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云驾岭煤田位处于一个干河床下面,第四系坡积砂土碎石和大块的洪积河卵石,又大又硬,自一百三十五米直至裸露地表,其卵石的岩石成份大部分为呈灰白、灰色的石英岩。由60.1米至73.65米,由82.44米至92.60米,由112.13米至124.35米,这三个主要孔段是由洪积粘土或亚粘土构成。中间有的孔段还夹杂着小砾石或小卵石。由138米至165米终孔这一孔段是由中粒砂岩和粗粒砂岩构成。
一、地层情况对钻进效果的影响
1、卵石层(第四系冲砾层)。呈松散砂砾,卵石块大,其最大粒径为φ1000MM,一般粒径为50MM-150MM。卵石间隙由小砾石和砂土充填,胶结极为松散。由于一开孔就在卵石层上钻进,因此,对于是否能够将钻孔开直则很难保证,往往开孔十多米孔斜就相当严重。并且在钻进过程中不断出现掉块、坍孔、漏失泥浆。如果钻孔正好从一块大卵石旁边穿过,卵石就起到了一个楔子的作用,会使钻孔急剧变斜,给正常钻进以及保证钻孔工程质量都带来了很大的困难。
2、粘土层。上部粘土层胶结较致密,易糊钻或缩径,使泥浆的粘度增大沉淀物增多,给维持泥浆性能和泥浆的净化造成不利。小部分粘土层中,夹杂着卵石和小砾石,软硬相差较大,极易造成孔斜。
3、基岩。其结构较完整,对钻进没有什么特殊影响,只是其风化严重,裂隙发育,造成了泥浆的漏失。
4、泥浆循环部分特别说明。由于该地区地层地质情况复杂,将泥浆管好、用好尤为重要。为了使泥浆中的固相砂粒得到充分的沉淀,除在灰土盘外园上用水泥修筑半园形的循环槽外,还将泥浆泵房设置在远离钻场50米处,之间修筑了长条沉淀槽,使泥浆槽进一步加长,并在三个泵房之前修建了三个大泥浆沉淀池,使泥浆得到了进一步的净化。
二、根据不同的地层采取不同的钻进方法
在施工的最初阶段,由于该地区地层复杂,孔斜严重,只是着眼于较高的孔斜率,没有根据不同的地层,采取不同的钻进方法,致使效果不好。例如:因孔斜严重,不敢使用钢粒钻井,只采用合金筒状钻头钻进,由于卵石既硬又大,合金钻进效率一直提不高。并且用合金钻头在卵石中钻进,90%的合金得不到正常磨损,都是因崩裂而脱落,钻进过程中憋车严重,钻具对孔壁撞击严重,孔内泥浆不能完整造壁,时而发生泥浆漏失、掉块、塌孔、卡钻等事故。造成了成本高,效率低,劳动强度大。
(一)探索合理的钻进方法
初步实践证明,采用单一的钻进方法和钻具搭配是不能够保证本项工程的质量和效率的。必须根据不同的岩石地层及其不同的物理机械性质,采用不同的钻进方法和相应的技术措施,一年多来的生产实践,我们摸索了如下几种方法。
1、在卵石层。
①开孔是否能够开直,是整个钻孔施工中最重要的一环,一般采用合金筒状钻头配上尽可能长的同径加重钻具进行开孔钻进,轻压慢转,时而上提回扫,连续钻进10～20米左右。
②开孔后更换钢粒钻进,压力一般控制在200～400Kg左右,每次投砂量掌握在2～3公斤左右。勤投少投。
③孔浅时,一旦发现孔斜,则马上垫整机器或调整主动钻杆的偏向,对孔斜进行人为的控制。
④一般孔深钻至60米左右,如果孔斜严重,则必须采取人工纠斜。
2、在黄土中。
①由于是不取芯钻进,宜采用三翼刮刀钻头钻进。并且使用这种钻头还起到了纠斜作用。
②如果孔斜严重,则不失时机地在黄土层进行人工纠斜。
3、在基岩中。
