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大口徑鉆井設(shè)計(jì)

2026-04-15

摘要：本文圍繞大口徑鉆井設(shè)計(jì)，闡述了鉆井結(jié)構(gòu)與次序的設(shè)計(jì)原則、示范案例，以及井場(chǎng)布局、保護(hù)、地基和設(shè)備安裝等關(guān)鍵內(nèi)容。

一、鉆井結(jié)構(gòu)與鉆井次序

每口大口徑鉆井均需結(jié)合工程要求、地質(zhì)條件及水文地質(zhì)資料，開(kāi)展鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆井次序作為核心內(nèi)容同步納入設(shè)計(jì)范疇。鉆井結(jié)構(gòu)是鉆井施工的核心依據(jù)，其設(shè)計(jì)合理性直接決定鉆井工程的成敗，因此需給予高度重視。

鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需綜合考量鉆井工藝要求、現(xiàn)有設(shè)備性能及施工能力等關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)流程應(yīng)遵循“從終井直徑向上推導(dǎo)”的原則，遇地層巖性變化、井管下入等特殊要求時(shí)，合理進(jìn)行變徑設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)需嚴(yán)格遵循以下原則：

1.全面契合工程及地質(zhì)對(duì)鉆井的核心要求，重點(diǎn)把控鉆井斜度、井徑精度等關(guān)鍵指標(biāo)，確保鉆井成果滿足后續(xù)使用需求。

2.配備充分可靠的技術(shù)保障措施，井徑設(shè)計(jì)需預(yù)留合理余量。例如，終井直徑設(shè)計(jì)時(shí)，在條件允許的前提下，應(yīng)從上至下加大一級(jí)規(guī)格，規(guī)避因中途地層變化、水文地質(zhì)條件異常導(dǎo)致的井徑縮減問(wèn)題，保障鉆井施工連續(xù)性。

3.精準(zhǔn)掌握地質(zhì)資料及地層變化規(guī)律，嚴(yán)格落實(shí)前期勘察要求。大口徑鉆井井位確定后，必須先施工小口徑勘探孔，精準(zhǔn)查明井位處地層巖性、結(jié)構(gòu)及水文特征，為鉆井結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)依據(jù)。

4.兼顧經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化，在滿足上述設(shè)計(jì)條件的基礎(chǔ)上，力求鉆井結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。井徑過(guò)大會(huì)增加破巖工作量，不僅降低施工效率，還會(huì)增加刀具損耗成本；若采用泥漿固壁可滿足井壁穩(wěn)定要求，應(yīng)優(yōu)先采用該方式，減少井管下入量，節(jié)約材料成本，降低整體鉆井造價(jià)。

二、鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)示范

圖1為常見(jiàn)地層條件下的標(biāo)準(zhǔn)大口徑鉆井結(jié)構(gòu)示意圖。該井井位處表土覆蓋層較厚，基巖表層存在風(fēng)化現(xiàn)象，淺層巖層破碎且易漏水，設(shè)計(jì)終井直徑為960mm。

具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：從地表向下開(kāi)挖3~5m后，安裝井口管，管腳采用粘土分層夯實(shí)固定；采用1300mm直徑鉆頭鉆進(jìn)，通過(guò)泥漿固壁工藝穿越表土覆蓋層及基巖強(qiáng)風(fēng)化層后，下入1240mm鋼板井管，管腳采用水下水泥漿封閉處理；隨后采用1160mm鉆具穿越巖層破碎帶，下入1130mm鋼板井管，同樣采用水下水泥砂漿封閉管腳；此種條件下可直接采用終井直徑鉆具鉆至設(shè)計(jì)深度，但考慮到鉆井深度較大，為保障施工安全及井壁穩(wěn)定，先采用1060mm鉆頭鉆進(jìn)一段距離，經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)地層穩(wěn)定后，再更換為960mm鉆頭鉆至終井。

該鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，主要適配終井后需人員下入井內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)描述及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的場(chǎng)景。若為水源井等對(duì)鉆井精度、結(jié)構(gòu)要求較低的工程，可大幅簡(jiǎn)化鉆井結(jié)構(gòu)，甚至在穿越松散覆蓋層后，采用泥漿固壁工藝實(shí)現(xiàn)一徑到底鉆進(jìn)。

