信湖风井钻井工程洗井工艺参数设计

2022-09-12

一、工程概况

井筒穿过的地层有第四系、上第三系、上石盒子组下石盒子组。第四系、上第三系砂层松散, 粘土层较厚, 粘土层厚度较大, 可塑性强, 膨胀量大。二叠系地层以泥岩、粉砂岩为主, 砂岩次之。

钻井直径Φ9.8m, 深度472m, 采用Φ6.0m超前钻和Φ9.8m一级扩孔钻进方案。采用AD130/1000型动力头钻机施工。

综合以上情况可知, 信湖煤矿风井钻井工程的特点是:粘土层进厚, 可塑性强, 膨胀量大, 造浆性强, 且有缩径风险, 钻进采用一扩成井, 切割面积大。因此合理选取洗井参数, 提高吸收效果是提高信湖钻井施工速度的关键因素之一。下面就以信湖风井钻井工程为例, 介绍一下钻井洗井参数的计算方法。

二、反循环洗井原理

AD130/1000型动力头钻机采用外风管供风, 泥浆反循环洗井:泥浆从泥浆池流入井筒, 依靠钻杆内混合器中的混合气液形成的钻杆内外压力差为动力, 当泥浆通过钻头工作面冲洗钻屑, 并携带钻屑从钻杆排出至泥浆池, 形成洗井循环。

根据压力平衡原理可得出=+

经整理得

式中:h—泥浆液面高度;

hs—风管埋深;

hd—扬程;

rx—泥浆密度;

ry—三相混合液密度;

rz—二相混合液密度。

从上式可以看出, 当泥浆液面高度、扬程、泥浆密度一定时, 风管埋深是影响泥浆携带钻屑的能力和所需风量大小的一个决定因素。

而对于一定的风管埋深, 风量越大, 其膨胀功转化为泥浆的动能越大, 则泥浆循环量也越大。泥浆循环量人大小直接反应为所需风量的大小。当风量一定时, 风管埋深越大, 泥浆排渣能力越大。

综上所述, 影响洗井效果的主要参数有:泥浆循环量、风管埋深、风量和空压机的排气压力。

三、洗井参数设计计算

1. 泥浆冲洗量计算

(1) 泥浆冲洗量

式中:Q—泥浆冲洗量;

v—泥浆上返速度;

S—钻杆内通水面积, 0.1662m2

式中:v1—钻屑在泥浆中的临界速度;

v2—岩屑颗粒的上返速度;

式中:k1—系数, 3.8~5.0, 一般取上限;

r1—岩屑密度, 2.24g/cm3;

rx—泥浆密度, 1.2g/cm3;

d—岩屑直径;

式中:S0—钻头工作面面积;

k2—系数, 出浆口与回浆口泥浆密度之差, 小于0.03, 取0.02;

u—钻进速度。

经计算:当Φ6.0m超前钻进, 钻进速度0.5m/h时, 泥浆冲洗量为:1208 m3/h

当Φ9.8m扩孔钻进, 钻进速度0.5m/h时, 泥浆冲洗量为:1698 m3/h

(2) 所需泥浆冲洗量验算:

依据公式

式中:a—冲洗泥浆的允许含矸率0.04

经计算:Q=75.4×0.5/0.04=942.4m3/h<1698 m3/h, 满足要求。

2. 风量需求计算

(1) 压风需求量

式中:q—风浆比。

a—风管埋深系数 (AD130钻机为外风管, 风管埋深随钻进深度增加而增加, 正常钻进时风管埋深一般为100~150m, a=0.86~0.9) 。

经计算:

Φ6.0m超前钻时, 压风需求量V=37.8~38 m3/min

Φ9.8m扩孔钻时, 压风需求量V=53.1~53.4 m3/min

(2) 压风需求量验算:

依据提升单位×体×积泥浆所需风量

式中:K1—系数K1=2.17+0.016hs=2.426

Hs—压风管埋入深度hs=[ (P-△P) /rx]×10

P—空压机供风压力P=20kg/cm2△△

P—供风管路压力损失P=2kg/cm2

经计算V0=1.5837m3/m3

钻进时所需最大供风量分别为:

Φ6.0m超前钻时, 所需最大供风量V=31.88m3/min, 设计满足要求。

Φ9.8m扩孔钻时, 所需最大供风量V=44.80m3/min, 设计满足要求。

3. 风压计算:

(1) 开启风压

经计算, P=14~20 kg/cm2。

(2) 正常工作时风压

式中:rCM—泥浆与空气混合后的密度, 取0.858g/cm3。

经计算, P=15~21 kg/cm2。

故选用3台空压机, 供风压力为21kg/cm2, 供风量为20 m3/min。总供风量3×20=60m3/min。供风其富余系数:K压=60/53.4=1.12。

四、沉淀净化系统设计

1. 沉淀池的设计计算

(1) 细粒岩屑在泥浆中的沉淀速度

式中:d—岩屑最小颗粒直径d=0.025cm

r1—岩屑的密度P1=2.24g/cm3

rx—泥浆的密度P=1.20g/cm3

η—泥浆粘度η=0.21泊

g—重力加速度g=981cm/s2

经计算, W=0.1265cm/s

(2) 泥浆在沉淀池中的流速

式中:Q—泥浆循环量, 1700m3/h;

H—沉淀池平均深度, 1.2m;

B—沉淀池宽度, 8m。

经计算, W1=4.92cm/s

(3) 沉淀池长度

取沉淀池的有效长度为60m, 其余量系数K2为60/46.67=1.28。

因此, 沉淀池的规格为长L=60m, 均深H=1.2m, 宽B=8m。

五、程实际应用情况

信湖煤矿风井在钻井法施工过程中, 安装了3台GR200-20型空压机, 最大风压200bar, 额定风量20 m3/min。开孔时采用压气正循环洗井, 在正常钻进过程中, 采用压气反循环洗井, 风管埋深控制在100~145m左右, 泥浆密度控制在1.1~1.2g/cm3, 实际钻进速度按0.3~0.5m/h控制。泥浆循环正常, 洗井效果良好。在施工中仅发生一次轻微缩径现象, 经扫孔处理后恢复正常。由此可见, 科学合理地制定钻井洗井参数, 并在实际施工中进行参数优化, 是钻井法施工的关键。本例设计也为加快信湖矿风井钻井法施工提供了良好的保障。

摘要：文章分析了钻井法反循环洗井原理和影响洗井效果的主要因素。以信湖煤矿风井钻井工程为例, 设计计算了钻井过程洗井参数, 并对实际应用情况进行了说明。

关键词：钻井法,洗井参数,泥浆循环量