由于基岩层、岩层结构较完整,硬度也不是太高,使用筒状合金或三翼刮刀钻头其效果都较好。
(二)护孔措施
鉴于该地区、地层比较复杂,大部分都是第四系坡积洪积卵石层覆盖,孔壁易塌,泥浆易漏,故必须重视护孔工作。
1、用泥浆作冲洗液,严格掌握泥浆的粘度,一般不能低于22秒,失水性控制在10ml左右。
2、将泥浆进行化学处理,每立方粘土里加进2～3克的聚丙烯酰胺,并且适量地加进NaOH将PH值调整在8～9之间。
3、漏水或塌孔严重时,一般采用岩芯管送泥球或直接从孔口投放泥球的方法处理。
4、为了保证泥浆的质量,除采用加长其沉淀槽之外,还使用旋流除砂器对泥浆进行净化。
5、泥浆的泵量一般掌握在60公升/分左右。
三、提高钻孔质量的措施
综上所述,由于该工程孔斜要求较高,并且地层又非常不稳定,孔斜严重。甚至由于孔斜超过工程质量要求的标准,人工纠斜又无效时,即造成废孔。直接影响着着质量和施工效率。据统计,50-60%左右的钻孔为了达到工程质量要求的标准,都需要下斜铁进行人工纠斜。因此:在孔斜不严重时如何进行防斜使之不继续发展或发展缓慢,在孔斜严重时如何准确无误地进行人工纠斜,成了提高钻孔质量和钻进效率及经济效益的关键问题。所以必须采取有效的防斜、纠斜技术措施。针对这两个主要矛盾,我们在防斜方面规定了在不同的地层不同的情况下:合理地采用不同的钻具搭配以及不同的钻进方法。在人工纠斜方面,我们进行了技术革新,采用楔铁定向器进行人工纠斜。
(一)钻具组合结构
对于钻具组装要按照不同情况进行不同的组装方式才能达到予想的钻进效果,一般的情况是:
1、 一般正常钻进时的钻具组装为塔式组装,即:岩芯管、加重杆、钻铤、钻杆由下而上依次联接。
2、 在孔斜不严重或孔不斜的情况,原则上粗径钻具宜长不宜短,一般不少于14米(粗径钻具包括岩芯管、加重杆,以及钻铤)其目的是增加孔底粗径钻具的钢性,增加其导向作用。
3、 孔斜严重,但不需人工纠斜、而需要扩扫取直时则将粗径钻具缩短、去掉岩芯管、加重杆直接和钻头连接进行扩扫。
4、 孔斜严重需要人工纠斜时,我们采用比通天斜铁φ146mm套管小一级的φ110mm钻具,进行纠斜钻进,φ110mm粗径钻具不应超过楔子的斜面长度。去掉加重杆,岩芯管直接和钻杆连接(减小孔底纠斜钻具的钢性)在φ110mm套管中进行钻进,采用大压力,中转速,根据孔斜程度确定纠斜钻进深度,(一般为10-12米左右)纠斜钻进完毕后,提拔通天楔铁,再用φ127mm、φ146mm、φ168mm三级带导向钻头逐级扩孔。每级粗径钻具长度应不超过纠斜钻进的深度为宜。
5、 在黄土层中由于不取芯钻进,一般将刮刀钻头直接和加重钻杆连接进行钻进。去掉岩芯管,将钻具的重心进一步向下移,使孔底钻具处在受拉的状态下将钻孔打直。
(二)使用铁向器进行人工纠斜
开始我们采用的人工纠斜方法是:在φ146mm套管上吊线画印的方法对楔子进行定向,然而由于这种方法比较原始,对于孔浅时效果还可以,一旦孔深就很难掌握楔子在孔内的真实状态。成功率很低。有时一个钻孔下楔子次数多达6次。一旦失败则造成废孔,费工费时。针对这一问题,我们在《勘探技术》简介的用于下楔铁的钢球定向器原理的启发下设计试制了专门用于冻结孔或水井这样的大口径钻孔,下活楔子进行人工纠斜的楔铁定向器,该种定向器的原理,使用方法以及使用效果和其经济效益简述如下:
1、楔铁定向器原理及其使用方法。
此种定向器,结构比较简单,加工制做容易。定向准确迅速,灵敏度高。原理如下:
