1、第3章 鉆井法,3.1 概述 3.2 鉆井設備立井鉆機 3.3 井筒鉆進 3.4 洗井與凈化 3.5 鉆井井壁 3.6 鉆井破巖機理 3.7 鉆井參數(shù) 3.8 立井鉆機的基本計算 3.9 反井鉆進 3.10 井筒掘進機施工技術(shù) 3.11 鉆井法有待解決的問題,3.1 概述,3.1.1 實質(zhì)與分類 3.1.2 發(fā)展概況 3.1.3 特點與適用條件 返回,定義 鉆井法是用鉆頭破碎巖石，用洗井液進行洗井排碴和護壁，當井筒鉆至設計直徑和深度以后，在洗井液中下沉井壁進行支護的機械化鑿井方法。 鉆井法鑿井的主要工藝過程： 鉆進、泥漿洗井護壁、下沉預制井壁和壁后注漿固井等。,3.1.1 實質(zhì),1天車；2鉆塔

2、；3吊掛車；4游車；5大鉤；6水龍頭； 7進風管；8排漿管；9轉(zhuǎn)盤；10鉆臺；11提升鋼絲繩； 12排漿槽；13主動鉆桿；14封口平車；15鉆桿；16鉆頭； 17二層平臺；18鉆桿行車；19鉆桿小吊車；20鉆桿倉,3.1.1 實質(zhì),3.1.1 實質(zhì),3.1.1 實質(zhì),3.1.1 實質(zhì),3.1.1 實質(zhì),3.1.1 實質(zhì),鉆井法按鉆井傳動裝置的位置分類：,3.1.1 分類,國外 1854年德國工程師Kind采用沖擊鉆鉆鑿第一個直徑4.25m，深度98m井筒。德國大量采用鉆井法鉆鑿風井和疏干井，僅萊茵褐煤公司鉆進的疏干井就有2000多個，365000m。 前蘇聯(lián)是應用鉆井法的主要國家之一，1979

3、年創(chuàng)造月成井160m的記錄。 美國1910年才引進鉆井法，50、60年代出于地下核試驗和其他工程的需要，鉆井法得到廣泛應用。僅美國原子能委員會內(nèi)華達洲地下核試驗場，在19601983年期間鉆鑿600多個，其中在阿留審群島的井筒深達1829m。,3.1.2 發(fā)展概況,國內(nèi) 1969年元旦，我國第一口采用鉆井法鉆鑿的煤礦立井井筒是淮北朔里南風井，直徑4.3m，深90m。1984年施工鉆井直徑9.3m，成井直徑7m，深469m的淮南謝橋西風井一類的深大井筒，并實現(xiàn)全套設備國產(chǎn)化，綜合技術(shù)達到國際先進水平。1999年淮北許瞳礦井的主、副、風三個井筒，同時采用鉆井法施工，主井、風井已高質(zhì)量完成，偏斜分別

4、為0.21和0.1。,3.1.2 發(fā)展概況,特點： 鉆井法施工的地面化(掘進機組除外)、機械化，改變了傳統(tǒng)的井下作業(yè)方式，工作安全可靠，施工質(zhì)量好。 在軟巖中，鉆井直徑小于6米時，技術(shù)經(jīng)濟效果好。 直徑大的井筒，或巖石很堅硬時，技術(shù)經(jīng)濟指標不夠理想。 現(xiàn)鉆井深度和直徑都還受到鉆井設備能力的限制。 適用條件： 從技術(shù)上講鉆井法可用于任何地層。,3.1.3 特點與適用條件,鉆井設備的組成 鉆井法鑿井設備主要為鉆井機，簡稱“鉆機” 。另有一些起重運輸、清碴、供電等輔助設備。 鉆機的組成和構(gòu)造 由鉆井工藝確定，按設備所起功用的不同分為以下的系統(tǒng)： 一、鉆具系統(tǒng) 鉆具系統(tǒng)包括鉆頭和鉆桿。它的主要功用是使

5、鉆頭在旋轉(zhuǎn)中破碎工作面巖石。 二、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) 包括轉(zhuǎn)盤及其傳動裝置(簡稱“轉(zhuǎn)盤”)，方鉆桿。轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩經(jīng)方鉆桿傳遞給鉆桿和鉆頭，使鉆頭旋轉(zhuǎn)。,3.2 鉆井設備,三、提吊系統(tǒng) 包括鉆塔、絞車及其傳動裝置(簡稱“絞車”)復滑輪組(包括天車、游車、鋼過繩等)、大鉤。提吊系統(tǒng)的主要用途是提升或下放鉆具，以及在鉆進時提吊鉆具并調(diào)節(jié)給進速度，以達到控制鉆壓的目的，砌井時它提吊和下放井壁。 四、洗井系統(tǒng) 煤礦大直徑鉆井一船用反循環(huán)洗井。洗井液自溝槽依自重流入并筒，在壓氣排液器的作用下，洗井液流動沖洗工作面上的巖碴至鉆頭的吸入口進入鉆桿，上升至水龍頭，流入排漿管，經(jīng)溜槽到沉淀池。洗井系統(tǒng)的功用是及時清除

