第3章 钻井法,3.1 概述 3.2 钻井设备立井钻机 3.3 井筒钻进 3.4 洗井与净化 3.5 钻井井壁 3.6 钻井破岩机理 3.7 钻井参数 3.8 立井钻机的基本计算 3.9 反井钻进 3.10 井筒掘进机施工技术 3.11 钻井法有待解决的问题,3.1 概述,3.1.1 实质与分类 3.1.2 发展概况 3.1.3 特点与适用条件返回,定义 钻井法是用钻头破碎岩石，用洗井液进行洗井排碴和护壁，当井筒钻至设计直径和深度以后，在洗井液中下沉井壁进行支护的机械化凿井方法。 钻井法凿井的主要工艺过程： 钻进、泥浆洗井护壁、下沉预制井壁和壁后注浆固井等。,3.1.1 实质,1天车；2钻塔；3吊挂车；4游车；5大钩；6水龙头； 7进风管；8排浆管；9转盘；10钻台；11提升钢丝绳； 12排浆槽；13主动钻杆；14封口平车；15钻杆；16钻头； 17二层平台；18钻杆行车；19钻杆小吊车；20钻杆仓,3.1.1 实质,3.1.1 实质,3.1.1 实质,3.1.1 实质,3.1.1 实质,3.1.1 实质,钻井法按钻井传动装置的位置分类：,3.1.1 分类,国外 1854年德国工程师Kind采用冲击钻钻凿第一个直径4.25m，深度98m井筒。德国大量采用钻井法钻凿风井和疏干井，仅莱茵褐煤公司钻进的疏干井就有2000多个，365000m。 前苏联是应用钻井法的主要国家之一，1979年创造月成井160m的记录。 美国1910年才引进钻井法，50、60年代出于地下核试验和其他工程的需要，钻井法得到广泛应用。仅美国原子能委员会内华达洲地下核试验场，在19601983年期间钻凿600多个，其中在阿留审群岛的井筒深达1829m。,3.1.2 发展概况,国内 1969年元旦，我国第一口采用钻井法钻凿的煤矿立井井筒是淮北朔里南风井，直径4.3m，深90m。1984年施工钻井直径9.3m，成井直径7m，深469m的淮南谢桥西风井一类的深大井筒，并实现全套设备国产化，综合技术达到国际先进水平。1999年淮北许瞳矿井的主、副、风三个井筒，同时采用钻井法施工，主井、风井已高质量完成，偏斜分别为0.21和0.1。,3.1.2 发展概况,特点： 钻井法施工的地面化(掘进机组除外)、机械化，改变了传统的井下作业方式，工作安全可靠，施工质量好。 在软岩中，钻井直径小于6米时，技术经济效果好。 直径大的井筒，或岩石很坚硬时，技术经济指标不够理想。 现钻井深度和直径都还受到钻井设备能力的限制。 适用条件： 从技术上讲钻井法可用于任何地层。,3.1.3 特点与适用条件,钻井设备的组成 钻井法凿井设备主要为钻井机，简称“钻机” 。另有一些起重运输、清碴、供电等辅助设备。 钻机的组成和构造 由钻井工艺确定，按设备所起功用的不同分为以下的系统： 一、钻具系统 钻具系统包括钻头和钻杆。它的主要功用是使钻头在旋转中破碎工作面岩石。 二、旋转系统 包括转盘及其传动装置(简称“转盘”)，方钻杆。转盘产生的旋转扭矩经方钻杆传递给钻杆和钻头，使钻头旋转。,3.2 钻井设备,三、提吊系统 包括钻塔、绞车及其传动装置(简称“绞车”)复滑轮组(包括天车、游车、钢过绳等)、大钩。提吊系统的主要用途是提升或下放钻具，以及在钻进时提吊钻具并调节给进速度，以达到控制钻压的目的，砌井时它提吊和下放井壁。四、洗井系统 煤矿大直径钻井一船用反循环洗井。洗井液自沟槽依自重流入并筒，在压气排液器的作用下，洗井液流动冲洗工作面上的岩碴至钻头的吸入口进入钻杆，上升至水龙头，流入排浆管，经溜槽到沉淀池。洗井系统的功用是及时清除钻头破碎的岩碴，同时对刀具进行冷却。 五、其它辅助设备 包括各种专用车。例如：转台、封口平车等；各种专用起重运输设备，如龙门吊车、吊车、吊卡、卡瓦等；各种专用仪表；打涝工具；供电供水等设备。,3.2 钻井设备,一、钻具系统 钻具系统包括钻头和钻杆。它的主要功用是使钻头在旋转中破碎工作面岩石。 (一)钻头 钻头是由刀具、刀盘(或钻头体)、中心管、加重块、稳定器等部分组成。