厚冲积层竖井冻结孔测量控制
冻结法最初起源于天然冻土地层。19世纪初西伯利亚的采金者首先利用自然冷源-天然冻土下挖凿。1862年，英国人在南威尔士的建筑基础施土中，首次采用了人土制冷技术来加固土层，从此揭开了人土冻结法在工程中应用的序幕，1880年, 德国工程师 F. H. Poetch 在国际上首次提出并获得人工冻结法专利。1883年德国技术人员在阿尔巴里德煤矿土程中采用冻结法成功地开凿了深达103m的竖井筒，并获得了冻结法开凿的专利。1886年瑞典在一个长24 米的人行隧道施土中首次使用了水平冻结技术。随后人工冻结法开始在英国、瑞典、波兰、前苏联、美国等许多国家的煤矿和其他工程中应用，并取得了很好的成效。天然冻土具有较高的强度及不透水性，启发人们采用人工冻结施工法。人工冻结法要依靠制冷剂的物理传热过程来把地层冻结。使含水、低强度、又易于流动的常温地层变成有相当强度的、不透水的冻土地层结构。土层被冻结后，其强度可增大几倍、数十倍甚至百倍，土壤中的水结成冰晶且充满孔隙，可隔断地下水的联络，达到封堵水的目的。这样就可以抵抗地层水平向压力。然后在冻结孔圈保护下进行地下工程开挖，支护和构筑永久性设施。我国于1955在开滦林西风井开凿中首次应用人工冻结法建造立井，截止去年（2011）已建成近千余个立井井筒，井筒总长度达上百公里。目前人工冻结法工程中的应用领域包括特殊地层凿井、地铁工程土层加固、隧道工程土体加固、桥梁桩基工程、特殊地段工程事故处理等。特殊地层凿井以厚冲积地层竖井建设难度最大。我国利用人工冻结法大深度凿井工程成功范例有中煤特殊凿井公司开凿的安徽国投新集能源股份有限公司口孜东煤矿的737m的主井，617m的副井，626m的风井，甘肃正宁核桃峪煤矿的890米主、副井。我国已成为世界上用冻结法凿井穿越表土层最大厚度的国家之一。复杂的地质水文条件和其它条件制约着厚冲积地层的竖井工程建设，在这一领域靠单一技术手段难以解决问题，对于钻500米以内的浅井困难并不大，但要钻大于700米的深井那就很困难。要保证冻结效果，钻孔必须在设计轨迹允许的偏离范围内。过去的技术手段很难保证这个目的。这就使得集成了大量高新技术的设备开始应用。JTL-40D冻结孔陀螺测斜仪、LG-2000导向螺杆钻具等设备就是集成了许多高新技术为一体的新设备。陀螺测斜仪是一种地下钻孔空间轨迹的测量仪器。但JTL-40D冻结孔陀螺测斜仪是专为冻结孔钻进定向、测量而设计的高新技术产品。钻孔空间轨迹需要采用两个主要参数来描述，钻孔的顶角和钻孔的方位角。JTL-40D冻结孔陀螺测斜仪顶角测量采用重力加速度传感器，具有测量精度高、性能稳定等特点，顶角精度优于0.05度。JTL-40D冻结孔陀螺测斜仪采用光纤陀螺元件直接检测地球自转角速度及其在各方向的分量来测量方位，和其它陀螺元件相比，其性能有很大提高。比如，框架式机械陀螺元件和硅微机械陀螺元件的方位漂移较大、寿命较短、结构复杂、使用不方便、测量的方位是相对方位、维修费用高等等缺点。光纤陀螺元件是一种可以敏感地球转速的高灵敏度传感器，使用时无需在地面进行方向校准，它可以自主寻北，得出的方位值就是钻孔倾斜真北方位角，而且没有方位漂移。方位测量精度优于±2度。地球自转角速度是一个矢量，可以定义它的方向是地球自转轴并指向北极上空，数值为15.04度/小时。由于地球自转角速度非常稳定，利用测量地球自转角速度和在各方向的分量值，来确定钻孔方向与地球自转角速度矢量间的关系，再计算出钻孔的方位，这种测量方位的方法称自寻北。自寻北就是指，不需要测前先对北，直接在测量点找出地球自转角速度的方向即真北方向。采用自寻北技术是陀螺测斜仪的一大技术飞跃。尽管自寻北陀螺测斜仪还有一些缺点，但它的优势是非常明显的，主要体现在以下几个方面。1．自主找北，不需要事先对北，没有对北误差。2．没有框架陀螺所需的三度平衡框架，可靠性高。3．每个测量点寻北，不需要电子陀螺的积分测量环节，从而没有漂移误差。