6、鉆頭破碎的巖碴，同時對刀具進行冷卻。 五、其它輔助設備 包括各種專用車。例如：轉(zhuǎn)臺、封口平車等；各種專用起重運輸設備，如龍門吊車、吊車、吊卡、卡瓦等；各種專用儀表；打澇工具；供電供水等設備。,3.2 鉆井設備,一、鉆具系統(tǒng) 鉆具系統(tǒng)包括鉆頭和鉆桿。它的主要功用是使鉆頭在旋轉(zhuǎn)中破碎工作面巖石。 (一)鉆頭 鉆頭是由刀具、刀盤(或鉆頭體)、中心管、加重塊、穩(wěn)定器等部分組成。由于鉆進方式不同鉆頭結(jié)構(gòu)也不同。 轉(zhuǎn)盤鉆機在大直徑井筒中一般采用擴孔的鉆進方式。其鉆頭結(jié)構(gòu)形式分為超前孔鉆頭和擴孔鉆頭。,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,對鉆頭的要求： 1)鉆頭的刀具和吸收口布置有利于破巖和工作面沖洗； 2

7、)鉆頭結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和保持減壓鉆進時所必須的重量； 3)結(jié)構(gòu)易于拆卸、組裝、運輸、檢修和打撈。鉆頭轉(zhuǎn)動平衡、平穩(wěn)。,3.2 鉆井設備,1、刀具：直接破碎工作面巖石的工具。 在表土層一般用刮刀或長齒滾刀。 刮刀主要采用條狀，刃部堆焊耐磨的碳化鎢粉或鑲焊硬質(zhì)合金片。 刮刀刃部及刀體的形狀對破土、洗井及防止鉆頭泥包都有很大影響。 我國常用的是樺犁式的。 在軟巖中多用楔齒滾刀。 在硬巖石和極硬巖石中，一般選用球齒滾刀。 按照刀具在刀盤上的工作位置，刀具又分為邊刀、正刀和中心刀三種。,3.2 鉆井設備,刀具常發(fā)生以下的問題： 鉆井中刀具的消耗量很大，是鉆井成本的重要組成。 1)表土鉆進時的鉆頭泥包，

8、除了和洗井凈度有很大關(guān)系外，刀具本身的形式和排列是很重要的影響因素。 2)滾刀的損壞主要是軸承兩端密封不理想，洗井液滲入使軸承損壞，刀具卡住不轉(zhuǎn)造成刀具損壞、落齒、甚至刀具從刀盤上脫落。 3)落齒和刀體破壞的重要原因是加工的問題?？偟膩碚f是刀具壽命不夠長，有待提高。,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,2、刀盤 刀具按鉆進的需要安裝在刀盤上。大直徑鉆頭的刀盤一般采用拼裝結(jié)構(gòu)、比較小的超前鉆頭的刀盤采用整體結(jié)構(gòu)。 刀盤底面有平底、錐底、截錐底、球底和臺階式等多種形式。,3.2 鉆井設備,刀具在刀盤的布置經(jīng)驗： 1)刮刀的數(shù)目不宜過多，刮刀可分

9、為數(shù)排布置，相鄰刮刀錯開排位，以便刀間距加大，這樣利于沖洗，防止泥土糊刀造成鉆頭泥包。 2)滾刀布置以展開線形，大致對稱布置。 3)滾刀在破巖過程中應避免有過大的滑動，以減少刀齒和軸承的損壞。刀具純滾動的條件是刀體的幾何錐軸的延線通過工作面旋轉(zhuǎn)中心。 4)正刀在刀盤上按數(shù)個同心圓布量，在每圈布置1-3把。邊刀數(shù)量為4-8把。刀具數(shù)量以每把刀破巖面積大致相同；刀盤每象限內(nèi)刀具數(shù)最好相等的按徑向?qū)贾?。但要避免完全對稱，防止鉆頭發(fā)生諧振。 5)刀盤上所有刀具刀刃部分總長度與刀具破巖帶總寬度之比叫覆蓋系數(shù)K。 超前鉆頭或一次全斷面鉆頭，在表土層取K0.9-1；在巖石中取K1。擴孔鉆頭的K1-1.4

10、。,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,3、中心管 中心管的作用是把鉆桿傳來的扭矩傳給刀盤使鉆頭旋轉(zhuǎn)；承受鉆頭的重量；它的內(nèi)斷面是洗井液循環(huán)的通道。中心管受力狀況很復雜。 4、加重塊 保證鉆頭所需要的重量。在結(jié)構(gòu)上可以把加重塊用螺栓聯(lián)接成整體圓筒來承受部分由于鉆頭傾斜所產(chǎn)生的彎矩。 5、穩(wěn)定器 對鉆頭起扶正和導向的作用。從構(gòu)造上有的穩(wěn)定器隨鉆頭旋轉(zhuǎn)，我國多采用此種形式。也有在中心管處裝軸承而使穩(wěn)定器不旋轉(zhuǎn)的。,3.2 鉆井設備,(二)鉆桿 鉆桿是由兩端帶接頭的無縫鋼管所組成。 鉆桿在起下鉆具時，承受鉆具在洗井液中的重量，動力系數(shù)一般取1.2-1.3。 在鉆進過程中，鉆桿即傳遞

