朱集西矸石井一钻成井施工技术分析

摘要:本文通过对朱集西矸石井钻井法凿井工艺的优化，采用国内先进的一钻成井安全快速高质地完成了矸石井井筒的施工。现将施工中得出的经验进行总结和分析，以供借鉴。

中图分类号：TD262文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)04(a)-0000-00

1 国内外钻井技术概况

国外从十九世纪开始采用钻井法开凿井筒，在西欧至20世纪中叶，用霍尔格曼钻机钻了40余个井筒，但一般钻井直径都较小，钻井深度较浅，最大钻井直径7.53m，深度422m。前苏联采用各种钻井机先后钻凿170个井筒，其中20世纪50年代研制的y3TM型分级扩孔钻机，设计可在较软岩层钻直径8.75m，深800m的井筒。美国由于地下核实验的需要，曾采用钻井法凿了数百个直径1.2m～1.8m的实验井，最深达1700m。美国休斯公司上世纪80年代研制CSD-300型钻机，设计最大钻井直径6.0m，最大钻井深度600m，但仅在澳大利亚西部的镍矿岩层中，钻成一个直径4.267m，钻深663m的风井。上面所说的采用一钻成井技术施工的井筒直径都在4.0m以内，直径超过4.0m的井筒，多采用分级钻井施工。

我国钻井法凿井从上世纪50年代开始研究，1969年在淮北矿区朔里南风井成功地钻凿了我国第一个煤矿井筒，直径为4.3m，深度为92.5m。70年代，我国采用石油配套设备改制的钻机先后建成了十多个煤矿井筒。但一般直径较小，深度较浅。之后我国先后研制了ND-1、BZ-1、SZ-9/700、AS-9/500等型煤矿竖井专用钻井机，最大提升力为300t，转盘扭矩300KNm，钻井直径9.0m，钻深700m；80年代，我国从德国引进了两台L-40/800型钻井机，钻机设计最大钻井直径8.0m，钻井深度600m，提升能力300t，转盘扭矩420KNm，但超前钻孔直径均未超过4.0m。2008年，我国采用自行研制的AD130/1000型竖井钻机采用一钻成井技术完成了淮北矿业集团袁店一矿南风井井筒的施工，该井钻井直径7.1m，钻井深度301m，为世界上采用一钻成井技术完成的钻井直径最大的井筒。

2 井筒概况

朱集西煤矿是由皖北煤电集团有限公司开发的大型煤矿。位于安徽省淮南市潘集区，设计年产煤400万t，是目前安徽省年产量最高的大型煤矿之一。朱集西煤矿矸石井设计钻井直径7.7m，钻井深度545m，比袁店一矿南风井深244m，钻井直径大0.6m。井筒穿过表土层469.55m，穿过岩石地层75.45m。是一钻成井技术的又一次大跨越，是我国钻井法凿井技术发展与应用的又一里程碑。

2.1地质条件

根据朱集西煤矿勘察地质柱状图，可以看出，朱集西煤矿风井地质条件非常复杂。表土段粘性强，遇水膨胀性强，极易产生膨胀、缩径、卡钻和泥包钻头；岩石段极不稳定，硬度大，产生掉块和塌邦，造成掉钻和卡钻。

2.2钻井设计方案及钻进情况

原设计钻井方案为超前钻孔直径为6.0m，第1级扩孔为φ7.7m。根据袁一风井的施工经验，将钻进方案优化为φ7.7m一钻成井。该井自2008年11月26日开钻至2010年1月1日钻进工作全部结束，总钻进时间401天（扣除施工影响11天，实际为390天），平均钻进速度为42.6m/月。

3 施工过程中采取的主要措施

钻井法凿井全部工程在地面操作，凿井工人不需下井，是一种施工机械化水平最高，施工准备期短，用电负荷低，安全可靠，劳动条件好，工程成本低，工程质量好，技术先进的井筒特殊施工方法。根据该井筒的设计参数和地质条件，为保证朱集西煤矿矸石井的顺利施工，在施工过程中采取了如下措施：

3.1设备改造及技术研究

根据矸石井的地层赋存特征、井筒的设计参数及钻机的技术性能和使用情况，决定选用AD130/1000型竖井钻机，为了确保项目的顺利实施，我们进行了钻机和配套设备的改造工作，主要有：

（1）钻机改造：为满足深大型井筒钻井要求，保证钻进作业的正常、高效、低故障率，我们与洛阳矿山机械研究院联合对AD130/1000型钻机进行改造设计，对液压系统、机械手、西门子S7-300PLC电控程序进行了改造大大提高了钻机的整体性能。