圖1 常見(jiàn)地層的標(biāo)準(zhǔn)鉆井結(jié)構(gòu)

三、鉆進(jìn)次序

鉆井次序是指當(dāng)?shù)貙訔l件復(fù)雜、表土覆蓋層較厚時(shí)，確定的合理鉆井施工流程，其核心與鉆井護(hù)壁方法及施工經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)。例如，鉆進(jìn)表土覆蓋層時(shí)，采用泥漿作為沖洗液，可有效發(fā)揮護(hù)壁、防坍塌作用；穿越覆蓋層進(jìn)入基巖后，若巖石完整性良好、無(wú)需額外護(hù)壁，可采用清水鉆進(jìn)工藝。該工藝不僅能節(jié)約泥漿材料費(fèi)用，還可通過(guò)清水反循環(huán)洗井，保持井底清潔，進(jìn)而提高鉆井效率、延長(zhǎng)刀具使用壽命，降低鉆井成本。具體采用何種鉆進(jìn)方式，需通過(guò)對(duì)比兩種工藝的經(jīng)濟(jì)效益，確定最優(yōu)方案。

一般情況下，優(yōu)先采用“下入井管護(hù)壁后分段鉆進(jìn)”的方式。相較于一次成井，該方式可有效規(guī)避井筒坍塌風(fēng)險(xiǎn)——若盲目采用一次成井，不僅會(huì)增加泥漿消耗、降低施工效率，還會(huì)因上部地層不穩(wěn)定引發(fā)安全隱患，僅在明確上部地層無(wú)坍塌風(fēng)險(xiǎn)、施工條件可控的前提下，方可采用一次成井工藝。

此外，多次擴(kuò)鉆成井的施工難度更高，每一級(jí)鉆井過(guò)程中均需重點(diǎn)關(guān)注上部井壁的穩(wěn)定性，易出現(xiàn)井壁坍塌、卡鉆等問(wèn)題。因此，常規(guī)大口徑鉆井施工中，通常采用“先穿越覆蓋層、下入護(hù)壁井管，再進(jìn)行基巖段鉆進(jìn)”的次序，保障施工安全與質(zhì)量。

四、井場(chǎng)

鉆井施工前的準(zhǔn)備工作，除完成鉆井設(shè)計(jì)、制定技術(shù)保障措施、檢查維修施工機(jī)具外，核心是井場(chǎng)的規(guī)劃與布置，為后續(xù)鉆井施工提供安全、合規(guī)的作業(yè)環(huán)境。

1. 井場(chǎng)布局

井場(chǎng)布局需結(jié)合鉆井直徑、鉆井深度、采用的鉆井工藝及機(jī)械設(shè)備性能，科學(xué)規(guī)劃各區(qū)域功能，確保施工順暢、安全。

（1）取心鉆井的井場(chǎng)布局

取心鉆井通常設(shè)計(jì)直徑不大于1.5m，鉆井深度不超過(guò)50m，與其施工參數(shù)相近的全斷面鉆井，可采用相同的井場(chǎng)布局方式，具體布局詳見(jiàn)圖2。

圖2 取心鉆進(jìn)鉆場(chǎng)布局

（2）反循環(huán)全斷面鉆井的布局

反循環(huán)鉆井所需設(shè)備及輔助裝備較多，且鉆具重量大、鉆井口徑及深度均較大，因此井場(chǎng)占地面積更大，布局更為復(fù)雜。若采用泥漿作為沖洗液，需額外增設(shè)泥漿凈化設(shè)備，確保泥漿循環(huán)利用及施工環(huán)境達(dá)標(biāo)。

（3）槽鉆進(jìn)井場(chǎng)布局

當(dāng)開(kāi)展槽鉆進(jìn)或大面積聯(lián)鉆套鉆施工時(shí)，鉆井機(jī)需頻繁移動(dòng)作業(yè)；同時(shí)，造槽完成后需進(jìn)行鋼筋籠下放及水下混凝土澆筑施工，因此井場(chǎng)布局更為復(fù)雜，圖3為鉆地下連續(xù)墻時(shí)的井場(chǎng)布局示意圖。

