浅水湖泊水上煤田钻探施工关键技术

2014-06-26赵俊峰刘满才程志忠

安徽理工大学学报（自然科学版） 2014年2期

赵俊峰，刘满才，程志忠，谢焰

(1．淮南矿业(集团)有限责任公司地质勘探工程处，安徽淮南 232052;2．安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

根据淮南矿业集团公司规划，顾北矿须准备南翼采区，以满足采场接替需要。南翼采区因受地面港河影响，勘探程度低，各煤层共25个设计工作面达不到《安徽省煤矿含水层下开采若干规定》控制精度要求，必须对港河区域进行水上地质补充勘探。

港河为一条自西北向东南流向的内河，流经安徽利辛县和凤台县境内，最终注入西淝河。自港河闸建成后，港河水位上升，港河勘探区湖面正常水面宽度为1km左右，勘探区水域面积达6.0km2。

国内自上世纪七十年代起陆续开展过水上煤田勘探项目，并取得了一些技术成果[1－4］。与以往的煤田水上勘探相比，港河水上煤田勘探遇到了很多新的技术难题，包括:港河为高密度养殖区，对泥浆污染防控技术提出了很高的要求;勘探区新地层厚度大，且顾桂NWW大型张性隐伏断裂构造带通过勘探区，邻区钻孔证实该构造带岩层破碎，钻孔施工难度大;受水、陆交通条件的限制，船舶不能从船厂运抵勘探区，需要在勘探区湖岸建设船台，进行就地造船;港河湖区非汛期水位较浅，最大水深为1.4m，一般为1.0m左右，湖底工程地质条件复杂，需要进行航道设计并进行航道疏浚。

淮南矿业集团地质勘探工程处经过精心组织和科技攻关，在港河湖区顺利完成了12个水上钻孔的施工，工期提前10个月，为顾北矿25个工作面提高上限开采提供了地质依据，仅提高回采上限一项，就增加了可采量945.36万吨，确保了矿井开采正常接替，效益显著。本文在总结已有水上勘探成果的基础上，结合港河水上勘探工程实例，对浅水湖泊水上煤田钻探的施工关键技术做一介绍。

1 技术方案及施工技术

1.1 泥浆污染试验

在钻井作业过程中，钻探泥浆被称为钻探的“血液”，起着维护孔壁稳定、冷却钻头、润滑钻具和排出岩粉的作用。钻探泥浆由无机物、有机物、各种处理剂和惰性材料组成，钻井泥浆会产生含有重金属、碱等污染物，还具有高CODCr、高pH、高悬浮物等特性。其中，CODCr是评价有机污染的综合指标，其对水体中生物的影响最为显著，同时CODCr也是各项污染指标中最难处理达标的，它以其毒性和减少水体中溶解氧的形式，最终导致水质恶化变臭，对生态系统产生影响;碱会使水体的pH增加从而影响周围生物体的生存环境，破坏自然界的生物多样性。因此，须对泥浆的污染性进行分析。

与陆地勘探相比，水上勘探钻孔周围为水体，钻探泥浆泄漏会直接对水体产生污染。由于港河为高密度水产养殖湖区，泥浆对水体的污染程度控制好坏是决定本勘探项目成败的关键。

参考国家环保局有关水和废水监测分析方法[5］，对现场取得的泥浆试样进行测试，测得钻井泥浆浸出液有毒有害成份如表1所示。

表1 钻井泥浆浸出液测试参数

由表1可以看出，钻井泥浆浸出液中重金属污染物Cr、Cd未检出，但对比《污水综合排放标准(GB8978一1996)》三级标准，可知 CODCr超标近18倍，悬浮物超标6.5倍。若直接排放，将会对环境产生很严重的不良影响，故应该做好防范措施。

目前国内外对废钻井液处理方法主要有:处理后排放、固液分离、填埋、土壤耕作和坑内密封等。根据本工程的实际情况，采用了钻探施工中对泥浆封闭循环、集中收集、经处理后异地排放的处理措施。泥浆全循环封闭系统包括隔离泥浆与湖水混合的孔口管和设置在平台的泥浆循环槽和泥浆池组成。

