一种大孔径钻孔穿越巨厚含水层施工工艺的制作方法

本发明涉及矿山技术领域，具体为一种大孔径钻孔穿越巨厚含水层施工工艺。

背景技术：

根据矿井开拓布局以及排水需要，矿井有时需要从地面打设专用直排钻孔用于矿井排水管路的布置。对于部分矿区来讲，从地面打设贯通至井下巷道，会遇到复杂的地质条件，尤其是洛河组地层。洛河组地层分布广泛、厚度大，岩层主要为棕红色中粗粒砂岩和砾岩组成，胶结比较松散，地层中夹多层砾岩，砾岩成分主要为花岗岩、石英岩及其他变质岩，砾径在100～200mm，可钻性差，在该地层施工时非常困难。作为含水层，洛河组地层含水丰富，钻进施工时泥浆性能多变且难以维护，使用的泥浆粘度过高，孔壁泥皮厚而强度低，在地层压力、起下钻过程中抽吸力和冲击力的作用下，泥皮大面积脱落，多次造成起、下钻遇阻现象。泥浆粘度过低时，又造成了失水量增大、泥浆漏失和孔壁坍塌掉块等，孔内难以形成稳定的泥皮保护孔壁。洛河组地层的砂岩、砾岩成交互层状出现，岩层软硬不均，需频繁更换钻头，不仅钻探工艺复杂，而且极易造成钻孔弯曲、钻具折断、脱扣等孔内事故。洛河组上部以砾岩为主，部分为泥质胶结，粒径不均，多为长石砾岩，坚硬、胶结较差，在钻进过程中易发生掉块，同时砾岩层出现探头石，导致套管下放不到位，为钻孔施工带来很大风险。

其次在导向孔施工过程中，巨厚洛河组段砂岩渗透性强，泥浆失水严重，孔内形成虚泥饼，起下钻遇阻情况严重，需要反复冲扫，每30～50m进行一次短起下消除粘钻隐患。730～770m岩性为中、粗粒砂岩，成分主要为石英，泥质胶结，钻头泥包较为严重，钻进进尺难度大。直罗组地层存在坍塌、掉块的可能，延安组会出现不同程度缩径现象，孔内会出现卡钻、粘钻、埋钻事故，因此，针对上述问题提出一种大孔径钻孔穿越巨厚含水层施工工艺。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大孔径钻孔穿越巨厚含水层施工工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大孔径钻孔穿越巨厚含水层施工工艺，先施工一个导向孔，施工方法采用复合片钻头钻进工艺，使用无线随钻跟钻监测孔斜并纠斜，其次采用分级扩孔施工：一开井段使用复合片钻头开孔，然后采用五种组合牙轮钻头分五级扩孔，使孔径达到需求规格，孔内下入螺旋管，水泥固井并候凝；二开井段使用复合片钻头进行导正孔施工，然后依次使用四种复合片钻头或组合牙轮钻头分四级扩孔，使孔径最终达到设计孔径，孔深达到设计孔深，顺孔后，下入工作管，水泥固井并候凝。

优选的，钻孔一开施工终孔孔径φ1300mm，孔深30.00m，下入φ1100*14mm螺旋焊管29.00，钻孔二开施工终孔孔径φ950mm，完钻井深813m，全孔下入φ720mm直缝管。

优选的，钻孔一开施工主要目的是封隔第四系粘土、砂层和砾石层，钻孔一开终孔φ1300mm孔径结束，孔深为30.00m，下入φ1100*14mm螺旋焊管29.00m，环状间隙用p.042.5#普通硅酸盐水泥封固、水泥浆返出地面。

优选的，钻孔二开施工终孔孔径φ950mm，设计孔深808m，实际完钻井深813m，孔内下入φ720mm直缝管，二开φ215.9mm导正孔，井深818m，导正孔施工采用无线随钻测斜仪实时监测孔斜，根据孔口坐标及现场全井测斜数据推算，钻孔孔底深808m位置南北位移δx＝+2.062m，东西位移δy＝-0.300m，闭合位移2.084m，闭合方位351.732°，达到设计要求。钻孔经过φ311mm、φ550mm、φ850mm、φ950mm扩孔，最后扩至孔深813m后钻孔施工结束，孔内下入φ720mm×32mm直缝管279m、φ720mm×24mm直缝管534m，共计813m，直排钻孔直缝套管用42.5#复合硅酸盐水泥240吨全封闭固井，水泥浆返出地面。

优选的，钻孔一开为0～30m，施工场地位于泾河漫滩，钻遇地层为河流冲积物，以河卵石、淤泥、流沙层为主，施工中预防涌水塌孔、埋钻为主要目的，要兼顾排砂和流动性能，所需钻井液泥浆的配方为清水+5～7％膨润土+0.2％纯碱+0.3％烧碱+1％防塌防卡剂+1％水解聚丙烯腈铵盐+10～20％石灰石粉+0.5％纤维素，所需要达到的性能指标为密度1.15～1.25g/cm3，漏斗粘度35～50s，失水≤20ml，泥皮厚度≤1.5mm，ph值8～10，含沙量≤6％。