11、全部扭矩又承受拉力，拉力的數(shù)值是在洗井液中鉆頭重量的40-60及鉆桿重量之和。也可以按鉆具(鉆頭與鉆桿)重量之和的23計算。 按這兩個工作狀況計算選擇鉆桿壁的厚度。 由于鉆扦受力大且復雜，一般選用合金的無縫鋼管。SZ9/700鉆機采用35鉻鉬406毫米的無縫鋼管，壁厚20mm。,3.2 鉆井設備,鉆桿接頭型式： 1、花鍵牙嵌式接頭：這種接頭是由花鍵螺紋式接頭發(fā)展來的。原來螺紋承拉，在裝拆鉆桿時扭螺紋費工費時，改進由牙嵌承受拉力，仍由花鍵傳遞扭矩。這種接頭已為我國目前普造采用。例如SZ9/700鉆機和BZ-1鉆桿都用這種接頭。 2、螺栓法蘭盤接頭：這種接頭扭矩和拉力都由螺栓承擔。西德L40型鉆機

12、的鉆桿采用這種接頭。 3、錐紋接頭：它同石油鉆機鉆桿的螺紋接頭相似，美國至今仍廣泛應用螺紋接頭，即使在雙層鉆桿和三層鉆桿中也用錐螺紋接頭。這種接頭必須用專用工具擰緊或拆卸，其接頭制造精度和工藝要求很高。,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,鉆機的組成和構(gòu)造 一、鉆具系統(tǒng) 二、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) 包括轉(zhuǎn)盤及其傳動裝置(簡稱“轉(zhuǎn)盤”) 。轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩經(jīng)方鉆桿傳遞給鉆桿和鉆頭，使鉆頭旋轉(zhuǎn)。,3.2 鉆井設備,(一)轉(zhuǎn)盤：產(chǎn)生扭矩用以驅(qū)動鉆具旋轉(zhuǎn)的設備叫轉(zhuǎn)盤。 大直徑鉆井對轉(zhuǎn)盤的技術(shù)要求： 1)轉(zhuǎn)盤的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)能滿足鉆井要求。 在扭矩不變的情況下能改變轉(zhuǎn)數(shù)，一般要求轉(zhuǎn)數(shù)

13、從0-30rad/min的范圍內(nèi)變化，經(jīng)常使用5-10rad/min ，為此轉(zhuǎn)盤多用直流電動機或液壓馬達驅(qū)動。 2)能承受鉆頭和鉆桿的全部載荷。 3)裝有方補心的中心孔能通過鉆桿接頭。 4)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適宜野外條件工作。 5)安裝、運輸和維修方便。,3.2 鉆井設備,(二)方鉆桿 方鉆桿下端與鉆桿相接，上部與水龍頭相連，套在轉(zhuǎn)盤的方補心里，隨轉(zhuǎn)盤而轉(zhuǎn)動。方鉆桿的形式有四方形和六方形兩種。 方鉆桿受有轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)傳來的擠壓和扭矩及提吊系統(tǒng)的拉力。它的截面尺寸是在受這三力共同作用下計算選擇的。,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,鉆機的組成和構(gòu)造 一、鉆具系統(tǒng) 二、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) 三、提吊系統(tǒng) 包括鉆塔、絞車

14、及其傳動裝置(簡稱“絞車”)復滑輪組(包括天車、游車、鋼過繩等)、大鉤。提吊系統(tǒng)的主要用途是提升或下放鉆具，以及在鉆進時提吊鉆具并調(diào)節(jié)給進速度，以達到控制鉆壓的目的，砌井時它提吊和下放井壁。,3.2 鉆井設備,三、提吊系統(tǒng) (一)鉆塔 鉆塔承受提吊系統(tǒng)的全部裁荷，塔形的鋼結(jié)構(gòu)。 鉆井對鉆塔的要求是： 1)底跨尺寸能滿足鉆機鉆最大直徑并筒的需要；且各種專用車(臺)運行無阻； 2)二層臺以下的開口高度允許最長鉆桿和預制井壁進入鉆塔并移運至井口； 3)在提吊的名義負荷和設計允許最大風力以內(nèi)均保證有足夠的強度和穩(wěn)定性； 4)整體性好，拆裝移運方便，重量輕。,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,(二)絞

15、車 絞車是提吊系統(tǒng)的動力。它通過鋼絲繩復滑輪組和大鉤來完成提升或下放鉆具的工作。 (三)復滑輪組 鋼絲繩穿繞天車和游車構(gòu)成復滑輪組，用以增加提吊系統(tǒng)的提升能力。鋼絲繩穿繞天車和游車后，一端固定在井口基礎(chǔ)上或鉆塔上稱為死繩；另一端纏繞在絞車滾筒上稱為活繩(或快繩)：復滑輪組的表示方法是；游車滑輪數(shù)x天車滑輪數(shù)，例如：78，即表示游車滑輪7個，天車滑輪8個，有效繩數(shù)為14。 絞車用的鋼絲繩不僅受力大，負荷變化大，而從在各滑輪上多次彎曲摩擦，因此要求鋼絲繩除具有必要的強度，還要有良好的柔性和耐磨性。 （四）大鉤 源于石油鉆機，提吊系統(tǒng)與水龍頭或鉆桿的抓聯(lián)裝置通稱為大鉤。,3.2 鉆井設備,鉆機的組成

