钻井法凿井气-液-固耦合排渣流场及刀盘吸渣口优化

针对西部地区侏罗系地层煤矿立井钻井法施工中出现的气举反循环洗井排渣与钻进效率低下问题,以陕西可可盖煤矿中央回风立井ϕ4.2 m超前钻井为工程背景,基于CFD-DEM(计算流体力学和离散单元法耦合)研究方法,建立了气-液-固多相耦合排渣数值模型,揭示了排渣管内、井底流场的速度及压力分布规律,并基于自研的气举反循环排渣试验装置,采用PIV(粒子图像测速法)测试技术对流场分布的正确性进行验证;提出了优化刀盘吸渣口评判指标和方法,对吸渣口的数量、长径比、面积比、总面积占比进行优化,得到了超前钻头刀盘吸渣口布置的最佳方式和相关参数;讨论了钻头转速、注气量、风管没入比和泥浆黏度等主要因素对排渣流场的影响。研究结果表明:(1)排渣管内流体的运移以轴向流动为主,且途经注气端时,流速发生跳跃式剧增;井底流体的运移主要以水平流动为主,流体的垂直上返仅存在于吸渣口附近;井底流体的水平流动以切向流动为主,径向流动仅在吸渣口两侧较为明显,且远离吸渣口处,径流速度较小易产生岩屑沉积;(2)当刀盘吸渣口数量为2,长径比为0.4,面积比为1,总面积占比为1.94%时,吸渣口的布置方式最佳,且清渣率较现行吸渣口布置方式提高66%;(3)增大钻头转速可显著增强吸渣口的吸附作用,注气量、风管没入比与井底和排渣管内流体的轴向速度均呈正相关关系,低黏、低密度的泥浆易获取高流速,但携岩能力较差。研究结果可为破解侏罗系地层深大立井钻井法洗井排渣与钻进效率低下技术难题,提供有益的理论参考。

白垩侏罗系地层钻井法凿井钻井液黏度突变致因分析

在西部地区可可盖煤矿钻井法凿井过程中,穿越白垩侏罗系地层时遇到钻井液黏度突然增大的问题,严重影响了钻进速度。为此,通过实验方法探究了钻井液黏度突变的原因。实验中添加了三聚磷酸钠、羧甲基纤维素钠等外加剂以及不同层位的岩粉,并观察了钻井液黏度的变化。对比实验分析发现,三聚磷酸钠降低了钻井液黏度,而羧甲基纤维素钠增加了其黏度。添加293、391m层位的砂岩岩粉对于钻井液黏度几乎没有影响,漏斗黏度始终保持在27s左右;然而,在添加276、402m层位泥岩岩粉后,可以使钻井液黏度增大。通过XPS半定量分析相应样品以及采用XRF半定量分析和SEM电镜分析相应的钻井液发现:白垩侏罗系泥岩含有较高浓度镁元素,在该地层进行钻井法凿井时会导致Mg^(2+)浓度上升;随着Mg^(2+)浓度增加,高浓度Mg^(2+)促使蒙脱石层间阳离子与之交换并进入其空间结构中,从而引起蒙脱石絮凝程度提高并导致整体钻井液黏性增大。

西部煤矿立井钻井法智能化凿井关键技术装备研发与应用

开发西部煤炭资源是保障国家能源安全的必要措施,煤炭作为国家能源安全的“压舱石”和“稳定器”,其“兜底作用”将进一步强化。陕西延长石油矿业有限责任公司(简称延长石油矿业)在陕北拥有210亿t优质煤炭资源,是国家煤炭开发战略西移的“主力军”。目前,延长石油矿业正在建设千万吨级智能矿井集群,计划“十四五”末建成产能5000万t以上,“十五五”末产能突破1亿t,并将建设成为高水平智能化矿区和地方能源产业经济的新引擎,以及推动煤炭工业高质量发展的全国样板。

西部钻井法“一钻成井”新型高强复合井壁力学特性

针对西部地区富水弱胶结地层中深、大钻井井筒“一钻成井”支护难题,提出采用高强钢板-混凝土复合井壁新型结构。首先,以内蒙古鄂尔多斯市陶忽图煤矿北风井为工程原型,基于相似理论推导了复合井壁结构模型试验相似指标,通过正交模型试验,研究了不同井壁厚度、混凝土强度等级和钢板型号情况下高强钢板-混凝土复合井壁的力学特性。其次,采用数值模拟方法,计算分析了高强钢板-混凝土复合井壁极限承载力的影响因素及其变化规律。然后,根据模型试验与数值计算结果,构建了高强钢板-混凝土复合井壁承载力和混凝土抗压强度提高系数计算公式,并给出了各影响因素的取值范围,同时提供了该种井壁结构的工程应用设计优化方法。最后,分析了复合井壁结构中锚卡的力学作用效应。研究结果表明,在复合井壁结构中,由于高强钢板屈服强度高,可更好地对中间混凝土产生复合约束作用,混凝土抗压强度提高系数可达2.3~2.6,井壁承载力显著提高。在相同条件下,与Q345钢板相比,高强钢板(Q460~Q620)-混凝土复合井壁的极限承载力可提高7.14%~19.46%,井壁厚度可减薄8.18%~19.52%,且增大内层钢板厚度更有助于提高井壁极限承载力。复合井壁结构中锚卡约束着内钢板,使其达到屈服应力后不会过早发生屈曲失稳,同时对中间混凝土提供约束作用,保证其处于三向受压状态,2者起到很好的复合作用,有利于井壁结构整体受力。

