CN112761534A - 位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法 - Google Patents

Abstract

一种位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，通过提供一种可以在煤矿井下大断面硐室中建立钻井平台用于开采煤层下方的油气矿产资源的布置方法，从而实现上部煤层与下部油气资源的协调开采；选取布置钻井平台硐室的位置，对硐室围岩破坏情况进行数值模拟分析，根据数值模拟分析的结果对硐室进行支护和铺底，在硐室中安装井架和起升设备构成起升系统，在井架下方布置钻机底座和旋转转盘构成旋转系统，在钻台后方布置钻机循环设备构成钻井液循环系统，在钻台后方布置钻井泵，在钻井泵前方布置动力和传动机组构成动力与传动系统，在钻机底座前方布置司钻控制台构成控制系统。

Description

位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法

技术领域

本发明涉及垂直油气井钻机平台技术领域，具体是一种位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法。

背景技术

我国的鄂尔多斯盆地、新疆的塔里木盆地及准噶尔盆地等地区，是煤、油、气等多种矿产资源垂向上互相重叠的综合性资源盆地。目前，煤炭和油气矿产资源开发仍以单矿种（或单行业）为主，这种油气优先或煤炭领先的单一开发模式不仅造成了共生矿产的极大浪费，还会导致煤炭和油气在开采过程中互相影响。由于煤层位于地层浅部，油气层位于地层深处（煤层下方），因此，可以在井下大断面硐室中直接布置钻井平台开采煤层下方的油气资源，此方法对于实现上部煤层与下部油气资源的协调开采具有重要的工程意义。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，将钻井平台布置在布置在煤矿井下大断面硐室中，并给出了布置方法，实现上部煤层与下部油气资源的协调开采，形成综合利用、安全可靠的开采格局。

本法采用的技术方案：一种位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，将钻采油气的钻井平台移至煤矿井下大断面的硐室中，构建设施包括硐室、起升系统、旋转系统、循环系统、动力与传动系统和控制系统，具体包括以下方法：

S1：选取布置钻井平台硐室的位置，硐室位置应避开煤矿井下作业以及煤矿工作人员所活动的范围；硐室的位置选择在坚硬、稳定的岩层中，避开较大的地质构造、较大的含水层；同时考虑不受正常开采岩层移动的影响，布置钻井平台的硐室与相邻巷道间应留有不小于10m的岩柱；硐室设在进风风流中，由于硐室中需要安装用于钻井的各种设备以及钻具等，需要的空间较大，所以在硐室两端各设一个出口；

S2：对硐室围岩破坏情况进行数值模拟分析；

S3：根据数值模拟分析的结果对硐室进行支护和铺底；

S4：在硐室中安装井架和起升设备构成起升系统；

S5：在井架下方布置钻机底座和旋转转盘构成旋转系统；

S6：在钻台后方布置钻机循环设备构成循环系统；

S7：在钻台后方布置钻井泵，在钻井泵前方布置动力和传动机组构成动力与传动系统；

S8：在钻机底座前方布置司钻控制台构成控制系统。

本发明的有益效果：具有以下几方面优点，油气井平台移至井下，空间上避开采掘影响，避免油气井失稳、破断引起的油气泄露、爆炸以及地下含水层污染等事故；缩短油气开采过程中的钻井时间、工程量和材料消耗，节省地面建设投资，减少开发成本。

附图说明

图1是本发明硐室和钻井平台布置方法示意图；

图2是本发明井下钻井平台俯视图；

图3为本发明井下钻井平台的侧视图

图中，1—大钩；2—绞车；3—双组滑轮游车；4—方钻杆；5—水龙头；6—井架；7—司钻控制台；8—旋转转盘；9—传动机；10—动力机；11—高压管汇；12—钻井泵；13—泥浆灌；14—钻井液池；15—钻井液槽；16—钻机底座。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术细节及其优点，现结合附图进行说明。

如图1所示，本发明提供了一种位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，将钻采油气的钻井平台移至煤矿井下大断面的硐室中，构建设施包括硐室、起升系统、旋转系统、循环系统、动力与传动系统和控制系统，具体包括以下方法：