16、和構(gòu)造 一、鉆具系統(tǒng) 二、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) 三、提吊系統(tǒng) 四、洗井系統(tǒng) 煤礦大直徑鉆井一船用反循環(huán)洗井。洗井液自溝槽依自重流入并筒，在壓氣排液器的作用下，洗井液流動沖洗工作面上的巖碴至鉆頭的吸入口進入鉆桿，上升至水龍頭，流入排漿管，經(jīng)溜槽到沉淀池。洗井系統(tǒng)的功用是及時清除鉆頭破碎的巖碴，同時對刀具進行冷卻。,3.2 鉆井設備,四、洗井系統(tǒng) (一)水龍頭 水龍頭這個名稱也是從石油鉆機的借用。它是提吊系統(tǒng)的不旋轉(zhuǎn)部分與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分的過渡環(huán)節(jié)，也叫緩轉(zhuǎn)器。它又是洗井液循環(huán)的出口和供壓風管的入口。 (二)壓氣排液器和風管 壓氣排液器是洗井液循環(huán)的動力。它隨鉆井深度的增加，而需要改變其沒入深度和供氣量。

17、風管是向井下輸送高壓空氣的管路。 (三)地面排漿管與排漿槽,3.2 鉆井設備,鉆機的組成和構(gòu)造 一、鉆具系統(tǒng) 二、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng) 三、提吊系統(tǒng) 四、洗井系統(tǒng) 五、其它輔助設備 包括各種專用車。例如：轉(zhuǎn)臺、封口平車等；各種專用起重運輸設備，如龍門吊車、吊車、吊卡、卡瓦等；各種專用儀表；打澇工具；供電供水等設備。,3.2 鉆井設備,五、輔助設備 (一)專用臺車 專用臺車有轉(zhuǎn)臺(或轉(zhuǎn)臺車)、封口平車、水龍頭吊掛車等。它們都是專用的結(jié)構(gòu)件。 (二)卡瓦 卡瓦(又稱抱卡、氣動卡瓦等)裝在轉(zhuǎn)盤的上面，用于裝卸鉆桿時卡掛井下鉆具。 (三)吊卡 吊卡是起下鉆頭時，提吊單根鉆桿的工具。 (四)起重運輸設備 包括龍門吊

18、車，汽車吊車或履帶吊車等起重設備；專用拖車等運輸設備，用于井場各重件起吊及鉆機安裝、拆除、檢修和運搬等工作。 (五)地面洗井液配制凈化清碴設備 (六)井壁預制及壁后充填設備 另外還有變電供電設備、供水設備、打撈工具和測井儀器等。,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備-立井鉆機性能,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,3.2 鉆井設備,一、準備工作 (一)鎖口工程和基礎(chǔ)工程 鎖口工程是在開鉆前用普通方法掘砌的一段鋼筋混凝土井筒。鉆塔基礎(chǔ)、絞車基礎(chǔ)、起升鉆塔用滑輪組基礎(chǔ)和各種起重設備的軌道。 (二)凈化系統(tǒng)工程 一般在施工組織設記中對凈化系統(tǒng)工程要求有很大面積的沉淀池和相應的從沉淀

19、池清除巖碴運至排矸場的一些設備。 (三)鉆機的組裝 鉆機是由許多大的部件組成的?，F(xiàn)場組裝一般需25個月。,3.3井筒鉆進,二、鉆進 準備工作完成后，進行鉆機試運轉(zhuǎn)；正式鉆進。 正常鉆進主要工序： (一)鉆頭的起下與鉆桿的接長 (二)鉆進工作 鉆進是鉆井法的兩個重要環(huán)節(jié)之一。 通過鉆進形成井筒。,3.3井筒鉆進,三、防偏和測斜 井筒的垂直度是鉆井質(zhì)量的重要指標，影響井筒支護工作和有效斷面的大小。 (一)產(chǎn)生井斜的原因 1、操作和設備的因素 2、地質(zhì)條件 (二)防偏的措施 1首先保證鉆機制造和安裝質(zhì)量。在鉆頭上加穩(wěn)定器，證明對防偏能起到一定的作用。 2堅持減壓鉆進。在鉆進初期采用低鉆壓低鉆速以保持

