深厚冲积层千米深井快速建井关键技术.docx

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深厚冲积层千米深井快速建井关键技术

“十一五”国家科技支撑计划重点项目

“深厚冲积层千米深井快速建井关键技术”

课题申请指南

中国煤炭工业协会

二〇〇七年十一月

“十一五”国家科技支撑计划重点项目

“深厚冲积层千米深井快速建井关键技术”

课题申请指南

依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》“矿产资源高效开发利用”优先主题，深层和复杂矿体采矿技术作为重点研究内容。

“十一五”国家科技支撑计划重点项目“深厚冲积层千米深井快速建井关键技术”已经通过专家可行性论证，科技部决定予以启动。

该项目针对我国中东部地区煤炭供需矛盾持续紧张、煤炭资源开采深度逐年增加的实际情况，研究开发适于深厚冲积层千米深井建设时期的高压注浆装备、特殊注浆堵水材料及深井注浆工艺，解决深井建设中的水害威胁，为安全快速建井提供打干井条件；研发冲积层钻井法新型钻头、刀具，形成“一扩成井”钻井凿井技术及装备；研究开发立井凿井“钻--注平行作业”和千米深井基岩快速掘砌施工工艺及配套装备等关键技术；通过技术集成和相应工程示范，全面提高我国深井建设技术与装备水平，加快深井开发建设速度，为深部煤炭资源安全、快速开发提供科技支撑。

项目分解为五个课题，各课题的研究内容和考核指标如下：

课题一：

千米级深井高压注浆关键装备研究

1.课题研究目标

井筒深度超过千米后，地压、水压相应增加，目前还没有能满足复杂地层化学注浆的耐腐蚀高压注浆泵，现有的基岩注浆设备，如注浆泵、止浆机具等的能力也不能适应深部治水的要求。

研究高压大泵量注浆泵、高压耐腐蚀化学注浆泵、高耐压止浆机具、注浆参数自动检测与高效制浆系统，解决千米深井（1000～1200m）注浆的装备问题。

2.课题主要研究内容

（1）高压大泵量注浆泵研制

研制高压大泵量注浆泵；研制大行程的曲轴箱；研制新型复合材料柱塞及密封材料；研制柱塞的增压润滑密封系统；研究变频调速系统与注浆泵工况的匹配关系。

（2）高压化学注浆泵研制

研究高压化学注浆泵；研制高压耐腐蚀柱塞、吸排浆阀系统；研究泵头内腔防耐腐蚀涂层；研究变频调速系统。

（3）深井耐压止浆机具研究

研制耐用、耐高压的止浆胶筒；研制耐高压止浆机具架体结构；研制高压止浆机具模拟试验台，通过模拟试验研究止浆机具破坏机理。

（4）注浆参数监测与高效制浆系统研制

研制注浆压力、流量、配比等注浆参数自动采集监控系统；研制注浆材料自动上料、计量系统，形成一套集高效的制浆、数据采集、传输、处理及监视于一体的注浆监控系统。

3.课题考核指标

（1）研制一台高压大流量注浆泵，最高压力50MPa，最大流量380l/min，实现流量0～380l/min的无级调节；

（2）研制一台化学注浆泵，最高压力35MPa，流量0～300l/min无级调节，满足双液化学注浆材料的配比调节需求，耐腐易损部件一次连续工作不低于8小时；

（3）止浆机具耐压≥25MPa，平均重复使用次数3次以上；

（4）研制一套注浆参数自动测试记录仪，压力、流量测量误差≤5%；

（5）研制一套自动注浆配料系统，配料误差≤5%；

4.经费预算

国拨经费拟安排920万元，要求申请单位提供不低于980万元的自筹资金。

5.申报要求

（1）课题申报单位应是长期从事煤矿注浆技术与注浆设备研究的专业研究机构，承担过类似的研究开发项目。

（2）课题申报单位应在煤矿注浆治水技术方面有丰富的理论研究基础和实践经验。

（3）课题申报单位拥有开展相关研究的先进仪器设备等基础实验条件。

（4）课题申报单位熟悉本领域技术发展现状与趋势，掌握相关研究领域的基础数据，并具有良好的业绩。

（5）课题申报单位要有较强的经费配套能力，并纳入统一预算。

（6）课题申报单位应有从事煤矿注浆技术方法研究的专业人才队伍。

（7）工程试验点已经落实。

课题二：

千米级深井特殊地层注浆材料及注浆工艺研究

1.课题研究目标

针对千米深井井筒穿过的地层复杂性，研究适合大裂隙、大溶洞地层的塑性早强注浆材料；研究适合细小裂隙、空隙性地层的低黏度化学注浆材料；研究钻井废弃泥浆作为注浆材料（MTG）技术；通过室内模拟和现场试验，研究千米深井注浆工艺。