S1：选取布置钻井平台硐室的位置；

S2：对硐室围岩破坏情况进行数值模拟分析；

S3：根据数值模拟分析的结果对硐室进行支护和铺底；

S4：在硐室中安装井架和起升设备构成起升系统；

S5：在井架下方布置钻机底座和旋转转盘构成旋转系统；

S6：在钻台后方布置钻机循环设备构成循环系统；

S7：在钻台后方布置钻井泵，在钻井泵前方布置动力和传动机组构成动力与传动系统；

S8：在钻机底座前方布置司钻控制台构成控制系统。

本实施例中，步骤S1中选取布置钻井平台硐室的位置的方法为：根据地质勘探资料明确油气资源的具体位置，明确井下煤矿生产作业区域和煤矿工作人员的活动范围，选取布置钻井平台硐室位置时避开上述区域，确保钻井平台的油气钻采作业与煤炭开采活动互不影响，综合分析大巷稳定性，确定在大巷巷道中开挖硐室的位置。本实施例中，硐室的位置设置在围岩坚定的顶底板岩层中，硐室的形状为直墙拱形，硐室断面宽度大于9m，高度大于11m。硐室中设置两个安全出口，用于运输设备、行人、通风、回风，保证硐室中温度不超过煤矿井下硐室规定温度，降低硐室中的瓦斯浓度，防止瓦斯积聚。本实施例中，用于通风、行人、运输设备的出口布置在硐室前方，用于回风的出口布置在硐室后方。

本实施例中，步骤S2：使用FLAC3D软件对硐室的开挖过程进行数值模拟计算，得到硐室掘进期间未支护时围岩变形破坏情况的数值模拟结果。

步骤S3：硐室地面高出邻近巷道底板0.3-0.5m，硐室中除油气井口位置外采用混凝土等不燃性材料铺底，厚度为200-250mm，并设3%的向外流水坡度，硐室采用锚喷支护，硐室底面采用C30混凝土铺底，油气井口大小根据现场生产要求确定。

步骤S4：用型材搭建井架，井架四个支脚生根在硐室底部上，增加井架的整体稳定性，井架上方选用槽钢焊接组成上方平台，在平台中部安装绞车，将绞车焊接在平台上方；井架选型为门型井架，井架选用高强度钢材，在井架下方通过绞车滚筒轴上的钢丝绳悬吊双组滑轮游车，双组滑轮游车下方连接大钩，大钩下方悬挂带有全部钻具的水龙头，水龙头悬持旋转着的钻柱，由水龙头承受大部分以致全部钻柱重量，为旋转钻柱提供上部轴承支承，并且向旋转着的钻柱导入高压钻井液。水龙头通过提环挂在大钩上，水龙头下部接方钻杆，连接井中钻具，上部通过鹅颈管与长长的水龙带相连，通过它们向钻具中心导入钻井液，在本实施例中，钻杆选用长度为4.88m钻杆。

步骤S5：用型材将钻机底座固定于硐室底部，在底座的井口处安装旋转的转盘，转盘中心的旋转部分设置方孔，通过起升机吊起方钻杆穿过转盘上的方孔，与下部钻杆和钻头配合转盘进行钻进。根据所需要钻井的深度以及硐室下方岩石的性质，确定动力机、钻井泵以及司钻控制台的功率、泥浆泵的大小，并将司钻控制台布置在硐室前方其它布置在硐室后方，从而控制钻井过程、提供钻井动力以及钻井液的循环使用。本实施例中，各种设备都选用防爆设备

步骤S6：在钻台后方右布置钻井泵、泥浆灌、高压管汇、立管、水龙带和泥浆净化设备；上述设备将钻井液通过高压管汇，流经方钻杆、钻杆、钻铤、钻头达到井底，携带井底钻碎的岩屑流经钻杆与井壁的环形空间返回到硐室，钻井液经净化处理后又重新泵送到井底，反复循环为钻头在井底创造良好的工作环境。

步骤S7：选择大功率发电机作为油气钻采工作的动力机，并且将电动机产生的机械能分配和传递给工作机组。

步骤S8：在钻机底座前方布置司钻控制台，司钻通过控制台完成钻机的所有控制，包括各动力机的并车；绞车、钻盘和钻井泵的起、停；绞车的高低速控制等。

根据所需要钻井的深度以及硐室下方岩石的性质，确定动力机、传动机、钻井泵以及司钻控制台的功率、泥浆泵的大小，在并将司钻控制台布置在硐室前方其它布置在硐室后方，从而控制钻井过程、提供钻井动力以及钻井液的循环使用。司钻控制台布置在硐室前方靠硐室壁一侧，其目的在于方便司钻对整个钻井过程的观察与控制，并且另一侧留出空间方便行人、运输材料、通风等。传动机、动力机、钻井泵固定在硐室后方与司钻控制台同侧，其目的在于井下特殊的环境，其作业空间相对地面较小，避免钻井作业过程发生井喷，在其另一侧留有足够空间方便排水以及作业人员通行，且与司钻控制台同侧可以方便各种管线沿硐室壁与控制台连接，并且整个钻井系统所需要的所需要的电力可直接从硐室后方回风口与煤矿井下变电所连接，可避免线路干扰影响钻井工作，节省钻井初期投资成本。泥浆灌布置在硐室后方回风口出，其目的在于方便将钻井液循环净化后剩余的固体杂质通过回风口运出，从而空间上避开前方钻井工作，并且钻井所需要的水直接可以回风口与井下水管相连。优选的，各种设备都选用防爆设备。