由于钻进方式不同钻头结构也不同。 转盘钻机在大直径井筒中一般采用扩孔的钻进方式。其钻头结构形式分为超前孔钻头和扩孔钻头。,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,对钻头的要求： 1)钻头的刀具和吸收口布置有利于破岩和工作面冲洗； 2)钻头结构具有足够的强度和保持减压钻进时所必须的重量； 3)结构易于拆卸、组装、运输、检修和打捞。钻头转动平衡、平稳。,3.2 钻井设备,1、刀具：直接破碎工作面岩石的工具。 在表土层一般用刮刀或长齿滚刀。 刮刀主要采用条状，刃部堆焊耐磨的碳化钨粉或镶焊硬质合金片。 刮刀刃部及刀体的形状对破土、洗井及防止钻头泥包都有很大影响。 我国常用的是桦犁式的。 在软岩中多用楔齿滚刀。 在硬岩石和极硬岩石中，一般选用球齿滚刀。 按照刀具在刀盘上的工作位置，刀具又分为边刀、正刀和中心刀三种。,3.2 钻井设备,刀具常发生以下的问题： 钻井中刀具的消耗量很大，是钻井成本的重要组成。 1)表土钻进时的钻头泥包，除了和洗井净度有很大关系外，刀具本身的形式和排列是很重要的影响因素。 2)滚刀的损坏主要是轴承两端密封不理想，洗井液渗入使轴承损坏，刀具卡住不转造成刀具损坏、落齿、甚至刀具从刀盘上脱落。 3)落齿和刀体破坏的重要原因是加工的问题。总的来说是刀具寿命不够长，有待提高。,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,2、刀盘 刀具按钻进的需要安装在刀盘上。大直径钻头的刀盘一般采用拼装结构、比较小的超前钻头的刀盘采用整体结构。 刀盘底面有平底、锥底、截锥底、球底和台阶式等多种形式。,3.2 钻井设备,刀具在刀盘的布置经验： 1)刮刀的数目不宜过多，刮刀可分为数排布置，相邻刮刀错开排位，以便刀间距加大，这样利于冲洗，防止泥土糊刀造成钻头泥包。 2)滚刀布置以展开线形，大致对称布置。 3)滚刀在破岩过程中应避免有过大的滑动，以减少刀齿和轴承的损坏。刀具纯滚动的条件是刀体的几何锥轴的延线通过工作面旋转中心。 4)正刀在刀盘上按数个同心圆布量，在每圈布置1-3把。边刀数量为4-8把。刀具数量以每把刀破岩面积大致相同；刀盘每象限内刀具数最好相等的按径向对应布置。但要避免完全对称，防止钻头发生谐振。 5)刀盘上所有刀具刀刃部分总长度与刀具破岩带总宽度之比叫覆盖系数K。 超前钻头或一次全断面钻头，在表土层取K0.9-1；在岩石中取K1。扩孔钻头的K1-1.4。,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,3、中心管 中心管的作用是把钻杆传来的扭矩传给刀盘使钻头旋转；承受钻头的重量；它的内断面是洗井液循环的通道。中心管受力状况很复杂。 4、加重块 保证钻头所需要的重量。在结构上可以把加重块用螺栓联接成整体圆筒来承受部分由于钻头倾斜所产生的弯矩。 5、稳定器 对钻头起扶正和导向的作用。从构造上有的稳定器随钻头旋转，我国多采用此种形式。也有在中心管处装轴承而使稳定器不旋转的。,3.2 钻井设备,(二)钻杆 钻杆是由两端带接头的无缝钢管所组成。 钻杆在起下钻具时，承受钻具在洗井液中的重量，动力系数一般取1.2-1.3。 在钻进过程中，钻杆即传递全部扭矩又承受拉力，拉力的数值是在洗井液中钻头重量的40-60及钻杆重量之和。也可以按钻具(钻头与钻杆)重量之和的23计算。 按这两个工作状况计算选择钻杆壁的厚度。 由于钻扦受力大且复杂，一般选用合金的无缝钢管。SZ9/700钻机采用35铬钼406毫米的无缝钢管，壁厚20mm。,3.2 钻井设备,钻杆接头型式： 1、花键牙嵌式接头：这种接头是由花键螺纹式接头发展来的。原来螺纹承拉，在装拆钻杆时扭螺纹费工费时，改进由牙嵌承受拉力，仍由花键传递扭矩。这种接头已为我国目前普造采用。例如SZ9/700钻机和BZ-1钻杆都用这种接头。 2、螺栓法兰盘接头：这种接头扭矩和拉力都由螺栓承担。西德L40型钻机的钻杆采用这种接头。 