（2）钻机安装方法改进：AD130/1000型竖井钻机安装、拆除时都需要用到100t大型吊车，同时还需要2台40t吊车配合才能完成，安装成本高，时间长。通过在井架上部加设顶升支座，用油缸通过两次顶升便可完成安装、拆除工作，大大简化了安装、拆除工序，降低了施工成本。

（3）钻具系统改造：采用φ6.0m钻头改制φ7.7m全断面钻头，根据原φ6.0m钻头刀具布置情况，对改制后的φ7.7m钻头的刀具重新进行设计布置，确保钻井效率。

（4）门式起重机电缆卷筒的改造：原300t门式起重机电缆卷筒在收放电缆时用的是同一力矩、用一方向，设计时只按收缆力矩考虑，未考虑放缆力矩，容易拉坏电缆。通过改进，将收缆、放缆分开调速，使电缆收放自如，安全。

（5）选配混凝土自动搅拌站和混凝土输送泵：泵输送砼作为一种自动化程度很高的砼输送工艺，已广泛应用于房屋建筑、道路与桥梁、市政公用、港航等诸多建设领域。而在煤炭建设特别是钻井法施工领域，该工艺近几年才被引入。

3.2泥浆固化处理

钻井生产过程中产生的废弃钻井液是一种含粘土(膨润土)及钻屑的稳定胶态悬浮物体，具有高悬物固体、高粘度、PH值中性的流体。因钻井施工产生的泥浆量非常大，直接排放会对土壤、水体、污水处理厂产生不良影响，并危及周围生态环境，甚至可能造成污染事故。采用就地存放方法不仅占地面积大、污染环境, 而且影响后继工程正常进行，同时存在大量的安全隐患，浪费了国家宝贵的土地资源。为改变泥浆高污染、占地大的现状，我们应用泥浆固化处理技术将钻井产生的废浆液经接收池缓冲沉降，经污泥泵提升进入污泥破稳一体化装置加药处理，通过加压泵强制固液分离，脱水污泥进入污泥池自然干化后就地填埋，污水进入污水沉降池沉降处理回用或达标排放。该项目的实施，将改变以往处理泥浆的方法，从根本上破坏泥浆的结构性质，并对其进行固化处理，做到达标排放，从而减少土地的占用和对环境的污染，同时还可降低安全风险、节约施工成本，对钻井法施工今后的发展具有重要意义。

3.3优化施工工艺和钻井参数

针对朱集西煤矿矸石井特点，经过多次反复研究，在认真总结以往钻井施工经验的基础上，详细制定了朱集西煤矿矸石井钻进施工的施工组织设计和安全技术措施。根据地层变化的特点，确定合理的钻压、钻速、扭矩、泥浆冲洗量等一系列钻井参数。在施工过程中，根据现场实际发现新情况、新问题及时调整和完善相应的钻进参数，不断摸索和总结经验，从而既保证了较快的钻进速度，又保证了安全顺利施工。

3.4泥浆护壁与控制技术

钻进过程中，使用泥浆临时支护井邦，反循环洗井排渣，地面泥浆重力沉淀、旋流器除砂的排矸净化装置。泥浆性能参数的确定，不仅与地质因素有关，也与测井、井壁下沉、壁后充填等施工工艺密切相关，而且各项性能参数之间是互相关联、互相制约、互相依赖的。我们根据该井井深，岩石层厚，泥浆性能参数波动范围大，控制参数难等特点，研究制定了各施工工序的泥浆参数和控制指标。由于该井钻井深度达545m，井壁节数达106节，井壁下沉和充填时间长，为保证井壁安全顺利下沉和壁后充填质量，采用加钠羧甲基纤维素降调整泥浆的稳定性和胶体率。通过对泥浆的精心处理和维护，在钻井期间，保证了井邦的稳定，提高了钻井效率；在井壁下沉和充填期间，保证了井壁的顺利下沉和充填置换的效果，确保了成井的质量。

3.5工程完成情况

朱集西煤矿矸石井从2008年11月底开钻，于2010年1月完成钻井施工任务。成井质量优良，成井偏值172mm，偏斜率0.319‰，有效圆直径φ5.085m；符合国家规范的规定和设计要求，且无漏水现象。

朱集西煤矿矸石井采用一钻成井技术的成功，创造了国内一钻成井深度和直径的记录，在世界同行业内遥遥领先。