解决深井特殊地层注浆材料及工艺需求，保证注浆堵水工程质量，实现打干井。

2.课题主要研究内容

（1）千米深井注浆工艺研究

研制裂隙注浆模拟试验台，对深井注浆参数进行模拟试验研究，为注浆设计提供依据；结合现场试验研究千米深井合理的注浆工艺参数。

（2）特殊地层可注性分析研究

地层可注性影响因素分类研究，建立可注性影响指标体系，评价地层可注性。

（3）塑性早强注浆材料及注入工艺研究

研究适合大裂隙、破碎带等特殊地层加固堵水的水泥基塑性早强注浆材料。

研究塑性早强注浆材料地面预注浆的工艺参数。

（4）低粘度复合化学注浆材料及注入工艺研究

研究适合细小裂隙、孔隙性含水层等特殊地层的低粘度复合化学注浆材料的添加剂及配方；研究地面预注化学浆的注浆工艺参数。

（5）钻井废弃泥浆作为注浆材料研究

研究钻井法废弃泥浆作为注浆材料的改性添加剂；研究废弃泥浆注浆材料配方；模拟试验研究钻井废弃泥浆作为注浆材料的扩散特性。

（6）深井注浆工业性试验及注浆效果凿井实测研究

研究化学浆原料储运、现场制备及操作工艺；通过现场试验，研究材料及工艺的适用性、合理性和可靠性；注浆效果凿井实测研究；通过实测信息反馈，完善注浆工艺参数设计和注浆理论。

3.课题考核指标

（1）研制一套裂隙注浆模拟试验台，模拟注浆压力不小于25MPa；

（2）建立孔隙性地层可注性评价体系。

（3）研制塑性早强注浆材料，析水率小于5％，初凝结时间小于8h；

（4）低粘度复合化学浆液粘度小于6×10-3Pa·s，凝胶时间5min～30min，可抵抗12MPa裂隙水压力；

（5）废弃泥浆配制的注浆浆液塑性强度大于150kPa，析水率小于5％；

（6）完成一个千米级深井筒基岩注浆工程（850m～1200m），注浆段凿井时剩余涌水量不大于10m3/h；

（7）完成一个井筒注浆效果凿井实测分析报告。

4.经费预算

国拨经费拟安排530万元，要求申请单位提供不低于720万元的自筹资金。

5.申报要求

（1）课题申报单位应是长期从事煤矿注浆技术与注浆材料研究的专业研究机构，有从事相关科研经历，开发过类似材料。

（2）课题申报单位应在煤矿注浆治水技术方面有丰富的理论研究基础和实践经验。

（3）课题申报单位拥有开展相关研究的先进仪器设备等基础实验条件。

（4）课题申报单位熟悉本领域技术发展现状与趋势，掌握相关研究领域的基础数据，并具有良好的业绩。

（5）课题申报单位要有较强的经费配套能力，并纳入统一预算。

（6）课题申报单位应有从事煤矿注浆技术方法研究的专业人才队伍。

（7）工程试验点已落实。

课题三：

“一扩成井”快速钻井法凿井关键技术及装备研究

1.课题研究目标

针对目前钻井法凿井技术存在多次扩孔（2～3次），钻进工效低、岩石地层钻进困难，综合成井速度较慢的问题，研究“一扩成井”钻井新工艺，包括开发高效吸收钻头、新型岩石滚刀、“一扩成井”钻进扰动作用下井帮稳定性分析等，减少钻进时间，加快成井速度。