优选的，钻孔二开为30～813m，钻遇地层为白垩系(泾川组、罗汉洞组、环河组、华池组、洛河组)、侏罗系(安定组、直罗组、延安组)、三叠系胡家村组，终孔位置为三叠系胡家村组。直罗组地坍塌掉块严重，延安组砂岩易缩径，对钻孔施工易造成不利影响，所需钻井液泥浆配方为清水+5～7％膨润土+0.2％纯碱+0.2％烧碱+1～2％防塌防卡剂+1～2％水解聚丙烯腈铵盐+15～25％石灰石粉，所需要达到的性能指标为密度1.17～1.27g/cm3、漏斗粘度30～45s、失水≤15ml、泥皮厚度≤1mm、ph值8～10、含沙量≤4％。

优选的，针对于钻孔深度的不同，使用不同的工作套管，孔深0～534m下入φ720×24mm的直缝管534m，重219.97t；孔深529～813m下入φ720×32mm的直缝管279m，重151.47t(其中孔深641.5～654m下入浮力塞12.5m)；套管总重379.14t(其中水泥塞重7.7t)。

优选的，套管安装采用采用坡口满焊加强筋焊接方式，利用自制的套管管口对接扶正卡，保证套管同心，确保焊缝密实、牢固，加强筋每个连接点共四道，长度100mm，宽度60mm，厚度20mm，筋板材质同管材，加强筋均匀分布，加强筋钢板坡口与管路采用连续焊缝焊接；下管提吊方法为φ1100mm×14mm表层护壁套管采用割孔穿杠钢丝绳牵引提吊的下管方法，在管口上端0.5m处对称切割φ160mm圆孔，穿杠用钢丝绳连接游车大钩，起吊井管，井管对接后抽出穿杠，将切下的圆板填入割孔内焊牢，然后在割孔外补焊方板加强块，利用自制的管口对接扶正器，结合使用电子经纬仪，保证上下套管管口合缝、同心，φ720mm工作管路下管方法同上。

优选的，固井施工的方法为：

第一步、循环冲孔：开泵循环泥浆，检查封闭效果，若管内无异常现象，管外泥浆流畅，即达到灌注水泥浆要求；

第二步、排气：固井前向工作管内注清水，打开井口压力表，排空套管内空气；

第三步、注隔离液：注入清水20m3作为隔离液，以达到隔离泥浆和水泥浆以及冲洗套管壁和井壁的作用；

第四步、制浆泵浆：施工固井车固井时，灰罐车下灰入固井车配制水泥浆，并连续测量比重达到1.65g/cm3时，由固井车将水泥浆泵入井内，直至地面返浆，停泵；

第五步、替浆：分别用清水替出钻具与套管内的水泥浆；

第六步、取样：固井施工过程中对水泥浆进行取样。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中，本专利的目的是发明一种穿越巨厚洛河组含水层的大孔径钻孔施工工艺，以便确保矿井直排钻孔快速安全的穿越洛河组含水层。

附图说明

图1为本发明钻进参数表示意图；

图2为本发明固井工艺流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：

一种大孔径钻孔穿越巨厚含水层施工工艺，先施工一个导向孔，传统大口径直排钻井井身力求垂直，否则不仅会给钻进中造成困难，而且对套管的下入造成困难，本工程采用无线随钻定向钻进技术，目的就是为了防斜，力求钻孔垂直，保证成孔质量，在发现导向孔偏离预定轨迹时，采用无线随钻定向钻进技术进行纠斜，保证成孔质量，施工方法采用复合片钻头钻进工艺，使用无线随钻跟钻监测孔斜并纠斜，其次采用分级扩孔施工：一开井段使用复合片钻头开孔，然后采用五种组合牙轮钻头分五级扩孔，使孔径达到需求规格，孔内下入螺旋管，水泥固井并候凝；二开井段使用复合片钻头进行导正孔施工，然后依次使用四种复合片钻头或组合牙轮钻头分四级扩孔，使孔径最终达到设计孔径，孔深达到设计孔深，顺孔后，下入工作管，水泥固井并候凝。