1.2 钻孔结构

港河勘探区新地层达390.35～509.10m，含多个含水层，勘探区有顾桂NWW向张性隐伏构造带通过。邻区钻孔证实该构造带岩层十分破碎，且影响到新生界，本工程开展前，顾桂隐伏构造带宽度在本区的影响宽度尚未确定。此外，港河水位变化大，在汛期水深可达5.0～6.0m，工程将因平台淹没而中止施工，而导致较长时间的停工。在上述的地质条件和施工条件下施工极易发生跨孔事故。如果跨孔后，需要重新开孔，造成叉孔，而原来的老钻孔可能成为井下的导水通道，诱发透水事故，因此，本工程采用了新地层全程下套管的措施，杜绝安全隐患。

钻孔结构为:在0～20.0m，开孔孔径为φ245mm，下入φ194mm×8mm孔口管并固管;在20.00～至基岩面以下30m，孔径φ171mm，下入φ146mm×5mm套管并固井;基岩面以下30m至终孔，孔径为φ94mm，为裸孔钻进。

1.3 船舶选型与现场造船

1.3.1 船舶选型根据功能不同，本工程所用船舶分为人员交通运输船、材料运输船和起重工作船。

1)人员交通运输船。人员交通运输船负责上下班工作人员的运输，根据湖区水深和钻机平台工作人员的数量，选用吃水深度0.8m的10人座的交通艇和摩托艇。

2)材料运输船。机动驳船担负材料的运输工作。运输船一般有拖船和顶推船两种型式。由于拖带运输系柔性连接，适于航道弯曲半径较小的航道。港河水底地形复杂，航道弯曲半径大，故采用拖船形式。

运输船的尺寸要根据运送的钻井设备的最大长度和宽度来设计，据此，材料运输船选择为2条驳船，每条驳船长16m、宽4.5m，吃水深度0.5～0.7m，排水量为60t。拖轮主机为6135CaB2型柴油机，动力160kW，吃水深度1.0m，排水量20t。

3)起重工作船。起重工作船和16吨的汽车吊共同担负水上安装和拆迁平台设备的专用运输工作和起重工作。为保证汽车吊有足够的作业面积，且考虑到汽车吊在工作时有较长的力臂，船身容易发生倾覆，为保持船身稳定，起重工作船要有足够的船身宽度。

经过计算，采用双体驳船作为起重工作船。双体船由2条单船连接而成。单船长16.0m、宽4.5m、高1.9m，吃水深度0.5～1.0m。

双体驳船加工工艺是:用10根22号工字钢梁横担船面，通过垫木用螺栓紧固在甲板和龙骨上。船面铺厚度为100mm的木板。两船间隙0.5m，下部用22号工字钢梁焊接，船头船尾孔隙用铁板焊接。拖轮主机为6135CaB2型柴油机，动力160 kW，吃水深度为1.0m，排水量20t。

1.3.2 现场造船受港河勘探区水、陆交通条件限制，除了小型的摩托艇和拖船可直接运抵码头外，起重船舶必须在码头就地造船。

现场造船首先要建设码头。码头不但作为材料水陆转运的地点，同时兼作船舶加工的船台。由于码头要承受一定的荷载，因此，码头堤岸的边坡应根据相应规范进行设计，以保证码头有足够的地基承载力。

造好的船舶在进行密性监测后，再用安全气囊、吊车辅助及牵引船牵引的方法使船舶下水，经航行试验检验合格后方可作业。

1.4 航道设计及疏浚

1.4.1 航道设计港河水深较浅，一般为1.0m左右。受港河老河岸的影响，湖底地形和地质条件复杂。为保证航运安全，须勘察水位，确定航线，再根据航道相关标准，进行航道设计和疏浚[6］。

1)航道标准深度设计。航道标准深度是航道在枯水期内所应维护的最小水深，是航道的主要尺度。应按照下式计算

式中:H为航道标准深度;T为允许通航船舶的最大吃水深度;h为富裕水深，根据水底底质确定，土质取0.3m，石质取0.5m。

根据本工程的实际情况，航道标准深度取1.5m。

2)航道标准宽度设计。航道标准宽度是指在设计最低通航水位时具有航道标准水深的航道宽度。须考虑船舶(队)的尺度、船(队)型、船性，航道形态、水流流态、气象情况等。船舶在航行时，因受各种因素的影响将产生一定的飘角。由于飘角的存在，航迹带宽度总比船舶本身的宽度大，飘角越大，所占航道也愈宽。

