利用长距离悬空钻杆导向管钻孔技术应用研究

1 悬空钻孔技术方案的提出

文家坡矿井排矸立井设计长度700m，现已施工至287m位置，到达黄土层与洛河组砂岩层结合处，井筒进入洛河组后，涌水量由20m3/h急剧增大，最大涌水量115m3/h以上，每天排水时间累计8h左右，加之泥沙进入水泵，导致水泵磨损加剧，维修水泵时间每天在3h左右，大大降低了掘进速度，并且在井壁浇筑混凝土时，工作面积水进入模板，带走混凝土中的部分水泥，降低了井壁永久支护强度，增大了后期井筒壁后注浆和井筒装备难度。

为有效解决以上问题，结合风井已经到底排水系统即将完善的有利条件，提出从排矸立井工作面施工垂直钻孔至井筒下口，从井下施工短距巷道贯通钻孔，将排矸立井井筒涌水导流至井下排水系统，再利用风井将水排至地面的方案。由于排矸立井净直径只有6.5m，井筒掘进工作面空间狭小，无法布置钻机，只能布置在井筒上口;在井筒上口布置钻机存在如何通过已施工287m井筒进行钻进的问题，针对这一情况，提出利用长距离悬空钻杆导向管钻孔技术进行打钻，即采用钢管作为钻杆导向管，钻杆在导向管内悬空模拟钻孔环境进行泥浆循环的打钻方法，悬空钻杆导向管钻孔及排水系统示意图如图1所示。

2 悬空钻孔施工方案设计

1)定位。钻孔中心的位置设计在正东方向沿井壁向南偏移700mm。首先在封口盘上找出该点位置，用手电钻在封口盘的花纹钢板上开一个Φ3.2mm的孔，然后从轮盘平台下放中线，移动中线支架使中线垂直穿过该孔，将中线支架焊在天轮平台上，防止中线移动。稳固孔口管，固定导向管均以中线为标准。

图1 悬空钻杆导向管钻孔及排水系统示意图

2)导向。井下工作面预先埋设孔口管，打1.5m混凝土作为止浆垫，上面再浇筑长为1.4m、宽为1.4m、高为1.5m的长方体混凝土稳固孔口管。浇筑混凝土前要把孔口管用U型卡、卡座和树脂锚杆与井壁进行连接。

由于井筒已施工287m，地面施工钻孔时，井口至井下工作面之间的钻杆，长距离无横向支承，钻孔工作难以实施。因此，经论证拟从地面井口东部偏北沿井壁安装一路Φ325mm×12mm钢管，作为钻杆的导向管。导向管采取井壁固定的方式敷设，下端与孔口管焊接。

3)打钻。打钻过程中，每20m进行一次测斜，直至与井下巷道贯通。

4)排水。钻孔钻好后，下放排水管与井下排水系统对接排水。排水管采用支架支撑的方式固定。

3 悬空钻孔技术施工

3.1 钻孔施工前准备工作

3.1.1 孔口管

1)在井底合适的位置，在1m直径的圆周内，用风锤密布钻孔，中心打掏槽孔，用风锤和风镐挖好孔口管窝。孔口管窝的深度不应低于1.5m。

2)将加工好的孔口管(Φ425mm钢管制作)，按预先确定好的位置进行稳固，然后与井壁使用螺旋锚杆和U型箍(10mm钢板制作)进行固定。

3)浇筑混凝土:所用混凝土的标号不应低于井筒施工用混凝土标号。浇筑混凝土时，必须边灌注，边进行捣振，并防止孔口管偏斜。

4)浇筑混凝土至少5d后，方可进行打钻工作。

3.1.2 导向管安装

为了便于固定导向管，决定将钻孔开孔位置选择在井筒的内边沿处，将导向管用钢丝绳进行悬吊，并用特制的管卡把导向管固定在井壁上。

1)导向管下放使用2JZ－25/1300稳车缠绕Φ36mm钢丝绳(左右旋各一)悬吊下放，待整个导向管下放完毕后，用夺钩绳(两根Φ36mm钢丝绳，30m长，Y－36钢丝绳卡28付)固定在钻机底盘钢梁上。导向管安装示意图如图2所示。