钻孔一开施工终孔孔径φ1300mm，孔深30.00m，下入φ1100*14mm螺旋焊管29.00，钻孔二开施工终孔孔径φ950mm，完钻井深813m，全孔下入φ720mm直缝管，一开钻井段，以第四系覆盖层和基岩风化带段为主，由于覆盖层主要以第四系松散层为主，施工孔径较大，防斜、止涌和维护好井壁不垮塌是施工技术关键；钻孔一开施工主要目的是封隔第四系粘土、砂层和砾石层，钻孔一开终孔φ1300mm孔径结束，孔深为30.00m，下入φ1100*14mm螺旋焊管29.00m，环状间隙用p.042.5#普通硅酸盐水泥封固、水泥浆返出地面；钻孔二开施工终孔孔径φ950mm，设计孔深808m，实际完钻井深813m，孔内下入φ720mm直缝管，二开φ215.9mm导正孔，井深818m，导正孔施工采用无线随钻测斜仪实时监测孔斜，根据孔口坐标及现场全井测斜数据推算，钻孔孔底深808m位置南北位移δx＝+2.062m，东西位移δy＝-0.300m，闭合位移2.084m，闭合方位351.732°，达到设计要求。钻孔经过φ311mm、φ550mm、φ850mm、φ950mm扩孔，最后扩至孔深813m后钻孔施工结束，孔内下入φ720mm×32mm直缝管279m、φ720mm×24mm直缝管534m，共计813m，直排钻孔直缝套管用42.5#复合硅酸盐水泥240吨全封闭固井，水泥浆返出地面，二开钻井段，根据地层软硬变化调整钻进参数、防斜、防漏失、防涌水、防止缩径、防止钻孔坍塌、工作套管的顺利下入与固井技术是施工技术关键；钻孔一开为0～30m，施工场地位于泾河漫滩，钻遇地层为河流冲积物，以河卵石、淤泥、流沙层为主，施工中预防涌水塌孔、埋钻为主要目的，要兼顾排砂和流动性能，所需钻井液泥浆的配方为清水+5～7％膨润土+0.2％纯碱+0.3％烧碱+1％防塌防卡剂+1％水解聚丙烯腈铵盐+10～20％石灰石粉+0.5％纤维素，所需要达到的性能指标为密度1.15～1.25g/cm3，漏斗粘度35～50s，失水≤20ml，泥皮厚度≤1.5mm，ph值8～10，含沙量≤6％。

钻孔二开为30～813m，钻遇地层为白垩系(泾川组、罗汉洞组、环河组、华池组、洛河组)、侏罗系(安定组、直罗组、延安组)、三叠系胡家村组，终孔位置为三叠系胡家村组。直罗组地坍塌掉块严重，延安组砂岩易缩径，对钻孔施工易造成不利影响，所需钻井液泥浆配方为清水+5～7％膨润土+0.2％纯碱+0.2％烧碱+1～2％防塌防卡剂+1～2％水解聚丙烯腈铵盐+15～25％石灰石粉，所需要达到的性能指标为密度1.17～1.27g/cm3、漏斗粘度30～45s、失水≤15ml、泥皮厚度≤1mm、ph值8～10、含沙量≤4％。

针对于钻孔深度的不同，使用不同的工作套管，孔深0～534m下入φ720×24mm的直缝管534m，重219.97t；孔深529～813m下入φ720×32mm的直缝管279m，重151.47t(其中孔深641.5～654m下入浮力塞12.5m)；套管总重379.14t(其中水泥塞重7.7t)。

套管安装采用采用坡口满焊加强筋焊接方式，利用自制的套管管口对接扶正卡，保证套管同心，确保焊缝密实、牢固，加强筋每个连接点共四道，长度100mm，宽度60mm，厚度20mm，筋板材质同管材，加强筋均匀分布，加强筋钢板坡口与管路采用连续焊缝焊接；下管提吊方法为φ1100mm×14mm表层护壁套管采用割孔穿杠钢丝绳牵引提吊的下管方法，在管口上端0.5m处对称切割φ160mm圆孔，穿杠用钢丝绳连接游车大钩，起吊井管，井管对接后抽出穿杠，将切下的圆板填入割孔内焊牢，然后在割孔外补焊方板加强块，利用自制的管口对接扶正器，结合使用电子经纬仪，保证上下套管管口合缝、同心，φ720mm工作管路下管方法同上。

固井施工的方法为：

第一步、循环冲孔：开泵循环泥浆，检查封闭效果，若管内无异常现象，管外泥浆流畅，即达到灌注水泥浆要求；

第二步、排气：固井前向工作管内注清水，打开井口压力表，排空套管内空气；

第三步、注隔离液：注入清水20m3作为隔离液，以达到隔离泥浆和水泥浆以及冲洗套管壁和井壁的作用；

第四步、制浆泵浆：施工固井车固井时，灰罐车下灰入固井车配制水泥浆，并连续测量比重达到1.65g/cm3时，由固井车将水泥浆泵入井内，直至地面返浆，停泵；

第五步、替浆：分别用清水替出钻具与套管内的水泥浆；

第六步、取样：固井施工过程中对水泥浆进行取样。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。