航道的宽度可用下式计算

式中:B为航道标准宽度;b为设计船队(或单船)宽度;L为设计船队长度，拖带船队为最大单船长度;α为航行飘角;Δb为上、下行船队的横向舷距;D为船舷上航槽边线的距离。

考虑到本勘探区的实际情况，本勘探区航道标准宽度取40.0m。

3)航道浮标安装。浮标是指导船舶安全通航的重要指示器[7］，浮标要设置牢靠。由于港河没有其他航行船只，基于港河的实际情况，在航线两侧插入3.5m长的竹竿作为临时性航道指向。

1.4.2 航道疏浚航道疏浚要采用专门水下施工设备。疏浚工程采用的挖泥船按工作原理不同可分为水力式和机械式两大类。水力式是利用泥泵进行吸泥和排泥，主要有吸扬式挖泥船，包括直吸式挖泥船和耙吸式挖泥船等;机械式是依靠泥斗挖掘水下土石方，主要有链斗式、抓扬式挖泥船和铲扬式挖泥船等。机械式作业时，需配备足够数量的泥驳以运送挖出的泥土。非自航的吸扬式挖泥船需配备排泥管道。

挖泥船的性能是挖泥船选型的主要依据，主要包括:船长、船宽、吃水、功率、机动性能、挖泥深度、适挖土质、泥土疏松和处理方法、抗风能力以及各种工况条件下的生产率等。一般根据疏浚地区的土质及施工条件，选择最适宜的挖泥船型。

根据港河土质和施工条件，最终选定采用抓斗式挖泥船，柴油机型号495，动力40kW。

1.5 沉塔式钻井平台设计

水上钻井施工设备的选择是水上钻井工程的关键环节。钻井主要设施有水上自升式平台、钻井船和沉塔式平台。水上施工设备的选择应根据流速、水深等情况来确定。沉塔式钻井平台适用于流速较低、水深为2.0～3.0m以浅的湖泊钻井。港河水上勘探采用了沉塔式钻井平台。

沉塔式钻井平台结构包括沉塔、平台和钻塔三部分。沉塔呈正四棱台形状。沉塔式钻井平台设计包括承载力和抗倾覆验算二个方面。

1.5.1 承载力设计承载力设计包括地基承载力、沉塔承载力和平台纵横梁承载力设计三个内容。

1)地基承载力。平台所有荷载最终要有地基来承担。这些荷载包括沉塔、钻塔、平台和设备重量以及施工过程中的工程荷载(如钻孔事故处理工程中强力提拔对平台产生的工程荷载)，因此，要根据地基承载力和上部总荷载的大小应用岩土力学方法确定沉塔总的底面积。

2)沉塔承载力。平台总荷载要通过沉塔传递给地基，因此，要根据钻塔、平台和设备重量以及施工过程中的工程荷载确定沉塔个数，并根据结构力学方法进行沉塔构造设计。

3)平台纵横梁强度。钻井平台通过纵横梁与沉塔相连，因此，要根据平台上的载荷分布情况，应用结构力学方法确定沉塔的位置和梁的构造。

1.5.2 抗倾覆验算平台设计除了要进行垂向承载力验算之外，还要进行风荷载作用下的抗倾覆稳定性验算。在平台布置过程中，要收集勘探区湖面气象资料，根据风向和风力验算平台的抗倾覆稳定性，确定平台的长宽布置方向。在风力较大的季节，拆除或部分拆除塔衣，减少风荷载的作用。

1.5.3 平台构造通过以上设计，港河勘探区水上钻井平台主要构建尺寸为:平台30.0m×12.0m;钻塔底部5.5m×5.5m，顶部1.4m×1.4m，高度为18.0m;沉塔上部1.5m×1.5m，下部1.8m×1.8m，高3.5m，共17个。根据平台荷载分布特征，平台分为3个区。沉塔和纵横钢梁的布置要按照平台荷载实际分布进行布置。Ⅰ区主要存放管材、钻具等，面积较大，但是载荷相对较小，沉塔和钢梁布置较疏;Ⅱ区安装钻机、钻塔和摆放钻具等，荷载较大，沉塔和钢梁布置较密;Ⅲ区安装泥浆泵、动力机等辅助设备，荷载较小。平台布置和沉塔构造如图1、图2所示。