20、垂直，對下段井垂直有很大作用。根據(jù)國外經(jīng)驗：鉆壓保持在大鉤懸重的l/3以下就可以保持井直。 3定時測斜及時了解井筒偏斜情況，以便及時采取措施糾正或預防。 在整個鉆井過程中，對待井斜的原則是：防偏為主、糾偏為輔。在表土層或軟巖中井斜大可用刷大井幫(擴大井徑)的辦法糾斜。在硬巖中糾偏就十分困難了。 (三)測斜,3.3井筒鉆進,四、鉆井中常遇到的一些問題 （一）表土鉆井的泥包問題 鉆頭在粘土層或軟巖中鉆進時，由于破碎下來的泥塊不能及時清洗，以致粘糊在刀具、刀盤和鉆頭體上，無法再繼續(xù)鉆進。這種現(xiàn)象叫泥包鉆頭或鉆頭泥包。它在表土層中最易發(fā)生。例如：在朔里南風井為了防止泥包鉆頭而修改鉆頭達19次。在頁巖中

21、鉆井也常發(fā)生。 泥包鉆頭產(chǎn)生的原因和防止方法： 1刀具結(jié)構(gòu)不合理。特別在表土層中，刀具型式和布置不合理都容易形成泥包鉆頭。經(jīng)驗證明：在表土層用刮刀宜采用鏵犁式為好，行星式帶斜面的刮刀泥包次數(shù)明顯減少。鉆頭的刀盤最好不用敝開式的，以改善泥井效果。應當指出：在表土層中鉆井的刀具和鉆頭體結(jié)構(gòu)形式是尚在研究和改進的一個課題。 2泥漿濃度過大也容易產(chǎn)生泥包鉆頭。洗井效果不好或洗井能力不足也是造成泥包鉆頭的原因。鉆粘土層時泥漿濃度必須經(jīng)常調(diào)整。在加大鉆壓提高鉆速時，必須加大洗井能力，使鉆速和洗井兩者協(xié)調(diào)。,3.3井筒鉆進,(二)巖石鉆進中的跳鉆問題 在巖石鉆進中，特別是在中硬巖和硬巖中鉆井時，有時鉆頭、鉆

22、桿和方鉆桿整體上下跳動得十分明顯，或連續(xù)跳動，或間斷跳動，這種現(xiàn)象叫跳鉆。 大直徑鉆井中跳鉆的原因和處理方法： 1刀具脫落時，在工作臺上能感到不均勻的間斷跳鉆現(xiàn)象，這時需提鉆打撈落物，以免損傷其它刀具或刀盤。 2由于刀具布置不當而使井底工作面形成規(guī)則的鋸齒形。當?shù)洱X到達工作面齒頂時向鋸齒谷滑動形成有節(jié)奏的連續(xù)跳動。特別在硬巖中使用球齒時容易發(fā)生。 3巖層有大裂隙或嚴重不均勻，使刀具受力不均而產(chǎn)生跳動。遇到這種情況只能減小鉆壓低轉(zhuǎn)數(shù)，加強洗井謹慎的通過這一地段。,3.3井筒鉆進,(三)井內(nèi)落物的處理 鉆井中刀具脫落，鉆桿拆斷，風管或鉆頭落井等事故時有發(fā)生。對落物必須及時打撈。我國鉆井工地對打撈落

23、物積累并創(chuàng)造了一些切實可行的經(jīng)驗和方法。如電磁打撈器用來打撈牙輪；刮刀等較輕的鋼質(zhì)物體；回形打撈器用于打撈鉆桿；鉗形打撈器可打撈非圓形的落物。此外還有龍門式打撈器、繩式打撈器、套筒式打撈器等?？傊S著落物的不同和井深的不同，而采取不同的打撈方式。,3.3井筒鉆進,3.3井筒鉆進,(四)卡鉆問題 鉆頭由于非設備的原因提升困難，甚至提不起，下放也困難，有時也扭不動，這種現(xiàn)象叫卡鉆。在表土層鉆進多是由于泥包鉆頭；或泥漿失水大而形成厚泥餅；或井幫坍塌；或下放鉆頭時下到工作面沉淀物中都能造成卡鉆。井斜大又不規(guī)則也容易造成卡鉆。 為防止卡鉆應注意以下幾點： 1提鉆頭之前進行一段時間洗井使工作面清潔。在下鉆

24、頭時，下放到離工作面12米即開始洗井，邊洗井邊下放鉆頭至工作面。 2經(jīng)常檢查和調(diào)整洗井液性能，防止井幫坍塌。如已發(fā)生坍塌應加強洗井排除坍塌物并調(diào)整泥漿性能。 3井筒偏斜值大且方向又不規(guī)則，在提升鉆頭時也容易造成卡鉆。這時用局部擴大井徑的方法努力糾斜。,3.3井筒鉆進,(五)洗井液的漏失 這里所說漏失指的是在大裂隙或礫石層中的大量漏失洗井液。這時應進行堵漏。當用泥漿作為洗井液時可調(diào)節(jié)泥漿性能用它作為堵漏材料。如果用清水洗井時，可以用水泥漿去堵漏。最好是在鉆井前，對可能發(fā)生漏失的地層進行預注漿。,3.3井筒鉆進,3.4 洗井與凈化,3.4.1 洗井方式 3.4.2 壓氣排液器 3.4.3 洗井介質(zhì)

