冻结立井井筒机械化掘进现状及发展趋势

针对我国“富煤贫油少气”的能源赋存结构及煤炭未来一段时间将长期占据能源消耗主导地位的特点,回顾了我国煤炭井工开采领域冻结立井井筒机械化掘进发展历程。钻爆法凿井作为我国立井井筒施工的主要工法,炸药的应用大幅提高了冻结井筒的掘进效率,配套的伞钻打孔、抓岩机装岩、大型井架及设备提升、大模板砌壁等大型机械化设备的应用,大幅提高了井筒成井速度;竖井钻机、反井钻机及竖井掘进机作为特殊地层条件下立井井筒特殊凿井方式,也有各自应用范围。面对我国西部富水弱胶结地层特点及智慧矿山发展趋势,采用冻结+钻爆法施工难以满足千米级弱胶结岩层立井井筒智能化无人化的建设需求,而采用冻结+竖井掘进机钻井是未来超深立井井筒技术发展方向之一。结合国外冻结+竖井掘进机凿井工程案例,针对我国西部富水弱胶结岩层立井井筒建设,提出了冻结+竖井掘进机凿井在冻结壁厚度和强度设计理论、双层钢筋混凝土井壁永久支护、低温环境下竖井掘进机掘进破岩形式以及分级上排渣方式等冻-掘-支-运协同作业方面提出了合理化建议;明确了井壁结构与弱胶结围岩相互作用机理,优化双层井壁结构方法,构建竖井掘进机掘-支-运同步作业模式等,提升井筒建设综合效率,提高信息化水平,推动立井井筒向机械化、绿色化和智能化发展。

基于地面定向钻孔注浆的煤矿立井钻井法井壁渗漏水治理技术

煤矿钻井井壁为单层结构,在深厚表土层段其渗漏水将严重威胁矿井安全生产,建井阶段井壁接茬部位若存在施工缺陷,则会导致地下水腐蚀锈穿接茬部位金属及焊缝,造成井壁渗漏水,若不及时治理,易引发突水溃砂而酿成淹井事故。为探寻一种行之有效的治理技术,以许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理为工程背景,开展了煤矿钻井井壁渗漏水治理技术研究。首先,结合矿井水文地质特征等信息分析了钻井法单层井壁渗漏水致因,发现许疃煤矿副井井壁接茬处发生渗漏水的主要原因是地下水中的HCO_(3)^(-)、Cl^(-)共同作用腐蚀锈穿井壁接茬部位后,含水层之间越流补给的高压地下水通过孔隙连通性良好的壁后碎石充填层流入井筒内;然后,对比分析了许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理采用壁后注浆和地面钻孔注浆的可行性与安全性,发现在流砂层中对采用钻井法施工的钢筋混凝土单层井壁进行壁后注浆,安全风险较大,影响井筒正常提升,且存在再次发生渗漏水的风险,而采用地面定向钻孔注浆技术的注浆量大,壁后充填层碎石间孔隙可被水泥浆充分填充,改善井筒防渗和承载能力,且施工人员全程在地面操作,安全性好,不影响井筒正常提升;最后,提出了针对深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理的地面定向钻孔注浆技术并进行工程示范,2个钻孔共注入130.9 m^(3)水泥浆,完全充填了94.00~131.40 m层段壁后充填层碎石间孔隙,顺利封堵了井下94 m处出水点,经现场长期观测,该段井壁未再渗漏水。研究结果表明,针对深厚表土层段煤矿钻井井壁渗漏水治理,采用地面定向钻孔注浆技术的治理效果良好,安全性高。研究成果可为深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理提供一定的参考。

大盾构工作井侧墙自密实高抗裂混凝土配制及关键技术研究

针对工作井侧墙混凝土浇筑施工工况复杂的特点,从混凝土工作性能、力学性能、变形性能及现场施工方法等方面开展高抗裂自密实混凝土的配制与应用关键技术研究。结果表明,研制的高抗裂自密实混凝土具有优异的流动性能与体积稳定性能,可满足大直径盾构工作井侧墙复杂工况下的浇筑施工,通过控制混凝土下料高度、入模温度及模板侧压力等系列工艺,有效解决了大直径盾构工作井侧墙易渗漏的难题,具有显著的经济及社会效益。