3、锥纹接头：它同石油钻机钻杆的螺纹接头相似，美国至今仍广泛应用螺纹接头，即使在双层钻杆和三层钻杆中也用锥螺纹接头。这种接头必须用专用工具拧紧或拆卸，其接头制造精度和工艺要求很高。,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,钻机的组成和构造 一、钻具系统 二、旋转系统 包括转盘及其传动装置(简称“转盘”) 。转盘产生的旋转扭矩经方钻杆传递给钻杆和钻头，使钻头旋转。,3.2 钻井设备,(一)转盘：产生扭矩用以驱动钻具旋转的设备叫转盘。 大直径钻井对转盘的技术要求： 1)转盘的扭矩和转数能满足钻井要求。 在扭矩不变的情况下能改变转数，一般要求转数从0-30rad/min的范围内变化，经常使用5-10rad/min ，为此转盘多用直流电动机或液压马达驱动。 2)能承受钻头和钻杆的全部载荷。 3)装有方补心的中心孔能通过钻杆接头。 4)运转平稳，适宜野外条件工作。 5)安装、运输和维修方便。,3.2 钻井设备,(二)方钻杆 方钻杆下端与钻杆相接，上部与水龙头相连，套在转盘的方补心里，随转盘而转动。方钻杆的形式有四方形和六方形两种。 方钻杆受有转盘旋转传来的挤压和扭矩及提吊系统的拉力。它的截面尺寸是在受这三力共同作用下计算选择的。,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,钻机的组成和构造 一、钻具系统 二、旋转系统 三、提吊系统 包括钻塔、绞车及其传动装置(简称“绞车”)复滑轮组(包括天车、游车、钢过绳等)、大钩。提吊系统的主要用途是提升或下放钻具，以及在钻进时提吊钻具并调节给进速度，以达到控制钻压的目的，砌井时它提吊和下放井壁。,3.2 钻井设备,三、提吊系统 (一)钻塔 钻塔承受提吊系统的全部裁荷，塔形的钢结构。 钻井对钻塔的要求是： 1)底跨尺寸能满足钻机钻最大直径并筒的需要；且各种专用车(台)运行无阻； 2)二层台以下的开口高度允许最长钻杆和预制井壁进入钻塔并移运至井口； 3)在提吊的名义负荷和设计允许最大风力以内均保证有足够的强度和稳定性； 4)整体性好，拆装移运方便，重量轻。,3.2 钻井设备,3.2 钻井设备,(二)绞车 绞车是提吊系统的动力。它通过钢丝绳复滑轮组和大钩来完成提升或下放钻具的工作。 (三)复滑轮组 钢丝绳穿绕天车和游车构成复滑轮组，用以增加提吊系统的提升能力。钢丝绳穿绕天车和游车后，一端固定在井口基础上或钻塔上称为死绳；另一端缠绕在绞车滚筒上称为活绳(或快绳)：复滑轮组的表示方法是；游车滑轮数x天车滑轮数，例如：78，即表示游车滑轮7个，天车滑轮8个，有效绳数为14。 绞车用的钢丝绳不仅受力大，负荷变化大，而从在各滑轮上多次弯曲摩擦，因此要求钢丝绳除具有必要的强度，还要有良好的柔性和耐磨性。 （四）大钩 源于石油钻机，提吊系统与水龙头或钻杆的抓联装置通称为大钩。,3.2 钻井设备,钻机的组成和构造 一、钻具系统 二、旋转系统 三、提吊系统 四、洗井系统 煤矿大直径钻井一船用反循环洗井。洗井液自沟槽依自重流入并筒，在压气排液器的作用下，洗井液流动冲洗工作面上的岩碴至钻头的吸入口进入钻杆，上升至水龙头，流入排浆管，经溜槽到沉淀池。洗井系统的功用是及时清除钻头破碎的岩碴，同时对刀具进行冷却。,3.2 钻井设备,四、洗井系统 (一)水龙头 水龙头这个名称也是从石油钻机的借用。它是提吊系统的不旋转部分与旋转系统的旋转部分的过渡环节，也叫缓转器。它又是洗井液循环的出口和供压风管的入口。 (二)压气排液器和风管 压气排液器是洗井液循环的动力。它随钻井深度的增加，而需要改变其没入深度和供气量。 风管是向井下输送高压空气的管路。 (三)地面排浆管与排浆槽,3.2 钻井设备,钻机的组成和构造 一、钻具系统 二、旋转系统 三、提吊系统 四、洗井系统 五、其它辅助设备 包括各种专用车。例如：转台、封口平车等；各种专用起重运输设备，如龙门吊车、吊车、吊卡、卡瓦等；各种专用仪表；打涝工具；供电供水等设备。,