厚基岩地层竖井钻机钻井法钻进技术参数及其速度分析

竖井钻机钻井法具有施工安全性好、机械化程度高、井壁质量好等优点,可实现打井不下井,本质安全的目标。分析了我国西部与中东部钻井地层的差异性,中东部地层基岩占比不超过20%,而西部地层基岩占比超过80%;针对西部煤系地层厚基岩特性、井筒设计和钻机能力等条件,分析并计算了厚基岩地层竖井钻机钻井直径、深度和钻进分级,提出了进风立井“一钻成井”和回风立井“一扩成井”的钻井工艺;分析了不同地层条件下机械破岩钻进的钻压、转速等技术参数及对应的钻进速度,一次全断面钻进ϕ8.5m井筒,钻头的破岩面积近56.8 m^(2),宜采用低钻压和低转速的方式钻进,而ϕ4.2m钻头超前钻孔和ϕ8.5m钻头扩孔钻进时,可适当提高钻压以达到体积破岩的目的;根据钻井工程数据实测统计,进风井ϕ8.5m全断面一次钻进深度达到491.0m,最高月进尺62.3m,回风井ϕ4.2m钻头超前钻进深度513.1m,最高月进尺110.4m,ϕ8.5m钻头扩孔钻进深度为511.0m,最高月进尺171.3m。陕北可可盖煤矿中央进、回风竖井是竖井钻机钻井法在西部煤系地层的首次成功应用,可为西部厚基岩地层竖井钻机钻井法凿井提供参考。

钻井法在可可盖煤矿中央回风立井井筒施工中的应用

钻井法凿井是以钻机驱动钻头破碎岩体,利用泥浆洗井、护壁、排碴,在井筒钻至设计直径和深度后,将提地面预制好的井壁通过漂浮下沉的方法下沉到位,然后采用胶凝材料充填固井方法进行永久支护的一种机械化凿井方法。主要应用于含水丰富,砂层、卵砾石层等不稳定地层地质条件复杂的立井井筒施工。可可盖煤矿风立井采用了钻井法施工,是该工法首次应用于西北地区。本文介绍了钻井工在法西北地区首例项目应用情况,分析总结了施工技术经验为钻井工法在西北地区推广应用提供了经验。

孔隙型含水岩层钻井法凿井壁后充填技术研究

为解决西部地区孔隙型含水岩层钻井法凿井壁后充填技术难题,开展了充填层作用机理及材料配制研究。首先,以可可盖煤矿中央回风立井为工程背景,利用Comsol Multiphysics数值计算软件进行了围岩、充填层和钻井井壁流固耦合作用分析。计算结果表明:有效应力和孔隙水压力分布曲线呈现出明显的“压降漏斗”型特征(即越靠近井筒中心,两者降低速率越快),且曲线的陡降段位于充填层区域;由此可见,在西部孔隙型含水岩层中,充填层不但具有固井和封水作用,而且还具有减载功能。然后,基于有效应力原理和达西渗流理论,提出充填层材料应具有低渗透性、较高强度和较大比重、微膨胀、不收缩,同时拌合物的流动性好、满足泵送机械化施工要求。综上,提出采用高性能水泥砂浆作为西部地区孔隙型含水岩层钻井井筒壁后充填材料。最后,通过正交试验测定了充填材料的主要物理力学性能,并采用极差分析法研究了粉煤灰与膨胀剂质量掺量对充填材料各因素指标的影响;同时,将比重、三轴抗压强度、渗透系数3者作为其性能的最终评定指标;基于综合平衡法获得水泥、粉煤灰、膨胀剂、水、砂、泵送剂等壁后充填材料的最优配合比为1∶0.286∶0.143∶2.144∶0.443∶0.0143。论文研究结果为西部地区孔隙型含水岩层钻井法凿井的壁后充填提供了工程应用基础。

深厚表土中钻井法凿井的井壁外载和结构

分析了钻井法凿井的井壁外载,特别是近年来研究厚表土层中井壁破裂机理时发现的竖直附加力.在已知外载条件下,研究了两种可行的井壁结构,即以增加井壁整体强度的"抗"型和安装竖向可缩装置的"让"型井壁结构的力学特性及适用条件.研究了安装竖向可缩装置井壁的井筒装备应采取的措施.认为当表土深度超过200m时,以安装竖向可缩装置的"让"型井壁结构为好.