25、及泥漿功能 3.4.4 泥漿基本理論 3.4.5 泥漿基本參數(shù)及處理劑 3.4.6 泥漿凈化 3.4.7 廢棄泥漿處理技術(shù),返回,在鉆井中使用連續(xù)流動的介質(zhì)將鉆碎的巖碴從工作面清除并帶出并筒的過程叫洗井。為了能重復使用洗井介質(zhì)，將含有巖碴的洗井介質(zhì)在地面進行分離叫凈化。洗井循環(huán)一般指的是洗井和凈化的總合。 在大直徑鉆井中經(jīng)常使用泥漿和清水作為洗井介質(zhì)，因而把洗井介質(zhì)簡稱為洗井液。,3.4洗井與凈化,3.4.1 洗井方式,3.4.2壓氣排液器,壓氣排液器(空氣吸泥機)的原理與設計計算 在反循環(huán)洗井方式中，使洗井液循環(huán)的動力設備就是壓氣排液器。它的結(jié)構(gòu)簡單，沒有運轉(zhuǎn)部件，制造容易，使用可靠。幾乎是

26、目前反循環(huán)洗井中所通用。缺點是效率較低。 (一)工作原理及結(jié)構(gòu) 在壓縮空氣沒有注入混合器之前，井筒與排漿管的液面高是相同的(其比重相等)。當壓縮空氣通入排漿管，并與洗井液較均勻的混合后，混合液的比重小于洗井液的比重，在井筒內(nèi)液柱壓力的作用下使混合的氣液上升，氣泡上升過程中由于外界壓力減小而繼續(xù)膨脹，其膨脹功轉(zhuǎn)化為動能，提高了混合液上升的速度，直到管內(nèi)外壓力差消失為止。 壓氣排液器的結(jié)構(gòu)形式很多，常用外混合室和內(nèi)混合室。,3.4.2壓氣排液器,3.4.2壓氣排液器,(二)壓氣排液器的計算 壓氣排液器雖然很早就被應用了，對其主要工作參數(shù)計算方法很多，至今沒有一致的公認計算方法。,洗井介質(zhì)：洗井液（

27、泥漿、清水和空氣）。 洗井液的作用（泥漿的功能） 1洗井：鉆井中必須不斷的對工作面進行沖洗，避免重復破碎已破碎的巖碴影響鉆進效果。在使用泥漿洗井時，工作面處流速最小是0.1m/s才能進行洗井，最好在0.3m/s左右為好；用清水洗井時流速在0.1-0.5m/s；用空氣洗井時，其最小風速為10-15m/s。 2護壁：鉆井中隨著井筒的形成，原巖體應力改變了，用泥漿液柱壓力來抵抗地壓。為了防止大量水或泥漿滲入地層引起土膨脹而造成井坍或縮井徑。因此要求有一個好的隔離層泥餅。在基巖中，地壓值比表土層小且穩(wěn)定，故可用清水液柱壓力護壁。巖層中涌水量大也可用泥漿，也可以用清水護壁。 3冷卻鉆具：刀具破巖產(chǎn)生部分

28、熱量，洗井液對鉆具進行冷卻可以加長刀具的壽命。 4 漂浮下沉井壁：井壁用漂浮法下沉時，洗井液起漂浮井壁的作用。,3.4.3 洗井介質(zhì)及功能,泥漿的護壁原理 泥漿在自重作用下向井幫的孔洞和縫隙中滲入。一部分較大的顆粒附在井幫上，而較細小的顆粒(膠休顆粒)則進入地層，孔洞逐漸減小，泥漿在粘土顆粒間的間隙逐漸濃縮、充塞，形成一個薄而韌的泥面叫泥餅，它的滲水能力很小。,3.4.4 泥漿的護壁原理,3.4.4 泥漿的護壁原理,1、泥漿參數(shù) 粘度、比重、PH值、失水率、穩(wěn)定性等。 相關(guān)概念自學。 2、泥漿的配制 配制泥漿的主要材料是粘土和水。鉆鑿一個井筒需用泥漿量很大。隨著鉆進所需要補充的泥漿量也很大。

29、足夠的粘土和各種處理劑。,3.4.5 泥漿參數(shù)及處理劑,3、調(diào)解泥漿性能的處理劑 無論是配制泥漿，還是泥漿循環(huán)中由于加入巖碴等雜質(zhì)或其它原因，改變了泥漿性能，一般采用加入化學藥劑的方法進行調(diào)整。這些化學藥劑稱為處理劑或調(diào)節(jié)劑。常用化學處理劑： 1）碳酸鈉，又名蘇打 泥漿中加入碳酸鈉，能增加粘土的分散性，降低失水量并提高粘度。 2)氫氧化鈉(NaOH)，又名火堿 氫氧化鈉具有強烈的腐蝕性。泥漿中加入氫氧化鈉的作用與碳酸鈉相同. 3)三聚磷酸鈉（Na5P3O10） 4)羧甲基纖維素(簡稱CMC） 羧甲基纖維素是一種高分子化合物。它是用纖維素（棉花、木屑等），經(jīng)過堿化變成堿維素后再與一氯醋酸反應制成