1是定向器内管(用内径为124mm的冻结管车制而成),其中沟槽部分要进行电镀加工处理。2是防水压盖,厚钢板车制。3是定向器上体。4是定向器下体,下端与内管焊死防止进水。6是绝缘胶木圈,由10mm厚的胶木板车制而成。7是防水密封接头。8是防水压紧螺帽。9是弹簧片接触头,固定在上体上,并与上体绝缘和密封接头用胶线连接。5是铜皮接触套。与定向器内管绝缘,并和接触电极铜片11相连接,弹簧接触片在其上面作圆周滑动接触,保证接触电极与定向器外面的引线13始终接通。10是φ5mm左右的钢球。12、14是密封胶圈,防止上下体之间进水。
定向器是由钢球在重力的作用下滚动至电极11和下体内壁之间,将电路接通。使孔口电表指示出来。
使用时将电线5与密封接头焊接下端以异径接手2和楔子连接,上端异径接手和146套管相连接。即可下井(如果只纠顶角,则楔子斜面与定向器下体接触电极铜片11的位置在同一个方向。如果纠方位则楔子斜面同铜片11位置有一定的扭转角)。电线随146套管的不断连接和定向器一同下到预定的深度。然后用吊车将146套管吊离孔底一段距离。并将电表的负极搭铁,慢慢转动146套管,同时注意观察电表指针的摆动。为了提高其灵敏度在电路中串进6V电池、用电表的微安档或毫安档进行测量。如果钢球一旦接通电极11和定向器下体内壁、则电路立刻处于短路状态。表针迅速摆动,然后在管子和钻机上对应做上一个记号,反复试验重复多次以上动作,如果总是转到记号处表针迅速摆动,则定向便告结束。将通天斜楔铁下墩在孔内,用小一级的钻头在通天斜铁内进行纠斜钻井。如果孔深怕电线被井壁碰破,则将电线在套管内同时下入,定向结束后将电线提出即可进行纠斜钻进。使用之前必须将各个密封处一定密封好。
实践证明,根据不同的岩层和岩石的不同的物理机械性质,选择与此相适应的合理的钻进方法和技术措施,是保证钻探质量,提高生产效率的关键。在厚卵石层打冻结孔只要能够将上述措施应用适当,就一定能取得到较好的施工效果。
一、地层情况对钻进效果的影响
1、卵石层(第四系冲砾层)。呈松散砂砾,卵石块大,其最大粒径为φ1000MM,一般粒径为50MM-150MM。卵石间隙由小砾石和砂土充填,胶结极为松散。由于一开孔就在卵石层上钻进,因此,对于是否能够将钻孔开直则很难保证,往往开孔十多米孔斜就相当严重。并且在钻进过程中不断出现掉块、坍孔、漏失泥浆。如果钻孔正好从一块大卵石旁边穿过,卵石就起到了一个楔子的作用,会使钻孔急剧变斜,给正常钻进以及保证钻孔工程质量都带来了很大的困难。
2、粘土层。上部粘土层胶结较致密,易糊钻或缩径,使泥浆的粘度增大沉淀物增多,给维持泥浆性能和泥浆的净化造成不利。小部分粘土层中,夹杂着卵石和小砾石,软硬相差较大,极易造成孔斜。
3、基岩。其结构较完整,对钻进没有什么特殊影响,只是其风化严重,裂隙发育,造成了泥浆的漏失。
4、泥浆循环部分特别说明。由于该地区地层地质情况复杂,将泥浆管好、用好尤为重要。为了使泥浆中的固相砂粒得到充分的沉淀,除在灰土盘外园上用水泥修筑半园形的循环槽外,还将泥浆泵房设置在远离钻场50米处,之间修筑了长条沉淀槽,使泥浆槽进一步加长,并在三个泵房之前修建了三个大泥浆沉淀池,使泥浆得到了进一步的净化。
二、根据不同的地层采取不同的钻进方法
