大口径立井钻井法施工技术

房朝阳

(陕西工程勘察研究院 陕西省 西安市 710068)

钻井法凿井是利用钻井机所配钻头刀具将岩石破碎，用泥浆护壁和排渣，将井筒全断面一次钻成，或将井筒分次扩孔钻成，再进行永久支护的一种机械化凿井方法。国外从十九世纪开始采用钻井法开凿井筒已有百余年的历史。我国于60年代末首次采用钻井法钻凿煤矿立井井筒获得成功，经过广大工程技术人员40余年地不懈努力，形成了设备国产化，效率高，污染少、偏斜率低的大口径立井钻井法施工技术。

一、 钻井法凿井施工设备的选择

钻井法凿井适用于各种不同的工程地质条件，不仅可用于松散、不稳定的含水岩土层，也可用于钻凿稳定、坚硬岩层的立井施工。我国目前生产的立井钻井机主要分为二类，一类是传统的转盘式钻机；另一类是比较先进的液压动力头钻机。

转盘式钻机的动力设备多数设置在地面。钻井时由钻台上的转盘带动六方钻杆旋转，进而使钻头旋转，钻头上装有破碎岩石的刀具可进行旋转破碎岩石。按不同的钻井深度、直径、转盘扭矩及提升能力等技术指标，已定型生产的立井钻井设备有ZZS-1、ND-1、SZ-9/700、AS-9/500、BZ-1、L40/1000和AD130/1000等型号产品可供施工单位选择。

液压动力头立井钻井机采用动力头驱动钻杆，替代转盘驱动机构。钻具升降采用液压缸代替卷扬机。升降平稳、速度快，可进行减压钻进，调节方便。工作平台采用油缸驱动推拉式封口平车，操作视线开阔，较之翻盖式平台更加便于操作。可实现快速装拆钻杆和钻头，是一种全液压立井钻井机械。以ZDZ4500型钻井机为例，可施工直径6.5米、深度400米的立井井筒。

根据实际地质构造、地层分布、岩层走向、倾角、完整程度、坚硬程度、地下水水文地质条件、立井设计井径、井深等技术参数，同时考虑现有钻机设备技术性能和使用情况，综合比较各种型号钻井机优缺点，合理确定立井施工采用的钻井机型号。

二、 主要钻井施工参数的选择原则

根据地层的特点，制定施工组织设计和安全技术措施，合理确定钻压、转速、扭矩、泥浆冲洗液粘度、失水量、含砂量、泥皮厚度、PH值等钻井工艺参数。施工过程中要根据现场实际情况及时调整和完善相应的钻进参数，在保证安全的前提下，获得较快的钻进速度。

1、钻压、转速的选择

钻压是钻进作业中的主要参数之一。根据地层岩石软硬程度、可钻性、钻头直径等因素综合确定。为保持立井井筒的垂直度，一般情况下钻压应满足下列要求：砂层≤300KN，粘土层≤400KN，泥岩≤350KN，砂岩≤700KN。

转速一般以控制钻头外沿切线速度为原则，可按钻头外沿切线线速度0.9 m/s ～1.3m/s确定。

2、泥浆性能参数的选择

钻头破碎下来的岩石碎屑必须及时通过泥浆循环从工作面清除，使钻头上的刀具始终直接作用在未被破碎的岩石面上，提高钻井效率。泥浆的另一个重要作用就是护壁,一方面平衡地层压力，另一方面形成泥皮，堵塞裂隙，防止片帮。为了利用泥浆有效地洗井护壁，要求泥浆有较好的稳定性、不易沉淀、失水量较少、能够形成薄而坚韧的泥皮，同时要具有良好的流动性和便于净化的性能。

造浆材料主要有黏土和各种化学处理剂。黏土应选择可塑性好，含砂量少的高岭土、膨润土、红土、胶泥等。处理剂起调整泥浆性能的作用，防止钻井中缩径、坍塌、泥包钻头等。一般使用的化学处理剂有纯碱（Na2CO3）、火碱（NaOH）、羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酰胺（PAM）等。一般情况下要求新配制泥浆的性能参数为：密度（1.15～1.25g/cm3）、粘度（22～30s）、失水量（18～22ml/30min）、泥皮厚度（≤3mm）、PH值（7～8）、含砂量（≤3%）。

三、 沉井和壁后充填

钻井法施工的立井井筒，多采用管柱形预制钢筋混凝土井壁，井壁在地面制作。待井筒钻完后提出钻头，用起重大钩将带底的预制井壁悬浮在井内泥浆中，利用其自重和注入井壁内的水重缓慢下沉。同时，在井口不断接长预制管柱井壁。接长井壁时，要注意测量，以保证井筒的垂直度。在预制井壁下沉的同时，要及时排除泥浆，以免泥浆外溢。为了防止片帮，泥浆面不得低于锁口以下1米。

当井壁下沉到距离设计深度1～2米时，应停止下沉，调整井壁的垂直度满足要求后，再下沉到底，并及时进行壁后充填注浆。

四、 泥浆固化处理及环境保护

废泥浆是一种含黏土颗粒、钻屑、各种化学处理剂的流体物质。在实际工作中首先应将从井底返出并携带大量钻屑的泥浆经过旋流除砂器进行初步机械分离。钻屑运至指定地点存放，或进行下一步处理。泥浆流回沉淀池循环利用。其次，通过添加化学处理剂并采用机械将钻屑强制固结，固结后的钻屑就地填埋。污水流入污水池，再次处理回收利用或达标排放，从而达到减量化、无害化处理的目的，保证环境不受污染。

五、 结语

钻井法钻凿立井适用范围大，机械化程度高，劳动强度低，安全可靠，质量好。随着技术装备能力的不断提高，应用范围将进一步扩大，以适应更复杂的地质条件、更大直径、更大深度的立井施工需求。要安全、高效、高质量地完成钻井任务，首先要根据地层地质条件选用适用的机械设备。第二根据地层情况及井筒直径等条件选用合理的钻进参数。第三做好沉井井壁安装和壁后注浆工作。第四采取综合处理措施，处理好钻井过程中产生的废浆，达到保护环境的目的。

[1]朱效中。钻井法施工大口径钢壁立井施工工艺[J]探矿工程（岩土钻掘工程）。2013.02

[2]吴刚、赵文平。孙庄铁矿立井钻井法凿井施工技术[J]建井技术第33卷。第3期.2012.06

[3]张永成、刘志强。钻井法凿井技术的发展与展望[J]建井技术第24卷。第2期.2003.04