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山东平邑石膏矿矿难大口径救援钻孔施工技术

发布时间:2018年01月02日
来源:探矿工程在线 作者:杨涛,杜兵建

摘要:2015年“12.25”平邑矿难钻孔救援是我国首例通过钻孔救生的成功案例。由于地层不断坍塌变形,导致了复杂地层条件的产生,给救援钻孔的施工带来极大困难。针对这一特殊情况,采用空气反循环钻井工艺技术,处理钻孔事故时采用气举反循环工艺技术。总结了大口径钻孔施工经验,对今后施工大口径救援钻孔提出有待改进的问题和建议。

 

关键词:平邑矿难;钻孔救援;大口径救援钻孔;救生孔;钻具组合;空气反循环;气举反循环

 

2015年12月25日,山东省临沂市平邑县玉荣石膏矿采空区发生坍塌事故,引发矿震(震级4.0级),29名矿区被困井下。事发当天实施巷道掘进救援,救出11名矿工,发现1名遇难矿工遗体。由于井下大面积坍塌,巷道水位不断上升,26日开始实施地面钻探救援方案。共钻7个钻孔,其中1256号是小口径探测孔,347号是大口径救生钻孔。5号大口径救生钻孔钻进220m并最终完成救人目的。

 

1  矿区地层地质概况及矿体开采现状

矿区底部石膏矿体厚度10~20m,顶底板为含砂质泥页岩层。地表有1~2m耕植土,下覆5~10m紫红和黄色分化层,基岩为石灰岩地层,岩溶裂隙发育,存在溶洞。120~207m为砂质泥岩,地层较破碎,中间有簿层石膏体,夹泥质灰岩层。207m以下到巷道底部225m为石膏矿体。矿体平面布置及救援钻孔布置见(图1)

 

1  石膏矿矿体平面布置及救援钻孔布置

 

2  使用设备及钻进工艺

使用装备:所用钻机是德国宝峨公司生产的RBT90型钻机和美国雪姆公司生产的T200型钻机。

 

钻孔设计及变更:一开孔径1000mm,深1m,下φ800mm护筒。二开用φ711mm潜孔锤钻到205m,下φ660mm套管固井,最后15m用φ600mm钻头透巷完井,再使用φ600mm救生舱救人升井。由于地层不稳定和结构变化,实际施工中钻孔设计做了变更(见图2)。一开采用旋挖钻机钻进φ1250mm、深度8m的孔口,下φ1200mm护壁管;二开继续用旋挖钻机钻进φ1000m、深度到54m,下φ850mm套管固井;三开采用φ711mm潜孔锤钻头,钻深195m,下φ600mm套管,下深185m,固井;四开采用φ580mm潜孔锤打到底,因没有打导向孔未直接透巷,在井下被困人员的配合下施工找到救生孔。因φ580mm孔段无法再下护壁套管,只得采取绳索直接升井。


 

2  救生钻孔施工示意


钻具组合:1)旋挖钻机的钻具组合。一开φ1250mm旋挖钻头接φ316mm旋转钻杆,钻压100 kN;二开φ1000mm旋挖钻头接φ316mm旋转钻杆,钻压150kN。(2)潜孔锤钻具组合。三开φ711mm潜孔锤钻头+φ680mm扶正器+φ279mm双壁钻铤+φ219mm双壁钻杆,接空气反循环动力头;四开φ580mm潜孔锤钻头+φ279mm双壁钻铤+φ219mm双壁钻杆,接空气反循环动力头。

空气反循环钻进工艺:空压机最大排气量为3.4MPa(二挡),最小2.4MPa。在施工φ711mm大口径潜孔锤钻进时使用3台,在最后施工φ580mm钻孔时使用5台。

气举反循环钻井工艺:应用空气反循环钻井工艺后,钻速提高到平均4m/h,最高达到8m/h。钻进到174m时,因地层不稳定,发生坍塌埋钻事故,钻头埋深14m左右,采取气举反循环工艺技术处理被埋钻头。在钻孔中安装一根长162m、φ50mm的混合出渣金属管路,一根φ25mm的高压橡胶管路,在金属管头4m位置开口与像胶管焊接连通,在钻孔内注入清水,与沉淀池形成水力循环工作程序,成功处理埋钻事故。

 

3  救援效果

1)大口径救生钻孔是特殊矿难灾害救援的快捷手段。本次矿难救援如果时间再延长半个月或者10天,井下水位有可能上升淹没被困人员,巷道坍塌也可能会把他们置于更加危险的境地。所以采用大口径救生孔,使用先进快速的钻进工艺和施工技术,是矿难救援的有效手段。

2)实现了大口径救生钻孔空气潜孔锤反循环钻进。使用¢265mm双壁反循环钻杆, 530m3的空压机,配套使用泡沫泵以12 L/min的速度向空气中注入泡沫剂。这在我国大口径救援钻孔施工中是首次使用,其优点是钻进速度快,方法简单,工艺先进。

3)旋挖钻进与潜孔锤的组合应用提高了复杂条件下的钻进效率。在矿难救援中,把旋挖钻进和空气潜孔锤钻进相结合还是首例,不仅解决了循环介质在复杂地层中的钻进困难问题,而且提高了救生钻孔的施工效率,实现了极复杂地层地质条件下的钻进成孔。

 

4  有待改进的问题

1)大口径救生钻孔应施工导向孔。2、6、7号钻孔都准确透巷,是因为采用了定向钻井装置对钻孔轨迹进行了监测。5号大口径救生孔由于没有使用定向设备先打导向孔,发生偏斜未能直接透巷。所以施工大口径救生孔须先施工导向孔。

2)提升舱应考虑制作不同规格。本次施工提升舱按φ600mm准备,由于地层复杂,不得已下入φ600mm套管,将提升舱改为φ540mm,重新设计加工,给紧张的救援工作增加了新的工作程序。最后因φ600mm套管下放卡在台阶上,提升舱受阻而不能使用,采取绳索直接提人升井。

3)复杂地层地质条件下的大口径钻进工艺有待改进。本次施工中,浅部松散破碎的地层给大口径空气潜孔锤钻进工艺带来了诸多困难。第四系松散地层和基岩地层中的破碎带,导致钻孔发生孔壁坍塌而埋钻。应进一步加强对“大口径跟管护壁钻进”的研究与试验, 

4)救援队钻井设备配套有待完善。由于过去未施工过大口径救生钻孔,钻具配套比较陌生,按照钻孔设计和钻机能力选配的钻具有待调整:钻机动力头装置结构需改进,使其满足空气正循环与反循环互相转换。第四系松散地层施工中,开孔孔径大于1m的钻孔应配备护壁钻置,避免塌孔事故。完善大口径救生钻孔的系列钻具。开孔用φ1200mm牙轮组合钻头,配合跟管钻进工艺,解决孔壁不稳定问题。配备4φ655mm扶正器,预防钻孔偏斜及提高钻进效率。


原文链接:

中国知网

http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CJFQ&dbname=CJFDLAST2017&filename=TKGC201705004&v=MzEzNDdTN0RoMVQzcVRyV00xRnJDVVJMMmVaZWRxRnkvZ1Zyck1NU2JNYmJHNEg5Yk1xbzlGWUlSOGVYMUx1eFk=

本刊官网

http://jour.tkgc.net/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160453&flag=1

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