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矿山钻井法

/shaft boring/
条目作者崔广心巴肇伦 撰王建中 修订
条目作者崔广心

崔广心

巴肇伦 撰

巴肇伦 撰

王建中 修订

王建中 修订

最后更新 2023-02-09
浏览 178
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用钻井机钻凿竖井井筒的特殊凿井法。在地面采用大直径钻井机向地层钻进竖井,以洗井液护壁并排渣,悬浮下沉预制井壁作为永久支护,实现人员不下井的机械化凿井方法。

英文名称
shaft boring
实行时间
1850
所属学科
矿业工程

1850年德国工程师肯特用改造的冲击钻机钻进了世界上第一个井筒,1894年德国工程师霍尼希曼研制成分次扩孔旋转钻机,为现代钻井法奠定了基础。美国于1910年引进钻井法,到20世纪50年代迅速发展,钻井直径多为1.5~4.5米,钻井深度达1708米。中国于1969年开始使用钻井法,至2016年已施工井筒90多个,累计钻井长度超过20千米,最大钻井深度662米,最大钻井直径达10.8米。钻井法在掘进和支护两个主要工序上实现了凿井综合机械化和一定程度的自动化,工人不下井操作,作业安全,劳动生产率高。钻井法凿井成井速度30~40米/月。                     

包括钻具、提吊系统、旋转系统、洗井系统及其他辅助设施。钻具由钻头和钻杆组成,用于破岩和传递转矩,钻头刀盘上镶嵌不同形式的刀具。钻具由钻塔和提升设备组成的提吊系统下放或提吊。旋转系统通过转盘转动钻杆。洗井系统驱动洗井液循环流动,冲洗岩渣并保护井壁。此外还有起重、打捞和测井仪表等辅助设钻井机与钻进示意图钻井机与钻进示意图备。钻井的主要工序是钻进、洗井和支护。中国矿山钻井机起初由石油钻机改装而成,在20世纪70年代陆续研制出第二代大型钻机。为满足深厚冲积层和中国西部软岩地层大直径井筒施工的需要,相继研制出了一批大功率钻井机。

根据钻井机能力和井筒直径的不同,分为一次全断面钻进和先钻超前小孔然后分级扩孔钻进。在松软冲积层中多用刮刀或长齿滚刀,软岩中用楔齿滚刀,硬岩中用盘形滚刀和球齿滚刀。刀具在钻头自重作用下压入岩石,旋转、挤压、剪切、破坏岩石。影响钻进速度的主要因素是钻压、转速和洗井净度。钻头重量作用在刀具上的垂直压力称钻压,其大小由刀具压入岩石的条件决定。通常楔齿滚刀常用长度比压,即刀具与岩石接触的单位长度上的压力;球齿滚刀常用面积比压,即刀具与岩石接触的单位面积上的压力。为保证钻井垂直度,常使钻头处于半悬吊状态,仅用钻头在洗井液中重量的40%~60%作为钻压钻进,称减压钻进。刀具破岩的速度随钻头转数的增加而加快。转数受钻头外缘线速度、刀具允许自转速度与转盘扭矩约束。钻头外缘线速度因护壁要求,在流砂层一般小于或等于0.7米/秒,土层中小于或等于1.5米/秒,基岩一般小于3米/秒。

为减少岩渣重复破碎,提高钻井效果,要求较好的洗井净度。洗井液的性能、流量、流体的压力和钻头结构形式等,都对洗井净度有直接影响。表土层钻进用泥浆作洗井液,其密度为1.15~1.25克/厘米3,黏度17~25帕·秒,失水量每30分钟6~12立方厘米,泥饼厚0.5~1.5毫米,pH为7~9,胶体率≥97%,含砂量≤2%~3%。在岩石中钻进时可用清水作洗井液。洗井分为正循环洗井、反循环洗井和混合法洗井。一般采用洗井液自钻杆内流出的反循环方式,有的国家采用混合循环,正循环洗井仅用于小直径井筒钻进。反循环时由压气排液器(也称空气吸泥机)驱动洗井液循环流动,把岩屑带出井筒外。

使用预制钢筋混凝土井壁、钢板井壁、预制丘宾筒井壁或钢板-混凝土复合井壁等。常用悬浮下沉法下放井壁。通过一个特制的井壁锅底与井壁连接。各节井壁用钢制法兰盘和螺栓联结,法兰盘外侧焊接密实并涂以防水涂料,以防漏水。井壁下沉时,井筒内要适量灌水,以控制下沉速度。井筒外侧也要注水,以减小下沉时的摩擦阻力。井壁接长、下沉至井底后,再进行壁后注浆充填。深井可分段下放井壁,分段注浆充填或在最后一次充填。

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