采用上述在煤矿井下大巷中开挖硐室布置钻井平台的方法所产生的有益效果在于：

相较于地面布置钻井平台，将钻井平台布置在井下硐室，空间上避开采掘影响，避免了油气井失稳、破断引起的油气泄露、爆炸以及地下含水层污染等事故。

钻井平台全部建于地下，节省了地面建设投资，缩短了井口到油气矿藏资源的距离，降低了钻井初期投入成本。

相较于地面布置钻井平台，地下为恒温环境，并且不受气候条件影响。

相较于地面布置钻井平台，地下钻井设备较小，便于运输与安装，易于管理，维护费用较低。

Claims (9)

1.一种位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，其特征在于：将钻采油气的钻井平台移至煤矿井下大断面的硐室中，构建设施包括硐室、起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、动力与传动系统和控制系统，具体包括以下方法：

S1：选取布置钻井平台硐室的位置；

S2：对硐室围岩破坏情况进行数值模拟分析；

S3：根据数值模拟分析的结果对硐室进行支护和铺底；

S4：在硐室中安装井架和起升设备构成起升系统；

S5：在井架下方布置钻机底座和旋转转盘构成旋转系统；

S6：在钻台后方布置钻机循环设备构成钻井液循环系统；

S7：在钻台后方布置钻井泵，在钻井泵前方布置动力和传动机组构成动力与传动系统；

S8：在钻机底座前方布置司钻控制台构成控制系统。

2.根据权利要求1所述的位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，其特征在于：所述的步骤S1中选取布置钻井平台硐室的位置的方法为：根据地质勘探资料明确油气资源的具体位置，明确井下煤矿生产作业区域和煤矿工作人员的活动范围，选取布置钻井平台硐室位置时避开上述区域，确保钻井平台的油气钻采作业与煤炭开采活动互不影响。

3.根据权利要求1所述的位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，其特征在于：所述的步骤S2中对硐室围岩破坏情况进行数值模拟分析的方法为：使用FLAC3D软件对硐室的开挖过程进行数值模拟计算，得到硐室掘进期间未支护时围岩变形破坏情况的数值模拟结果。

4.根据权利要求1或3所述的位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，其特征在于：所述的步骤S3中根据数值模拟分析的结果对硐室进行支护和铺底的方法为：硐室地面高出邻近巷道底板0.3-0.5m，硐室中除油气井口位置外采用混凝土等不燃性材料铺底，厚度为200-250mm，并设3%的向外流水坡度。

5.根据权利要求1所述的位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，其特征在于：所述的步骤S4在硐室中安装井架和起升设备构成起升系统的方法为：用型材搭建井架，井架四个支脚生根在硐室底部上，增加井架的整体稳定性，井架上方选用槽钢焊接组成上方平台，在平台中部安装绞车，将绞车焊接在平台上方；在井架下方通过绞车滚筒轴上的钢丝绳悬吊双组滑轮游车，双组滑轮游车下方连接大钩，大钩下方悬挂带有全部钻具的水龙头，水龙头悬持旋转着的钻柱，由水龙头承受钻柱重量，为旋转钻柱提供上部轴承支承，并且向旋转着的钻柱导入高压钻井液。

6.根据权利要求1所述的位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，其特征在于：所述的步骤S5中在井架下方布置钻机底座和旋转转盘构成旋转系统的方法为：用型材将钻机底座固定于硐室底部，在底座的井口处安装旋转的转盘，转盘中心的旋转部分设置方孔，通过起升机吊起方钻杆穿过转盘上的方孔，与下部钻杆和钻头配合转盘进行钻进。

7.根据权利要求1或5所述的位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，其特征在于：所述的步骤S6中在钻台后方布置钻机循环设备构成钻井液循环系统的方法为：在钻台后方右布置钻井泵、泥浆灌、高压管汇、立管、水龙带和泥浆净化设备；上述设备将钻井液通过高压管汇，流经方钻杆、钻杆、钻铤、钻头达到井底，携带井底钻碎的岩屑流经钻杆与井壁的环形空间返回到硐室，钻井液经净化处理后又重新泵送到井底，反复循环为钻头在井底创造良好的工作环境。

8.根据权利要求1所述的位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，其特征在于：所述的步骤S7中在钻台后方布置钻井泵，在钻井泵前方布置动力和传动机组构成动力与传动系统的方法为：选择大功率发电机作为油气钻采工作的动力机，并且将电动机产生的机械能分配和传递给工作机组。

9.根据权利要求1所述的位于煤矿井下大断面硐室的油气井钻井平台布置方法，其特征在于：所述的步骤S8中在钻机底座前方布置司钻控制台构成控制系统的方法为：在钻机底座前方布置司钻控制台，司钻通过控制台完成钻机的所有控制。

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