可靠性高、使用方便、测量精度高三大优势使自寻北式陀螺仪非常有前景。自寻北陀螺测斜仪是目前唯一可以在任何地区（南北半球）任何场合（不分有无磁性干扰）应用的测斜仪。JTL-40D冻结孔陀螺测斜仪有纠偏定向功能在测量同时就可以边测边纠偏、纠斜。下图中的工具方位角和工具垂向角指示出导向螺杆钻具造斜面的位置。LG-2000系列导向螺杆钻具和普通螺杆钻具一样，核心是一个容积式马达。利用高压钻井液的液压能使之转变为机械能的新型井下动力工具。钻具能以油基泥浆、乳化泥浆和粘土泥浆等各种钻井液为动力液，适应性强，可进行水平井、丛式井等特殊井的钻进作业，大大提高钻井的速度和经济效益。现有产品规格有Φ120、Φ165、Φ172、Φ197、Φ203、Φ216外径的直螺杆、单弯螺杆等。经过在长庆油田、四川油田等国内各大油田使用，最长寿命超过495小时，接近国际水平。螺杆钻具与传统的转盘带动钻杆钻进相比有以下优点。Ø
钻井液输入流量与钻具输出转速成正比。Ø
钻具输出扭矩与钻井液通过马达产生的压力降呈线性关系。Ø
钻具旋转动力只用来驱动钻头，减少钻杆磨损，简化操作，提高钻井精度，节约钻井动力。Ø
钻具输出转速低、扭矩大、纯钻时间长。Ø
钻具采用多列推力向心球轴承组，耐高压、进尺快。Ø
钻具采用镶焊硬质合金径向轴承，使用寿命长。Ø
钻头水眼压降高达7.0MPa，钻头水马力大，冲洗钻头干净，可防止钻头泥包。导向螺杆钻具的使用与常规螺杆钻具基本相同。由于导向螺杆钻具带有弯壳体、扶正器等特殊结构，因而使用时需要注意以下问题。导向螺杆钻具的造斜率，由于导向螺杆钻具可以设计为各种不同的结构形式，用户在使用螺杆钻具时，又往往采用不同形式的钻柱组合，加之不同地层结构的影响，因此，往往难以简单地给出导向螺杆钻具的造斜率指标。仅仅从导向螺杆钻具的结构而言，其造斜率受很多因素的影响。a.在钻具组合不变的情况下，弯角越大，造斜率越高；弯点到钻头的距离越近，造斜率也越高。弯壳体弯角大小和弯点位置对造斜率影响较大。b.不带扶正器的小直径螺杆在弯壳体弯点下部焊垫块，有助于提高造斜率，但会增加下井难度。c. 螺杆带扶正器时有助于提高螺杆钻具的造斜率，扶正器形式不同，对造斜率有一定影响；使用单翼或多翼不对称扶正器可增加造斜率，但在导向钻进时由于其所受负载的不均匀性，会缩短螺杆的使用寿命。d.在钻具组合不变的情况下，井眼尺寸越小，造斜率越高。e.在高造斜井段应该考虑螺杆的整机长度，已保证螺杆能通过该井段。f.应当注意检查导向螺杆钻具不同部位的角度之间及其与非对称稳定器的共面。共面误差较大时，对造斜率影响很大，或者使井眼方位难以控制。g.下井前要确定工具面（弯向）和引鞋安装的正确与否。导向螺杆钻具的造斜率，在钻井作业过程中表现为井斜角的变化或者井眼方位的变化。当感觉造斜率不够时，应当同时注意井眼方位角的变化情况。冻结孔钻进的进尺问题，钻具组合不当，或者导向螺杆钻具的弯角大小和弯点位置，扶正器形式、直径尺寸与井眼或地层不匹配，可能导致机械钻速变慢甚至没有进尺。选用导向螺杆钻具时，应当综合考虑造斜与进尺的互相影响。钻进过程中，随着井斜角的增加，如果出现进尺减少的情况，在首先排除钻头磨损等影响因素；其次检查立管压力表的变化，并考虑钻具组合和导向螺杆钻具结构的影响，避免井壁托压现象的发生。导向螺杆钻具通常带有弯壳体及稳定器，钻头的偏移距较大，导向钻进会使导向螺杆钻具和其它井下工具受到很大的侧向力。因此，开动转盘实施复合钻进可能引起井下事故，影响钻井作业的安全。当采用导向钻进时，转盘转速应不超过75rpm，弯壳体角度在l.5°以上的钻具，导向钻进时转盘不允许旋转，避免因侧向负载过大造成螺杆损坏。井斜越大，所许开动转盘的弯壳体角度越小。冻结孔陀螺测斜和导向螺杆钻具的应用是钻出高质量冻结孔的基本保证。冻结孔偏离设计轨迹过多尤其是穿并孔是重大事故。要钻出满意的冻结孔不但需要先进的设备保证还要有很高的施工技巧和制度保证。
171795276 最后编辑于 2012-01-10 11:09:44