井壁混凝土三轴渗透试验及细观数值分析

目的为研究井壁混凝土在多轴应力下渗透率演化规律。方法以50mm×100mm的圆柱体混凝土试件为研究对象,采用试验与数值模拟相结合的方法,分析流-固耦合状态下渗透性能变化。结果围压能密实孔隙,使渗透率下降,但下降趋势逐渐变缓。孔隙水压易使裂纹扩展,加剧水渗透,同时上升趋势逐级递增;轴压对渗透率的影响与内部孔隙及微裂纹状态相关,根据渗透率不同变化趋势,可将其分为4个阶段;由数值模拟发现,随着应变增加,混凝土内部拉应力分布变广,裂缝多出现在拉、压应力集中区;轴压增加虽使整体孔隙密实,但颗粒挤压易使微裂隙萌生,加载后期成为主要渗流通道。结论研究结果为实际工程中解决复杂应力状态下混凝土渗透率变化等问题提供了参考。

油基钻井液用耐高温碳酸钙-聚氨酯核壳型微球井壁强化剂

为了提高油基钻井液的封堵性能,以氯化钙、碳酸钠、谷氨酸、2,4-甲苯二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡等为原料,通过水热法制备了刚柔并济的核壳型碳酸钙-聚氨酯井壁强化剂。通过测定流变参数、破乳电压、滤失量和侵入深度等,考察井壁强化剂加量对基浆流变性、稳定性和封堵性的影响。将井壁强化剂与钛酸钾纤维、海泡石、硅藻土和氧化沥青等材料复配,研究了复配井壁强化剂对油基钻井液润湿性、流变性、稳定性、封堵性和耐温性等的影响。结果表明,井壁强化剂以耐高温且具备一定形变能力的聚氨酯为壳、碳酸钙球为核,微球粒径约2μm;对基浆流变性和稳定性的影响较小,可显著提高基浆的封堵性能;加量为2.5%~3.0%时可实现良好的封堵效果,破乳电压为525~542 V、侵入深度为0.6 cm。最优配方的复配井壁强化剂可显著提高油基钻井液的润湿性;对基浆流变性的影响较小,有利于基浆稳定性的提升,破乳电压提高至637 V。复配井壁强化剂各组分发挥协同效应,可以针对不同孔隙的裂缝进行有效封堵,表现出较好的降滤失性能。在常温下的滤失量和侵入深度分别为1.0 mL和0.2 cm。在经过180℃高温老化8 h后,复配井壁强化剂依旧保持较好的降滤失性能,滤失量和侵入深度分别为3.3 mL和0.3 cm,抗高温性能较好。核壳型井壁强化剂的聚氨酯软壳利于微球进入诱导裂缝的最前端,碳酸钙硬核能促进应力的分散,防止裂缝的进一步延伸,实现对井壁裂缝的有效封堵,同时能与钻井液保持良好的配伍性,封堵性能优异。

大宁-吉县区块深层煤层水平井坍塌压力分布研究

为了研究大宁-吉县地区深层8#煤层水平井整体坍塌压力分布,提出水平井钻井施工方向建议。首先,基于斜井坍塌压力计算模型及实际煤层参数,采用数值编程程序对水平井JS6-5P03的8#煤层进行分段坍塌压力计算;其次,分别计算得出了约60井次的不同方位角下8#煤层坍塌压力,并以此为基础,利用序贯高斯插值法,得到整个区块的坍塌压力分布。结果表明:JS6-5P03井8#煤层坍塌压力当量密度应不小于1.376 g/cm^(3),才可避免坍塌;以不同方位角进行水平井钻进时,根据坍塌压力大小,整个大宁-吉县区块8#煤层均可被划分为低风险坍塌区、中风险坍塌区和高风险坍塌区;大宁-吉县区块中部适合钻井方位角为180°左右,上部和下部钻井方位角建议为160°左右。

高性能水基钻井液体系设计原理及应用

为解决油基钻井液带来的环保压力与经济成本的上升,新型水基钻井液的研究与推广势在必行。通过XRD和环境扫描电子显微镜的实验方法分析页岩气储层地质特征,同时以钻井液在岩心封堵实验、滚动回收率和润滑性测试方法评价该水基钻井液的封堵性、抑制性和润滑性等关键性能。结果表明,该水基钻井液体系高温高压滤失量小于6 mL,岩心封堵效率达83.52%,体系对红层土和龙马溪组页岩露头(某区域)的岩样滚动回收率均在95%以上,说明该体系流变及滤失造壁性稳定,具有强封堵和抑制能力;钻井液体系摩阻系数为0.0804,所形成滤饼的黏滞系数为0.0753,钻井液体系润滑能力较好:在100~160℃时钻井液体系均保持相对稳定的流变性及滤失造壁性,抗温性良好。该体系具备良好的封堵与抑制能力,接近油基钻井液效果,可节约钻井成本,具有广阔的应用前景。