2.课题主要研究内容

（1）“一扩成井”钻井工艺技术研究

研究超前钻头和扩孔钻头合理分级；研究合理的钻进参数；研究钻孔偏斜规律和控制措施。

（2）“一扩成井”超前和扩孔新型破岩钻头研究

模拟研究钻头底部泥浆流动场理论；研究钻头泥浆吸收口位置和结构形式；研究“一扩成井”超前和扩孔钻头，减少泥包，提高钻头运行稳定性。

（3）新型钻井岩石滚刀研制和试验

研究新型破岩钻头；研究新型的破岩滚刀，提高钻头破岩效率。

（4）“一扩成井”钻进扰动作用下井帮稳定性分析与控制关键技术

研究钻进过程中监测分析的地层参数识别与评价技术。

钻井工程稳定性分析与控制技术研究。

（5）“一扩成井”钻井法凿井工业性试验

采用“一扩成井”钻井法凿井技术，完成一口井的工业性试验，验证“一扩成井”钻井技术的合理性。

3.课题考核指标

（1）完成冲积层钻井钻头设计和一套钻头体加工；完成一盘钻头的岩石滚刀（约60把）试制，用于工业性试验；

（2）岩石滚刀结构满足10MPa泥浆压力条件下的密封要求，整盘滚刀的综合寿命提高20％，破岩效率提高30％。

（3）钻井工程风险分析有效率达到90％以上，钻井终孔的有效断面满足井壁悬浮下沉的安装要求，成井偏斜率小于0.04％；

（4）完成一口“一扩成井”直径约9m（或一钻成井直径约7m）的井筒钻进的工业性试验；

（5）钻井成井速度比原来提高20％左右，达到30～40m/月。

4.经费预算

国拨经费拟安排650万元，要求申请单位提供不低于1500万元的自筹资金。

5.申报要求

（1）课题申报单位应在钻井法技术方面有丰富的理论研究基础和实践经验，承担过类似的研究开发项目。

（2）课题申报单位拥有开展相关研究的先进仪器设备等基础实验条件。

（3）课题申报单位熟悉本领域技术发展现状与趋势，掌握相关研究领域的基础数据，并具有良好的业绩。

（4）课题申报单位要有较强的经费配套能力，并纳入统一预算。

（5）课题申报单位应有从事钻井法凿井技术方法研究的专业人才队伍。

（6）工程试验点已落实。

课题四：

千米级深井基岩快速掘砌关键技术及装备研究

1、课题研究目标

针对现有凿井设备和工艺不适于850m以深的井筒基岩施工要求的现状，通过对千米深井基岩掘砌快速施工工艺、5m深孔液压凿岩钻架、5m深孔控制爆破技术、大型中心回转式抓岩机、迈步式液压模板等关键技术及装备进行攻关研究，满足千米深井安全高效快速建设需要。

2、课题主要研究内容

（1）千米深井基岩掘砌快速施工工艺研究

研究适宜千米深井快速施工工艺及施工组织。

重点研究千米深井快速施工方案优化、凿井设备简化布置、钻眼深度与掘砌段高的匹配，开发千米深井施工组织设计专家系统。

（2）5m深孔液压凿岩钻架研制

研制适用于千米深井的新型深孔液压凿岩钻架，提高凿岩效率、减少工作噪音、增大钻进深度。

重点研究钻架结构、液压连动平衡装置、液压缸-钢丝绳倍速推进系统、电动-液压动力系统等。

（3）5m深孔控制爆破技术研究

研究高效深孔掏槽爆破技术，提出适合立井基岩深孔爆破的合理掏槽形式和掏槽参数；优化周边眼爆破参数，研究深孔、超深孔的周边定向断裂爆破形成技术；提高爆破效率及循环进尺，减少爆破对围岩的破坏。