30、的。,3.4.5 泥漿參數(shù)及處理劑,3.4.6 泥漿凈化,凈化:重復使用洗井介質(zhì)，將含有巖碴的洗井介質(zhì)在地面進行分離。,3.4.7廢棄泥漿處理技術(shù),目前世界上各種工程產(chǎn)生的廢棄泥漿處理方式很多，其中立足現(xiàn)場，實行當?shù)靥幚淼姆椒ㄓ泄袒幚砗退练蛛x技術(shù)。 固化處理：用固化劑對廢漿作固化處理，然后如同處理廢土一樣，運走或作充填材料。作固化劑的無機物質(zhì)，有水泥、高爐爐渣、石膏和石灰等。 水土分離技術(shù)：用物理、化學或機械方法，將廢泥漿中固相的土與液態(tài)的水分離，然后分別排除。 廢棄泥漿的處理注意不要危害農(nóng)田和水利?？傊淳旱墓芾硎潜ＷC鉆井施工正常進行，及降低成本的重要環(huán)。,3.5 鉆井井壁,3.5.1

31、 鉆井支護方法 3.5.2 井壁材料及結(jié)構(gòu)型式 3.5.3 井壁受力特點 3.5.4 井壁底和井壁的制作 3.5.5 鉆井法井筒支護工序,返回,3.5.1 鉆井支護方法,井筒鉆進到設計深度和直徑就停止鉆進，進行井筒的永久支護。 永久支護工作：制造井壁，下放井壁和壁后充填。 對井壁的要求： 能承受地壓等永久載荷； 具有足夠的不透水性； 便于機械化施工，成本低制造簡單； 井壁能承受施工載荷。 永久支護的方法： 漂浮下沉法； 分段下放法； 噴射混凝土或水泥砂漿法。,3.5.1 鉆井支護方法,3.5.1 鉆井支護方法,一、漂浮下沉 把在地面預制的不透水的井壁底(俗稱鍋底)，放入井筒使其在洗井液上面漂浮

32、。然后在它上面一節(jié)一節(jié)地將地面預制的整體井壁連接，依自重和在井壁內(nèi)加水助其下沉。這種水稱為平衡水。一直到井壁底下沉至井底，再進行壁后充填水泥漿或水泥砂漿。 優(yōu)點：井壁整體性好，質(zhì)量高；滲透性?。ň诘嗡宦?；成井速度快。 缺點：對井筒的垂直度要求高；井深愈大預制場面積愈大；預制和移運井壁需要專用的起重設備；井筒愈深施工載荷也愈大。,3.5.1 鉆井支護方法,3.5.1 鉆井支護方法,二、分段下放 把地面預制的圓筒形井壁，或由預制塊組成的井壁，分節(jié)運至井口用提吊裝置將井壁一段一段的下放至井筒中，然后進行壁后充填。采用這個方法，要保證井壁垂直的關(guān)鍵在于確保第一段井壁的垂直。這個方法沒有井壁底，第

33、一段井壁下放到距井底2-3m停住，開始往井底澆灌混凝土或砂槳，以固定第一段井壁的垂直狀態(tài)。硬固后才把提吊裝置松開提出，再開始連續(xù)下放井壁工作。 外管充填；預留在井壁上的注漿孔作壁后注漿。 優(yōu)點：適用在深井中。 缺點：井壁整體性差；壁后充填不好井壁滲水；在深井安裝時檢查不便。,3.5.1 鉆井支護方法,三、噴射混凝土或水泥砂漿 在較穩(wěn)定的基巖中，涌水??；或經(jīng)過預注漿堵水的基巖中；或在反井鉆井后，可以考慮用噴射混凝土或水泥砂漿的辦法來支護。 優(yōu)點：可以與井筒臨時改裝同時進行，也不需要占很大面積來預制井壁，施工也比較簡單。,3.5.2 井壁材料及結(jié)構(gòu)型式,井壁材料 鋼筋、鋼材、混凝土 井壁結(jié)構(gòu)型式

34、單層鋼筋混凝土、單層鋼筋混凝土與鋼板復合； 同凍結(jié)井壁內(nèi)壁或外壁。,3.5.3 井壁受力特點,漂浮下沉法中井壁的施工載荷和穩(wěn)定性是兩個關(guān)鍵性的問題。 鉆井法施工的井壁除承受永久地壓的作用外，由于下沉井壁所帶來的特殊受力叫施工載荷。 漂浮下沉時井壁的穩(wěn)定性就是漂浮時井壁不要傾復。 計算方法參考建井工程手冊。,3.5.3 井壁受力特點,3.5.3 井壁受力特點,三種平衡狀態(tài)： 1、穩(wěn)定平衡 也就是由井壁(包括井壁底)自重Gl和平衡水重量G2之和所構(gòu)成的下沉力G，其作用點E低于由浮力Gf的作用點F時，兩力所形成的力偶使井壁垂直。 2、隨遇平衡 下沉力G和浮力Gf兩力作用點重合，而沒有力偶作用于井壁。