复杂地质条件下水利工程高水位深基坑降排水施工方法研究

为了解决进口引江济淮工程施工中高水位深基坑降排水问题,对复杂地质条件下水利工程高水位深基坑降排水施工方法开展了研究。采用混凝土防渗墙技术对导向槽进行优化设计,提高防渗墙的防渗性能。利用真空预压地下水位测量方法为降水井的参数设计与位置设置提供水位参考。通过人工开挖探孔方式确定最佳降排水方案,并计算降水漏斗曲线的影响值。利用有限元软件模拟试验发现:该降排水方法在防渗墙高程为-36 m时能够达到最佳降排水效果,说明使用该方法能够阻隔基坑外水体渗入,且降水井能够将深基坑中的积水排出,有效地解决了进口引江济淮工程施工中高水位深基坑降排水难题,具有较好的实用性和推广价值。

山古区块井壁稳定钻井液体系优化及应用

针对山古区块施工中钻井液技术难点,通过分析前期钻井液体系的局限性,优选胺基聚醇、多级配封堵剂和防水锁剂,优化聚合物防塌钻井液体系配方,形成聚胺复合封堵防塌钻井液体系。评价实验表明,优化后的聚胺复合封堵防塌钻井液体系抑制性及封堵性强,储层适应性好。聚胺复合封堵防塌钻井液体系在山古区块进行了现场应用,体系应用井平均钻井周期61.69 d,平均机械钻速4.84 m/h;施工中井壁稳定,解决了棕红色泥岩水化、井壁失稳及储层保护的难题,取得良好的现场应用效果。

绳索取芯技术应用中的井壁稳定性研究

随着深孔钻探环境愈加复杂,绳索取芯钻进技术实施过程中井壁失稳现象愈加突出。为破解该技术难题,从地质因素和工程因素两方面详细论述了绳索取芯过程中导致井壁不稳定的因素。以某重大供水工程中的重点勘察钻孔DZK4为例,结合深孔复杂岩层实际情况,提出“阳离子-高黏结-润湿反转-化学抑制-密度合理支撑”的协同防塌机理,结合该机理形成钻井液配方。应用情况表明,钻井液密度、失水量等相关指标都达到控制标准,钻井液性能较为稳定。

顶管工作井近接挡土墙施工的变形监测及数值模拟研究

市政顶管工程是国家基础建设的重要组成部分,为保证顶管工作井近接挡土墙区段内的施工安全,以成都某地区污水干管建设工程区段内顶管工作井施工为例,整理现场得到的基坑、挡土墙各监测点位移等监测数据,对顶管工作井施工过程中产生的位移变化进行分析,结果表明顶管工作井施工对挡土墙的整体稳定性影响较小,其位移均在设计容许范围内。同时,通过Midas GTS NX建立顶管工作井三维模型,验证顶管工作井施工对基坑周围土体、工作井井壁及挡土墙的影响情况,结果表明数值模拟计算得到的位移结果基本与现场监测数据相吻合,表明数值模拟能够较好地模拟实际施工过程。该研究结论可为类似的近接工程提供参考。

晋城矿区地面采动井护壁技术研究与应用

为避免采动井套管受采场覆岩扰动影响而变形破坏,在常规采动直井“J55钢级套管+筛管”的井身结构设计基础上,提出了一种在原直井井筒内下入护壁、增透、导流工具串的工艺:在卸压弯曲下沉带区域采用N80钢级的高强度钢管,在卸压裂隙带及垮落带区域对钢管进行割缝设计,并注入高强度石英砾岩。该技术大大保障了井筒稳定性,从而提高采动井产能及运行寿命,具有一定推广意义。

大尺寸井眼深钻技术在渤海X油田的应用

渤海X构造属于常压地层,1井和2井明化镇、馆陶组地层地应力集中,极易发生井壁失稳。从井身结构设计优化、膨润土深钻技术、钻井液性能优化三个方面分析,该技术在3井实钻中取得良好效果,可以减少作业中的复杂情况,达到缩短钻井周期和提高机械钻速的目的,3井较1井钻井时效提高20.70%,为后续该区块的勘探钻井作业提供参考。