2)导向管连接使用内径325mm、长度250mm、壁厚大于10mm的套管在封口盘上进行焊接。焊接好一个套管，下放一节导向管，依次循环，直至导向管与孔口管连接位置。待整个导向管下放完毕，导向管通过U型卡子、卡座和树脂锚杆与井壁连接，每隔2m采用特制卡子与井壁固定牢靠，每节导向管使用2付管卡，遇到套管处，管卡固定位置距套管200mm，下部100m再加固12道工字钢梁进行固定，确保导向管能够承受因钻杆摆动时产生的撞击。

3)导向管安装完毕后，应在封口盘上对导向管管口进行稳固。

4)导向管上端设置三通以便泥浆流出。待钻孔结束下放漏水管后，使用清水冲洗漏水管内泥浆。导向管下端安设Φ40mm的高压球阀，以便排水。

3.1.3 井架平台改造

由于井口空间有限，无法正常搭设钻机井架，结合现场环境，对井架天轮平台和钻机固定方式做了相应改造。

1)天轮平台。在天轮平台上重新布置钢梁悬吊滑车，安装定滑轮组，悬吊钻杆，实现钻杆起、吊动作。

图2 导向管安装示意图 (mm)

2)钻机平台。井口布置钻机需要设置钻机工作平台，钻机平台使用工字钢搭设，钻机平台基础浇筑长为3m、宽为1.6m、高为1.7m的C40混凝土。混凝土里埋设160#槽钢与钻机平台焊接，再在钻机平台下方开挖浇筑两条长为2m、宽为2.5m、高为1.5m的C40混凝土，内部预埋若干圆钢，和钻机平台进行焊接用作加固钻机，确保钻机在起吊钻杆时不会被拉翻。

3.1.4 设备机具选择

1)根据排水需要，设计钻孔深度为456.45m，孔径190mm。钻孔内安装Φ159mm钢制筛管。通过设备选型最终确定了钻机等设备型号，具体情况见表1。

表1 主要设备情况一览表

2)为保证钻孔垂直度，防止孔斜，主钻具采用Φ89mm钻杆，钻铤用Φ159mm的4～5根，同时能保证JDT－5A型陀螺测斜仪在钻具内沿导向管测斜。钻具组合采用:立轴+Φ89mm钻杆+Φ159mm钻铤+Φ190mm复合片钻头。

3.1.5 其它

1)泥浆沉淀池。由于钻孔采取泥浆护壁，因此，地面在排矸池设置临时泥浆沉淀池。

2)排水管采用Φ159钢管，下管前，应对泄水管进行制孔，并将连接套管与管子的一端提前焊接好，以减少下管时间。

3)由于井筒内有吊盘、井口有封口盘等，这些设施影响钻孔布置。因此应对吊盘、封口盘和二台进行改造，即把对钻孔施工有影响的部位进行开孔切除，切除部分待钻孔完毕后要进行恢复;为防止切除部分坠落，提前对切除部分进行连接。

3.2 钻孔施工

3.2.1 开孔

开孔前要对钻机认真找正，安装稳固、周正，使转盘中心、钻孔中心和游动滑车提升中心重合，确保开孔垂直度。开孔是保证钻孔垂直度的关健。为确保开孔的垂直度，开孔钻进过程中采用轻压、慢转。钻机转数控制在48～69r/min，钻压控制在500kg以内。

3.2.2 钻进参数

钻头选用Φ190mm复合片钻头，采用一径到底的钻孔结构，孔径为190mm。为确保将钻进过程中钻杆对导向管的扰动降到最低，对不同阶段不同地层的钻进参数做了严格的规定。根据地层情况合理的选择钻进参数，钻进参数表见表2。