（4）大型中心回转式抓岩机

研制立井凿井液压中心回转式抓岩机，提高抓岩效率。

（5）迈步式液压模板研制

研制立井凿井液压迈步式整体移动模板，实现模板的井壁自行式支撑悬挂，简化井筒悬吊布置。

（6）千米深井基岩快速掘砌关键装备工业性试验

研究千米深井基岩快速掘砌工艺和配套设备的合理参数；对凿岩钻架、迈步式模板，深孔爆破技术以及施工工艺等进行配套工业性试验。

3.课题考核指标

（1）研制一套立井快速掘砌施工设计专家系统；

（2）研制一套全液压操作凿岩钻架，钻架一次推进行程达到5m；降低工作噪声10db以上；

（3）实现5m深孔爆破，炮眼爆破利用率85%以上，周边半眼痕率达到80%以上，实现4.2m段高掘砌循环作业；

（4）研制一套1m3中心回转抓岩机，抓岩效率60m3/h。

（5）研制一套液压迈步模板，模板高度4.2m，适用井筒直径不大于9m；

4.经费预算

国拨经费拟安排450万元，要求申请单位提供不低于680万元的自筹资金。

5.申报要求

（1）课题申报单位应是长期从事煤矿钻爆法凿井技术与设备研究的专业研究机构，承担过类似的研究开发项目。

（2）课题申报单位应在煤矿钻爆法凿井技术方面有丰富的理论研究基础和实践经验。

（3）课题申报单位拥有开展相关研究的先进仪器设备等基础实验条件。

（4）课题申报单位熟悉本领域技术发展现状与趋势，掌握相关研究领域的基础数据，并具有良好的业绩。

（5）课题申报单位要有较强的经费配套能力，并纳入统一预算。

（6）课题申报单位应有从事煤矿钻爆法凿井技术方法研究的专业人才队伍。

（7）工程试验点已落实。

课题五：

钻－注平行作业关键技术研究及示范工程

1.课题研究目标

目前深厚冲积层钻井法凿井和基岩含水层注浆施工顺序作业是：

先进行基岩注浆治水，再进行深厚冲积层钻井施工，最后进行下部基岩掘砌施工，这样的工序存在工期长、效率低等问题。

通过钻－注平行作业合理时空关系、深注浆钻孔高精度随钻测斜仪器、注浆对钻井泥浆安全影响监测方法、钻井法与注浆法合理安全时空距离研究，实现立井上部冲积层钻井施工与下部基岩含水层注浆施工平行作业，缩短建井工期。

2.课题主要研究内容

（1）钻－注平行作业合理时空关系研究

研究注浆起始深度与钻井深度的合理关系；研究钻井设备与注浆设备在地面的合理布置；研究注浆岩帽合理设置及注浆钻孔轨迹的合理设计。

（2）千米深井注浆孔高精度随钻测斜定向仪器研制

研制新型随钻测斜仪，提高随钻测斜仪的顶角精度；研制深度信号采集系统，实现深度信号和钻孔顶角、方位角信号的同时采集和处理。

（3）注浆液对钻井泥浆性能影响研究

研究冲积层钻井法施工与基岩段注浆施工平行作业时钻井泥浆实时监测方法及注浆液对钻井泥浆性能影响，保证钻井法施工安全；

（4）示范矿井钻-注平行作业施工整体设计及钻注设备配套试验

根据示范矿井井筒设计、地质及水文地质条件，研究设计合理的钻井深度、注浆起止深度，合理的注浆分段及布孔方式，合理的钻孔轨迹设计，合理的岩帽厚度，钻-注交接段的特殊注浆措施及合理长度，合理的钻注时间关系等；新型钻井设备和注浆设备的选型配套。

（5）示范矿井钻井废弃泥浆作为注浆材料工业性试验

研究示范现场钻井废弃泥浆性能及作为注浆材料的配方和制浆工艺；研究钻井废弃泥浆性能检测和注浆配方调节方法，保证注浆浆液质量；进行工业性试验，检验注浆效果。

3.课题考核指标

（1）研制一套随钻测斜仪，可采集深度信号，方位角测量精度±1.5°，顶角测量精度±6′；

（2）注浆钻孔偏斜率≤5‰，孔间距≤8.5m；

（3）完成一个井筒的钻-注安全平行作业；

（4）利用钻井废弃泥浆作为注浆材料施工一个含水层段。

4.经费预算

国拨经费拟安排450万元，要求申请单位提供不低于1120万元的自筹资金。

5.申报要求

（1）申报单位有类似的井筒钻井-注浆工程条件，满足配套试验要求。

（2）课题申报单位应在煤矿钻井和注浆治水技术方面有丰富的理论研究基础和实践经验。

（3）课题申报单位拥有开展相关研究的仪器设备等基础条件。

（4）课题申报单位熟悉本领域技术发展现状与趋势，掌握相关研究领域的基础数据，并具有良好的业绩。

（5）课题申报单位要有较强的经费配套能力，并纳入统一预算。

（6）课题申报单位应有从事煤矿钻井和注浆技术方法研究的专业人才队伍。