成6井二开长裸眼井段防塌钻井液技术

成6井设计井深5950 m,二开井眼尺寸大,裸眼段长达3100 m,裸眼段上部地层和下部地层岩性差别大;钻进过程会穿过侏罗系发育硬脆性泥岩和煤层,钻进过程中井壁稳定和井眼净化难度大。为此,分析钻井液技术难点,确定钻井液技术措施,并开展钻井液体系研究,最终通过采用复合胺盐润滑防塌钻井液体系,辅助现场钻井液施工工艺,二开长裸眼井段施工中井壁稳定、井身质量好,平均井径扩大率为1.97%,取得了优快钻井的良好效果。

安页2-3HF井强封堵油基钻井液技术研究与应用

针对正安区块页岩气开发过程中龙马溪组井壁失稳频发、掉块严重、卡钻频繁等问题,通过对龙马溪组地层岩性特征研究及井壁失稳机制分析,确定了强化封堵性是研发和改进正安区块油基钻井液技术的关键点。通过关键处理剂中乳化剂和封堵剂的研究,形成了强封堵油基钻井液体系配方,并对其进行性能评价。结果表明:该钻井液具有良好的即时和长效封堵性能,能够有效抑制岩屑的水化分散和膨胀缩径,具有良好的抗岩屑污染能力,岩屑量在20%以内可保持整体性能基本稳定,综合性能远远优于常规油基钻井液,满足正安区块井壁稳定需求。同时,将强封堵油基钻井液在安页2-3HF井现场试用,与已钻邻井相比,三开井段未出现井壁失稳情况,提升了钻井效率,为该区块钻井液优化改进提供了一定的参考。

曲9区块水平井钻井液优快钻井技术

曲9区块明化镇组和馆陶组地层沉积较厚,地层发育大段易水化软泥岩。水平井钻进过程中钻井液井壁稳定、井眼净化、润滑防卡和储层保护技术难度大。通过优选聚合醇润滑防塌钻井液体系,辅助现场钻井液维护处理工艺,保证了该区块3口水平井的顺利施工,钻完井时效较前期施工井有明显提高,达到了优快钻井的良好效果。

立井井壁可缩层开槽定向爆破技术研究与应用

陈四楼煤矿主井采用双层钢筋混凝土复合井壁结构,井筒穿过厚度368 m的冲积层,由于表土段井壁发生破裂,对井筒的安全使用产生重大安全隐患,采用改造井壁法进行修复治理,释放井壁中积蓄的能量,能够很好地达到防治井壁破裂灾害目的。然而在井筒井壁开槽期间,存在井壁突水涌砂风险,井壁开槽是井筒修复的难点。该文以陈四楼煤矿主井修复为例,采用“定向爆破+人工破除”的井壁开槽施工方案,通过爆破区域划分、优化爆破参数及作业顺序,减小爆破对外层井壁及开槽部位上下内层井壁的影响,达到保留井壁完好率与稳定性、开槽边界完整性的效果。

渤南XX区域复杂结构油田高效钻井技术

渤南区域XX油田目标开发层系为沙河街组,平均井深在3800 m以上,该油田含油层位多,钻遇地质条件复杂,在开发井实施过程中井壁失稳、漏失、卡钻现象频发,严重影响钻井作业安全高效进行。以油田地质特点为背景,深入分析该区域钻井技术难点,通过实施井眼轨迹优化、井眼轨迹控制技术、井身结构精细化设计、钻井液优化设计等技术,在调整井实钻过程中,未出现粘卡、地层坍塌、漏失等复杂情况,套管未旋转顺利下放到位,钻井时效100%,平均单井实际工期13.55 d,较平均单井设计工期节约6.2 d,提速31.4%。该技术的成功应用,对渤南区域沙河街组复杂结构油藏高效开发具有借鉴意义。

倒挂井壁法在顶管工作井中的应用

顶管是管道下穿道路时一种常用的施工工法,可减少对交通的干扰和避免大开挖。顶管工作井的常用施工工法有SMW工法、沉井法等,结合实际案例分析工作井底存在管线情况下采用倒挂井壁法施工工作井的设计要点,以期为类似的工程设计提供借鉴。

车古211井抗高温防塌钻井液技术

车古211井是重点评价井,完钻井深5054.3m。车古区块地质结构复杂,地层发育超温,井底温度达180℃,勘探过程中复杂情况不断发生,车古区块一度成为勘探开发的禁区。通过优选复合盐防塌钻井液体系和抗高温无固相钻井液体系,配合现场钻井液维护处理工艺,保证了工程的顺利进行,钻井过程中井壁稳定,完井作业顺利,为该区块的进一步勘探开发提供了宝贵的技术参数和施工经验。