在施工的最初阶段,由于该地区地层复杂,孔斜严重,只是着眼于较高的孔斜率,没有根据不同的地层,采取不同的钻进方法,致使效果不好。例如:因孔斜严重,不敢使用钢粒钻井,只采用合金筒状钻头钻进,由于卵石既硬又大,合金钻进效率一直提不高。并且用合金钻头在卵石中钻进,90%的合金得不到正常磨损,都是因崩裂而脱落,钻进过程中憋车严重,钻具对孔壁撞击严重,孔内泥浆不能完整造壁,时而发生泥浆漏失、掉块、塌孔、卡钻等事故。造成了成本高,效率低,劳动强度大。
(一)探索合理的钻进方法
初步实践证明,采用单一的钻进方法和钻具搭配是不能够保证本项工程的质量和效率的。必须根据不同的岩石地层及其不同的物理机械性质,采用不同的钻进方法和相应的技术措施,一年多来的生产实践,我们摸索了如下几种方法。
1、在卵石层。
①开孔是否能够开直,是整个钻孔施工中最重要的一环,一般采用合金筒状钻头配上尽可能长的同径加重钻具进行开孔钻进,轻压慢转,时而上提回扫,连续钻进10～20米左右。
②开孔后更换钢粒钻进,压力一般控制在200～400Kg左右,每次投砂量掌握在2～3公斤左右。勤投少投。
③孔浅时,一旦发现孔斜,则马上垫整机器或调整主动钻杆的偏向,对孔斜进行人为的控制。
④一般孔深钻至60米左右,如果孔斜严重,则必须采取人工纠斜。
2、在黄土中。
①由于是不取芯钻进,宜采用三翼刮刀钻头钻进。并且使用这种钻头还起到了纠斜作用。
②如果孔斜严重,则不失时机地在黄土层进行人工纠斜。
3、在基岩中。
由于基岩层、岩层结构较完整,硬度也不是太高,使用筒状合金或三翼刮刀钻头其效果都较好。
(二)护孔措施
鉴于该地区、地层比较复杂,大部分都是第四系坡积洪积卵石层覆盖,孔壁易塌,泥浆易漏,故必须重视护孔工作。
1、用泥浆作冲洗液,严格掌握泥浆的粘度,一般不能低于22秒,失水性控制在10ml左右。
2、将泥浆进行化学处理,每立方粘土里加进2～3克的聚丙烯酰胺,并且适量地加进NaOH将PH值调整在8～9之间。
3、漏水或塌孔严重时,一般采用岩芯管送泥球或直接从孔口投放泥球的方法处理。
4、为了保证泥浆的质量,除采用加长其沉淀槽之外,还使用旋流除砂器对泥浆进行净化。
5、泥浆的泵量一般掌握在60公升/分左右。
三、提高钻孔质量的措施
综上所述,由于该工程孔斜要求较高,并且地层又非常不稳定,孔斜严重。甚至由于孔斜超过工程质量要求的标准,人工纠斜又无效时,即造成废孔。直接影响着着质量和施工效率。据统计,50-60%左右的钻孔为了达到工程质量要求的标准,都需要下斜铁进行人工纠斜。因此:在孔斜不严重时如何进行防斜使之不继续发展或发展缓慢,在孔斜严重时如何准确无误地进行人工纠斜,成了提高钻孔质量和钻进效率及经济效益的关键问题。所以必须采取有效的防斜、纠斜技术措施。针对这两个主要矛盾,我们在防斜方面规定了在不同的地层不同的情况下:合理地采用不同的钻具搭配以及不同的钻进方法。在人工纠斜方面,我们进行了技术革新,采用楔铁定向器进行人工纠斜。
(一)钻具组合结构
对于钻具组装要按照不同情况进行不同的组装方式才能达到予想的钻进效果,一般的情况是:
1、 一般正常钻进时的钻具组装为塔式组装,即:岩芯管、加重杆、钻铤、钻杆由下而上依次联接。
2、 在孔斜不严重或孔不斜的情况,原则上粗径钻具宜长不宜短,一般不少于14米(粗径钻具包括岩芯管、加重杆,以及钻铤)其目的是增加孔底粗径钻具的钢性,增加其导向作用。
3、 孔斜严重,但不需人工纠斜、而需要扩扫取直时则将粗径钻具缩短、去掉岩芯管、加重杆直接和钻头连接进行扩扫。