钻进时给压均匀，根据地层情况合理掌握钻压、转速和泵量。砂层中转速快给进，粘土层中转速慢给进，防止快进时泥包钻头;基岩应高钻压低转速。控制孔底钻压为钻铤在孔内总重量的75%～80%，采用悬吊钻进，以防钻杆产生较大的横向扭矩。下钻接近孔底时，缓慢下放，严禁墩钻，用新钻头时应轻压慢转30min后，再逐步加大钻压正常钻进，起钻时应及时向孔内补充泥浆，预防塌孔。

表2 钻进参数表

3.2.3 钻孔防斜、测斜与纠斜

1)陀螺测斜。测斜选用JDT－5A型陀螺仪测斜。正常钻进每20m布置一个测点，根据具体情况，测点可适当调整。表土层与岩石交界面另布置一个测点，易偏地段增加测点。陀螺仪测斜同一点，必须上下复测，发现疑点要重新测量，确保测斜资料的可靠性。

2)钻孔纠斜。①使用液动螺杆钻具进行纠斜，定向纠斜钻具组合: 钻头→螺杆钻具→弯接头→钻铤→扶正器→钻杆→立轴;②下钻前认真检查钻具，根据测斜所得数据进行准确定向，打印记号;③选择合适的钻头和喷嘴直径，动力钻具在孔口试运转，正常后下入孔内;④用螺杆钻具纠斜前，应充分循环并调整好泥浆性能，含砂量小于1%;⑤下螺杆钻具中，应将每根钻具用双钳加力紧扣;⑥安装防反转器，防止定向纠斜钻进中钻具转动;⑦定向纠斜钻进中加压、送钻要均匀，使用推荐的钻进参数;⑧纠斜过程中，每钻进约8m，进行测斜，了解顶角和方位角的变化，检查纠斜情况。

3.2.4 防泥浆冲壁技术

由于长距离悬空钻杆导向管长287m，如果通过导向管循环泥浆，其下部的泥浆压力达3MPa左右，距离井筒工作面较近的井壁将要承受高压泥浆的冲击，有可能出现泥浆跑漏或冲坏井壁的情况。为解决泥浆循环与高压泥浆冲击井壁的矛盾，提出了多种防泥浆冲壁技术方案，首次试钻失败后，经过现场分析，决定改变泥浆循环方式，由于井筒有两个吊桶，打钻每小时需要循环泥浆25～30m3，用两个吊桶每小时提升泥浆35～40m3，在导向管下部7m处安装一个阀门，将钻孔循环出来的泥浆通过阀门放到井底工作面，再由吊桶将泥浆提升至地面泥浆池形成循环，理论上可以满足打钻泥浆循环需要。经过现场施工证明，利用吊桶循环泥浆完全可行，解决了泥浆对井下井壁的高压冲击，确保了井壁的安全;同时由于泥浆不需要通过导向管，即使钻杆将导向管局部磨穿，也不会出现漏浆停钻的现象。

4 悬空钻孔技术的应用效果

经过一系列的技术攻关与方案调整，解决了制约长距离悬空钻杆导向循环技术的瓶颈，在实际的打钻过程中，取得了良好的效果。

1)钻孔施工进度。钻孔总长度458m，钻进工期仅用15d，平均30.5m/d。

2)偏斜率的控制。钻孔开孔位置与终孔位置偏斜率为2.29‰，垂直投影距离1.708m，且偏向井中，满足设计要求。

5 结语

利用长距离悬空钻杆导向管钻孔技术在排矸立井泄水孔施工中的成功应用，大大降低了后续井筒施工的难度，提高了井壁质量，缩短了后期壁后注浆封水工期，给后期井筒装备打下了良好的基础，经济效益显著，同时也是国内长距离悬空打钻的一次技术突破，为在特殊条件下长距离悬空打钻积累了宝贵的经验，具有较好的社会推广价值和现实意义。