圖3 槽井鉆進(jìn)鉆場(chǎng)布局

2. 井口保護(hù)

鉆井施工過(guò)程中，井口是重載集中區(qū)域，鉆塔腳、粗徑鉆具升降時(shí)均需吊掛于井口；同時(shí)，無(wú)論采用正循環(huán)還是反循環(huán)洗井工藝，均有大量沖洗液從井口灌入或排出。對(duì)于漏失地層、流砂層等不穩(wěn)定地層，需通過(guò)抬高井內(nèi)沖洗液液面高度形成反壓，保障井壁穩(wěn)定，因此井口保護(hù)是鉆井施工中的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)。

對(duì)于存在松散覆蓋層的井位，需人工開(kāi)挖3~5m深基坑，下入鋼板制井口管，井口管下部填充優(yōu)質(zhì)粘土并分層夯實(shí)，井管外側(cè)同樣回填粘土夯實(shí)加固；若為永久性鉆井，可結(jié)合地面建筑工程，澆筑混凝土井口管，提升井口穩(wěn)定性和耐久性。

對(duì)于基巖類井位或表土覆蓋層較淺的井位，需人工開(kāi)挖或采用鑿眼爆破方式開(kāi)挖3~5m深基坑，再下入井口管。此舉除保障井口穩(wěn)定、滿足沖洗液循環(huán)需求外，還可適配粗徑鉆具（通常長(zhǎng)度約4~5m）的作業(yè)空間，確保鉆井施工正常開(kāi)展。

3. 井場(chǎng)地基

大口徑鉆井施工設(shè)備繁多、重量較大，井場(chǎng)地基需確保堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固，避免施工過(guò)程中出現(xiàn)沉降、坍塌。若井場(chǎng)地面狹窄，需進(jìn)行填方處理時(shí)，應(yīng)設(shè)置墩體或樁基作為支撐結(jié)構(gòu)，保障地基承載力；井場(chǎng)占地面積一般不小于50㎡，需預(yù)留重型車輛通行通道，并配套鋪設(shè)相應(yīng)的給水、排水管路及溝槽，滿足施工用水、排水需求。

地基處理的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)榫谥車簩?duì)于大口徑、深鉆井，需在井口處澆筑混凝土基臺(tái)，使鉆塔腳、機(jī)架均固定于基臺(tái)上，確保受力均勻；對(duì)于小口徑、淺鉆井，需預(yù)埋木枕或混凝土枕作為支撐。無(wú)論是澆筑混凝土基臺(tái)還是預(yù)埋枕木，均需保證整體處于同一水平面上，避免設(shè)備安裝傾斜，影響鉆井精度和施工安全。

4. 設(shè)備安裝

機(jī)械設(shè)備的正確安裝，不僅是保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，更是確保鉆井質(zhì)量和施工安全的關(guān)鍵，需嚴(yán)格遵循以下要求：

鉆井機(jī)架與基臺(tái)采用螺栓緊固連接，安裝過(guò)程中需調(diào)整機(jī)架，確保其處于水平狀態(tài)；同時(shí)，需保證天車、大鉤、轉(zhuǎn)盤(pán)三者中心與鉆井中心精準(zhǔn)對(duì)齊，鉆塔安裝后需保持垂直，避免鉆井過(guò)程中出現(xiàn)偏斜。

輔助卷?yè)P(yáng)機(jī)、鉆塔繃?yán)K、拖卸鉆桿大鉗死繩等部件，均需埋置地錨并與設(shè)備機(jī)件牢固連接；鉆塔繃?yán)K需調(diào)整至松緊適度，確保鉆塔處于穩(wěn)定狀態(tài)，避免施工過(guò)程中出現(xiàn)晃動(dòng)、傾倒。

設(shè)備安裝完成后，需進(jìn)行全面試運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)各部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，及時(shí)調(diào)整存在的問(wèn)題，直至設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常、各項(xiàng)參數(shù)達(dá)標(biāo)后，方可交付使用，啟動(dòng)正式鉆井施工。

補(bǔ)充：
鉆井方法