王立峰，張曉昂，徐 影

(1.河南省資源環(huán)境調(diào)查二院，河南洛陽 471023；2.河南省煤田地質(zhì)局，鄭州 450016；3.河南豫中地質(zhì)勘查工程有限公司，鄭州 450016；4.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心,鄭州 450016；5.河南省煤層氣壓裂工程技術(shù)研究中心，河南洛陽 471023)

0 引言

空氣潛孔錘鉆井技術(shù)因其施工效率高、安全性好等被廣泛應(yīng)用于煤礦大直徑井、地?zé)峋?、水文井、特殊工程井等的施工中[1-4]。然而，隨著礦山需求提高，大直徑工程井的井徑及井深越來越大，施工過程中，隨著井身環(huán)空間隙增大，井底巖屑上返困難，嚴(yán)重影響了施工效率及施工安全[5-8]。如何在保證施工安全的前提下，將井底巖屑快速返排出井外是目前施工工藝亟需解決的難題。

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)，如采用正循環(huán)氣動(dòng)潛孔錘鉆井技術(shù)，因環(huán)空間隙大，施工中需要較大的風(fēng)量才能使巖屑正常返排，投入空壓機(jī)多，成本高，操作困難；如采用反循環(huán)氣動(dòng)潛孔錘鉆井技術(shù)，不僅對地質(zhì)條件要求較高，而且需要配置全套專用機(jī)具，實(shí)施難度大[9-10]。為此，亟需對現(xiàn)有施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，既能保證施工安全及施工效率，又能減少設(shè)備使用量，降低成本。

本文擬采用單體大直徑潛孔錘+跟管鉆進(jìn)技術(shù)，使巖屑從跟管與井壁的環(huán)空間隙上返，常規(guī)風(fēng)量即可滿足巖屑上返需求，可有效提高施工效率及施工安全，解決大直徑工程井快速施工過程中巖屑上返困難和施工效率低的難題。

1 技術(shù)原理

單體大直徑潛孔錘+跟管鉆進(jìn)技術(shù)為在井口內(nèi)壁布置一路套管，在套管的頂部設(shè)置懸掛裝置及密封裝置，在套管底段設(shè)置有跟管增壓裝置，在套管內(nèi)同軸設(shè)置有鉆桿，鉆桿的外徑小于套管的內(nèi)徑，在鉆桿內(nèi)設(shè)置有壓縮空氣通道，套管與井壁之間的環(huán)形空間即巖屑返排通道，同時(shí)，在井口設(shè)置巖屑排渣口，在鉆桿的底部連接有能滿足井徑大小的單個(gè)氣動(dòng)潛孔錘，氣動(dòng)潛孔錘位于跟管增壓裝置下方[11-14]。

利用此種裝置，采用常規(guī)施工設(shè)備，即可在設(shè)置好鉆進(jìn)參數(shù)的前提下，保證潛孔錘沖擊破碎的巖屑隨著套管與井壁的環(huán)空間隙上返，并能從巖屑排渣口排除，提高了巖屑上返效率，滿足了大直徑井快速鉆井的施工需求(圖1)。

圖1 技術(shù)工藝Figure 1 Technical process

2 工程實(shí)例

王臺鋪礦隸屬于山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，開采3號、9號、15號煤層，屬低瓦斯礦井，目前已回采完畢。由于其15號煤層底板高于西鄰的鳳凰山礦(生產(chǎn)礦井)，關(guān)閉后礦井涌水會(huì)對鳳凰山礦造成一定影響。為確保鳳凰山礦正常生產(chǎn)，需要在地面施工大直徑直排井進(jìn)行排水。由于工期緊、任務(wù)重，采用常規(guī)大直徑井施工工藝難以在時(shí)間要求內(nèi)完成。為此，在充分分析礦山地質(zhì)概況、礦井涌水量等條件的基礎(chǔ)上，將單體大直徑潛孔錘+跟管鉆進(jìn)技術(shù)引進(jìn)到施工中，不僅在工期內(nèi)順利完成了施工任務(wù)，而且使直排井準(zhǔn)確與巷道連通，確保后期排水工作順利進(jìn)行。

2.1 地質(zhì)概況

本井位于沁水盆地的東翼南端，處于晉獲褶斷帶、沁水盆地南緣東西—北東向斷裂帶及陽城西哄哄-晉城石盤東西向斷裂帶之間。揭露地層依次為第四系、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組、石炭系上統(tǒng)太原組。

井區(qū)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。太原組煤系總厚度為96.65～103.75m，共見可采煤層3層，為3#、9#、15#煤：其中3#煤厚度為5.50m；9#煤厚度0.90m；15#煤厚度為4.00m。

2.2 工程概況

王臺鋪礦直排A井布置在王臺鋪礦620水平主排水點(diǎn)(涌水量600m3/h)，距3號煤層空巷為1.96m(圖2)。

圖2 直排井A平面位置Figure 2 Planar position of direct drainage well A

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)

一開采用旋挖鉆機(jī)850mm開孔，挖至或鉆進(jìn)至11.70m后，下入φ720mm表層套管至井底；二開采用φ650mm錘頭，鉆穿15#煤層，鉆穿620巷道后完鉆，并下入φ560mm生產(chǎn)套管，生產(chǎn)套管高出地面0.20m，其中620巷道部分套管為割縫花管，井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 井身結(jié)構(gòu)示意Figure 3 Well configuration schematic diagram

2.2.2 鉆具組合

1)一開鉆具組合(0～11.70m)為Φ850mm旋挖機(jī)+人工。

2)二開鉆具組合(11.70～205.00m)：①鉆井鉆具組合：Φ650mm空氣錘+接頭+Φ203mm鉆挺+扶正器+Φ203mm鉆鋌+Φ127mm鉆桿+方鉆桿；②跟管鉆進(jìn)組合：Φ473mm伸縮管(外管直徑Φ473mm內(nèi)管直徑Φ406mm)+406mm套管。

2.2.3 鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)本井的特點(diǎn)，全井使用空氣鉆進(jìn)，鉆壓5.0～10.0t，風(fēng)壓2.0～4.0MPa，風(fēng)量120～180m3/min，轉(zhuǎn)速25～35r/min。

2.2.4 施工效果

本井采用單體大直徑潛孔錘+跟管鉆進(jìn)技術(shù)，完井深度205m，成井直徑650mm，一徑成井，鉆孔精確與井下巷道連通，總施工周期20d，圓滿完成了施工任務(wù)。

3 結(jié)論

通過本次在王臺鋪礦大直徑井的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，本施工技術(shù)在減少空壓機(jī)使用、降低施工成本、提高巖屑上返效率等方面具有顯著優(yōu)勢，施工工藝可行；但由于所配置跟管直徑大、質(zhì)量大，在增加進(jìn)尺時(shí)工藝相對繁瑣，輔助施工時(shí)間較長，后期仍需改進(jìn)。