35、也就是說井壁在任意位置都是平衡的。 3、不穩(wěn)定平衡 下沉力G的作用點在浮力Gf作用點上面，G和Gt所構(gòu)成的力偶使井壁傾翻，致使井壁靠在井幫上。,3.5.4 井壁和井壁底的制作,在漂浮下沉中永久井壁由井壁底和井壁組成。每節(jié)井壁之間由法蘭盤螺栓聯(lián)結(jié)后再在法蘭盤的一側(cè)焊接。 (一)井壁底 井壁底一般采用預制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其外形有鍋底形(也稱淺碟式)、也有半圓球形、橢圓球形。 高度一般為2.5-6m或更高，底厚為400-600mm。 (二)井壁 預制雙層鋼筋混凝土圓筒形井壁結(jié)構(gòu)。 每節(jié)井壁高根據(jù)提吊設備能力和鉆塔允許的高度，并考慮罐道梁布置等因素來確定，一般6-8m。,3.5.4 井壁和井壁底的制作

36、,3.5.5 鉆井法井筒支護工序,一、準備工作 在井筒鉆進工作結(jié)束時，首先要清洗井底巖碴；進行井深、井徑和井斜的測量并繪制井筒的縱剖面圖和平面投影圖，若井斜過大需進行糾正。 二、下沉井壁（處于漂浮狀態(tài)） 井壁底移到井口與第一節(jié)井壁進行聯(lián)接；對中找正；下沉井壁；連接第二節(jié)井壁；注水；然后再繼續(xù)下沉；循環(huán)往復至全部井壁下沉到設計深度為止。 三、壁后充填 井壁下沉到底并校正后，要進行壁后充填工作，充填物將井壁與井幫之間的洗井液擠走，并使井壁與地層結(jié)合，固定井筒位置，防止地下水串通。 常用的充填材料有：水泥砂漿；水泥漿和混凝土。,3.6 鉆井破巖機理,3.6.1 刮刀破巖 3.6.2 楔齒滾刀破巖 3

37、.6.3 球齒滾刀破巖 3.6.4 盤刀破巖,返回,3.6.1 刮刀破巖,單刀作用 刮刀受鉆壓和扭矩作用，楔入并切削巖石 鄰刀作用 保證其間巖石破碎,3.6.1 刮刀破巖,破巖比能 單位體積巖體破碎所消耗的能量 鄰刀間距為0時趨于最大,返回,3.6.2 楔齒滾刀破巖,楔齒滾刀在滾動中交錯破巖 （接觸面積小、壓力大） 振動沖擊、壓碎作用 單齒、雙齒交錯觸巖，形成振動沖擊、壓碎作用,3.6.2 楔齒滾刀破巖,返回,剪切作用 巖石抗剪強度小 通過刀具在井底滑動實現(xiàn) 超頂、縮頂、移軸（軸線平移、偏轉(zhuǎn)）,3.6.3 球齒滾刀破巖,返回,球齒接觸面積更小、接觸壓力更大 齒下受壓破壞 齒間受拉破壞,3.6.

38、4 盤刀破巖,返回,觸面積小、接觸壓力 刀刃下受壓破壞 刀刃側(cè)巖石在側(cè)向剪力作用下崩裂，巖渣呈大塊,3.7 鉆井參數(shù),3.7.1 比壓 3.7.2 轉(zhuǎn)速 3.7.3 泥漿沖洗量 3.7.4 鉆進速度,返回,比壓：刀具與巖石的接觸壓力 I段：比壓小于巖石強度, 研磨 II段：刀具重復作用，產(chǎn)生疲勞破壞 III段：比壓大于巖石強度，鉆速高 面積比壓與長度比壓：,3.7.1 比壓,3.7.1 比壓,返回,3.7.2 轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速：鉆頭每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù) 影響因素： 表土護壁 泥漿對側(cè)壁的沖刷-最大沖刷速度 基巖破巖效果 刀具對巖石沖擊次數(shù)增多，轉(zhuǎn)速加快 刀具與巖石接觸時間過短破巖效果不好-臨界轉(zhuǎn)速 刀具

39、磨損 轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵因素，0.91.9m/s 常用轉(zhuǎn)速 一般030轉(zhuǎn)/min， 常用：510轉(zhuǎn)/min,返回,3.7.3 泥漿沖洗量,目的: 及時排渣，保持井底干凈，讓刀具與巖體接觸，避免二次破碎 要求 泥漿上升速度最大塊巖渣下沉速度 沖洗速度（徑向流速）： 泥漿：0.3m/s, 清水洗井： 0.5m/s 提升巖渣需要,返回,3.7.4 鉆井速度,鉆進速度： 純鉆進速度 機械鉆進速度 鉆井速度 鉆孔總深度與總鉆井時間之比 成井速度 鉆井井筒深度與井筒總施工時間之比,返回,3.8 立井鉆機的基本計算-自學,3.8.1 鉆壓和鉆頭重量 3.8.2 大鉤提吊能力與鉆井速度 3.8.3 主絞車額定拉力與電動機功率 3.8.4 轉(zhuǎn)盤扭矩及其電動機功率 3.8.5 鉆井