钻井法凿井技术的发展和展望——小型钻井试验40周年纪念

阐述了煤矿钻井法凿井从1963年小型试验开始到目前为止40年的发展历程,并介绍了钻井工艺、钻井设备、钻井泥浆和井壁结构等方面在煤矿、铜矿、冶金、水电等部门钻井法凿井过程中所取得的技术进步,提出了存在的问题和今后的发展方向。

煤矿大直径风井反井钻井法施工技术

为了实现王台铺煤矿1#辅助回风立井的安全、快捷、经济施工,根据该立井的地质结构特点,采用反井钻井法施工技术,研究了反井钻井法的施工方法、施工工艺。实践表明,利用新型反井钻机施工煤矿大直径风井的成功经验值得借鉴。

机械钻井法施工矿山竖井预制井壁漂浮法安放工艺技术

结合河北遵化铁矿Φ5.6 m、深286 m矿山竖井工程,介绍了钻井法施工矿山竖井采用漂浮法安放预制井壁的工艺原理,以及相邻两节井壁连接时的测量方法、工艺控制和井壁安放完成后井筒垂直度的测量技术等。

“一扩成井”钻井法凿井新技术在袁店二矿的应用

"一扩成井"钻井法凿井新工艺解决了原多次扩孔钻井存在的需要多个扩孔钻头,设备占用量大,工程成本高,辅助工作时间长,工效低的问题,通过一次扩孔完成钻井井筒钻进。介绍了"一扩成井"钻井法凿井在袁店二矿的钻井参数选择、钻井直径设计等基本情况,为"一扩成井"钻井法凿井技术的推广提供了经验。

浅谈冻结法与钻井法凿井

本文介绍了深厚表土层凿井中常用的两种特殊施工方法,即冻结法和钻井法,并分析了两种方法在施工原理、设备、技术特点上的不同。

钻井法凿井废弃泥浆处理技术现状及展望

钻井法凿井是通过深厚冲积层可靠的特殊施工方法之一,但钻井废弃泥浆处理问题迄今还没有得到很好的解决。阐述了钻井废弃泥浆给环境带来的不利影响,介绍了目前处理废弃泥浆的3种方法,对废弃泥浆处理技术发展趋势进行了初步分析。

钾盐矿钻井法施工中壁后充填材料试验研究

钻井法凿井技术在淡水环境中的应用已非常成熟,但在高浓度盐水环境中的应用在国内尚属空白。本文通过试验对盐水环境下壁后填充材料的力学性能和强度发展规律进行研究,可为钾盐矿采用钻井法凿井施工提供借鉴。

钻井法凿井壁后充填对竖向附加力的影响

钻井法凿井由于它的工艺特点，井壁悬浮下沉安装后，与地层之间大部分隔着１层粘结性很差、强度很低的水泥浆充填物或呈饱和状态自然堆积的碎石与泥浆的混合物，它与井壁之间的摩阻力小于其它方法施工的井筒与地层之间的摩阻力。通过模型试验数据，论述了不同壁后充填条件下井壁与地层之间摩阻力的大小，提出了在充分考虑井筒延深或开凿马头门安全的前提下，应根据地层条件进行合理的充填段划分，并采用相应的充填材料和工艺，以减小地层下沉作用于井壁的竖向附加力。

钻井法与冻结法凿井技术对比研究

在厚度达百米以上表土不稳定含水地层中建设竖井井筒,为了保证开凿围岩的稳定,必须采取特殊的方法进行施工。地层冻结法和钻井法是深厚表土不稳定含水地层中施工井筒的有效方法。本文分别进行了介绍并进行比较。

提高钻井法凿井测井仪的超声测距可靠性

介绍 SD- 2 A型钻井法凿井测井仪的结构和工作原理 .为解决提高仪器可靠性和技术指标的关键技术 ,即超声波在大相对密度非均匀泥浆介质中的可靠测距问题 ,设计一套超声波数字信号采集系统 .对大相对密度非均匀泥浆介质中的超声测距信号 ,进行傅立叶频谱分析和成分分析 .在此基础上 ,提出超声测距信号处理的几种方法 ,即频域滤波法和自相关法 ,给出提高超声测距可靠性的硬件设计 ,实现在泥浆相对密度为 1.3的介质中的可靠测距 .

浅析深厚冲积层钻井法凿井的关键技术

鉴于国投新集能源股份有限公司板集矿井井筒建设过程中将要穿过580m以上的巨厚冲积层,且井筒直径又大,当采用钻井法施工时,必须要针对钻机性能,对泥浆护壁、井壁结构、漂浮下沉和充填固井等方面的关键技术问题进行研究。

我国煤矿钻井法的发展与拓宽

我国煤矿钻井法自６０年代末钻成第一口风井以来，已相继钻成４７口主、副、风井，累计钻进万余米。采用国产钻井机钻成直径９．３ｍ，钻深过５００ｍ的井筒。钻井机及钻井工艺也有了相应的发展。随之发展的反向凿井的设备和技术，以及大型桩基开凿技术装备及工艺，两者均达到了国内先进水平．