眼轨迹，及时调整钻井参数，严格保证井身质量，确保井斜指标符合设计要求。两个试验井的测斜情况见表3、表4。

表3 白洞4#钻井测斜数据表

表4 同家梁5#钻井测斜数据表

7 结语

（1）研究了一套适合大口径潜孔锤过多层采空区施工的钻机及配套机具、冲击器。整套机具经济适用、技术性能匹配合理，技术参数能满足施工需求，性能稳定，运行可靠。

（2）研究了一套适用于大口径潜孔锤过多层采空区施工的钻井工艺。主要包括：一次成井排渣困难，空压机配置优化以及钻进参数（钻压、转速、风压、风量）的优选，以保证实现安全、高效、低耗、快速钻进成井，可促使大直径工程井钻探技术水平大幅提升。

（3）研究了一套大口径潜孔锤过多层采空区钻井工艺技术。针对大口径潜孔锤过多层采空区施工对井斜要求高、钻井直径大且深的难题，研究了对采空区和采空区落空段预防井斜的钻进技术。

（4）对大口径潜孔锤过多层采空区工程钻井施工所需的设备选用配套及大口径潜孔锤钻井、完井工艺技术进行了系统科学的研究。在认真研究大口径潜孔锤钻进工艺特点的基础上，总结了一套大口径潜孔锤施工实用新型工艺技术。

（5）采用大口径潜孔锤过多层采空区钻进工艺解决了目前施工大直径工程中遇到的钻进效率低、施工周期长、风险大、成本高等问题，使大直径工程井施工技术水平得以大幅提升。对全国矿山企业大口径工程项目施工具有重大的借鉴意义和推广价值，潜在的经济效益和社会效益巨大，具有广阔的应用前景。