4、 孔斜严重需要人工纠斜时,我们采用比通天斜铁φ146mm套管小一级的φ110mm钻具,进行纠斜钻进,φ110mm粗径钻具不应超过楔子的斜面长度。去掉加重杆,岩芯管直接和钻杆连接(减小孔底纠斜钻具的钢性)在φ110mm套管中进行钻进,采用大压力,中转速,根据孔斜程度确定纠斜钻进深度,(一般为10-12米左右)纠斜钻进完毕后,提拔通天楔铁,再用φ127mm、φ146mm、φ168mm三级带导向钻头逐级扩孔。每级粗径钻具长度应不超过纠斜钻进的深度为宜。
5、 在黄土层中由于不取芯钻进,一般将刮刀钻头直接和加重钻杆连接进行钻进。去掉岩芯管,将钻具的重心进一步向下移,使孔底钻具处在受拉的状态下将钻孔打直。
(二)使用铁向器进行人工纠斜
开始我们采用的人工纠斜方法是:在φ146mm套管上吊线画印的方法对楔子进行定向,然而由于这种方法比较原始,对于孔浅时效果还可以,一旦孔深就很难掌握楔子在孔内的真实状态。成功率很低。有时一个钻孔下楔子次数多达6次。一旦失败则造成废孔,费工费时。针对这一问题,我们在《勘探技术》简介的用于下楔铁的钢球定向器原理的启发下设计试制了专门用于冻结孔或水井这样的大口径钻孔,下活楔子进行人工纠斜的楔铁定向器,该种定向器的原理,使用方法以及使用效果和其经济效益简述如下:
1、楔铁定向器原理及其使用方法。
此种定向器,结构比较简单,加工制做容易。定向准确迅速,灵敏度高。原理如下:
1是定向器内管(用内径为124mm的冻结管车制而成),其中沟槽部分要进行电镀加工处理。2是防水压盖,厚钢板车制。3是定向器上体。4是定向器下体,下端与内管焊死防止进水。6是绝缘胶木圈,由10mm厚的胶木板车制而成。7是防水密封接头。8是防水压紧螺帽。9是弹簧片接触头,固定在上体上,并与上体绝缘和密封接头用胶线连接。5是铜皮接触套。与定向器内管绝缘,并和接触电极铜片11相连接,弹簧接触片在其上面作圆周滑动接触,保证接触电极与定向器外面的引线13始终接通。10是φ5mm左右的钢球。12、14是密封胶圈,防止上下体之间进水。
定向器是由钢球在重力的作用下滚动至电极11和下体内壁之间,将电路接通。使孔口电表指示出来。
使用时将电线5与密封接头焊接下端以异径接手2和楔子连接,上端异径接手和146套管相连接。即可下井(如果只纠顶角,则楔子斜面与定向器下体接触电极铜片11的位置在同一个方向。如果纠方位则楔子斜面同铜片11位置有一定的扭转角)。电线随146套管的不断连接和定向器一同下到预定的深度。然后用吊车将146套管吊离孔底一段距离。并将电表的负极搭铁,慢慢转动146套管,同时注意观察电表指针的摆动。为了提高其灵敏度在电路中串进6V电池、用电表的微安档或毫安档进行测量。如果钢球一旦接通电极11和定向器下体内壁、则电路立刻处于短路状态。表针迅速摆动,然后在管子和钻机上对应做上一个记号,反复试验重复多次以上动作,如果总是转到记号处表针迅速摆动,则定向便告结束。将通天斜楔铁下墩在孔内,用小一级的钻头在通天斜铁内进行纠斜钻井。如果孔深怕电线被井壁碰破,则将电线在套管内同时下入,定向结束后将电线提出即可进行纠斜钻进。使用之前必须将各个密封处一定密封好。
实践证明,根据不同的岩层和岩石的不同的物理机械性质,选择与此相适应的合理的钻进方法和技术措施,是保证钻探质量,提高生产效率的关键。在厚卵石层打冻结孔只要能够将上述措施应用适当,就一定能取得到较好的施工效果。