黃 平

(四川省煤田地質(zhì)局一三五地質(zhì)隊(duì),四川瀘州 646000）

河壩井田復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)難點(diǎn)及對策

黃 平

(四川省煤田地質(zhì)局一三五地質(zhì)隊(duì),四川瀘州 646000）

為了解決四川敘永河壩煤田勘探復(fù)雜地層鉆進(jìn)施工中的技術(shù)難點(diǎn)問題,對鉆探施工中遇到的復(fù)雜地層情況進(jìn)行分析,介紹了該地區(qū)地層特點(diǎn)、鉆孔結(jié)構(gòu)、沖洗液類型、護(hù)壁堵漏技術(shù)及新工藝技術(shù)的應(yīng)用等,保證了該地區(qū)鉆探施工的順利實(shí)施。

煤田勘探;鉆探;護(hù)壁堵漏;繩索取心;復(fù)雜地層

1 概況

四川敘永河壩井田勘探項(xiàng)目是四川省國土資源廳地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目,是川南古敘煤田尚未正式勘查和開發(fā)的普查鉆探工作,礦段共設(shè)計(jì)鉆孔41個(gè),鉆探進(jìn)尺27950 m,我隊(duì)于2007年7月2日第一臺鉆機(jī)進(jìn)場開始施工到2009年1月21日順利完成鉆探任務(wù)。工程質(zhì)量完成情況:竣工41個(gè)鉆孔,按《煤田地質(zhì)鉆探工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行綜合驗(yàn)收評級,甲級孔23個(gè)、乙級孔18個(gè),甲乙級孔率100%。

2 地層情況及特點(diǎn)

2.1 地層情況

①第四系(Q）表土層:由風(fēng)化層及滑坡物堆結(jié)組成,膠結(jié)非常差,結(jié)構(gòu)松散,深度一般5～20 m,最深達(dá)40 m,鉆進(jìn)時(shí)孔壁極易坍塌,很難形成孔眼,且漏失嚴(yán)重,重者全漏失。

②三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j）:平均厚度360 m,主要由灰質(zhì)白云巖、泥灰?guī)r、石灰?guī)r組成,巖石裂隙、溶洞發(fā)育,形成的溶洞較大,最深達(dá)12 m。

③三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f）:平均厚度475 m,主要由泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等組成。

④二疊系上統(tǒng)長興組(P2c）:平均厚度45 m,主要由中厚～厚層狀含生物碎屑微晶、粉晶灰?guī)r、泥灰?guī)r組成,巖石裂隙比較發(fā)育,深部易發(fā)生涌漏,淺部巖石十分破碎,巖溶發(fā)育,形成的溶洞及旱溶洞較多。

⑤二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l）:平均厚度116 m,為海陸交互相沉積的含煤巖系,巖性主要由灰、深灰、灰黑色泥巖、粘土巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂巖、炭質(zhì)泥巖和煤層等組成,底部為淺灰至灰白色含黃鐵礦高嶺石粘土巖,主要煤層有11、13、16、18、19、23、24、25號。

⑥二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m）:平均厚度220 m,主要由深灰色中厚層狀砂屑灰?guī)r、微晶灰?guī)r組成,含燧石結(jié)核,巖石裂隙比較發(fā)育。

2.2 礦段巖層主要物理特性及可鉆性

礦段主要巖性有:泥巖、砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、微晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、泥灰?guī)r、粘土、亞粘土、砂礫、礫石和煤等。其中泥巖的主要礦物成分是高嶺石、蒙脫石,泥巖類主要由泥質(zhì)、砂質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié),膠質(zhì)致密,巖石較完整,比較軟,研磨性弱～中等,可鉆性2～4級;砂巖的主要礦物成分是長石、石英,砂巖類泥質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)致密,巖石完整,比較硬,研磨性中等,可鉆性5～7級;灰?guī)r的主要礦物成分是碳酸鈣、硅酸鈣,灰?guī)r類以硅質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)為主,巖石裂隙比較發(fā)育,破碎,研磨性中等偏上,可鉆性7～10級,鉆進(jìn)中易發(fā)生涌漏現(xiàn)象。

礦段北翼地層傾角較平緩,一般25°～45°,構(gòu)造簡單,南翼地層較陡,一般傾角55°～75°,個(gè)別勘探線達(dá)85°～88°。

3 鉆探施工難點(diǎn)

(1）表土層中存在的風(fēng)化及滑坡堆結(jié)層欠壓實(shí),膠結(jié)非常差,結(jié)構(gòu)松散,鉆進(jìn)時(shí),孔壁極易坍塌,很難形成孔眼,且漏失嚴(yán)重,普遍全漏失。

(2）灰?guī)r地層巖石破碎,裂隙溶洞發(fā)育,溶洞最大的12 m,涌漏并存,并伴地下水活動(dòng),漏失孔段長、點(diǎn)多、面廣,漏失性質(zhì)確定困難,堵漏施工難度大,處理時(shí)間長。

(3）南翼地層陡,一般傾角55°～75°,最高達(dá)80°～88°,構(gòu)造復(fù)雜,多屬高陡構(gòu)造,地層破碎。因而在處于地應(yīng)力作用下泥頁巖井壁極易遭受破壞,引起嚴(yán)重的坍塌,給鉆井液的配制、維護(hù)增加較大的困難。

(4）煤系地層普遍假厚在400 m左右,最厚達(dá)780 m,煤層厚度最厚的也達(dá)37 m以上(假厚）,在厚煤層中鉆進(jìn)(特別是粉煤）,由于鉆孔護(hù)壁不穩(wěn)定,極易造成煤層垮塌、孔壁垮塌,掉塊易形成“大肚子井眼”,嚴(yán)重影響了巖粉的運(yùn)移,造成起下鉆遇阻,接單根放不到底,被迫長孔段長時(shí)間劃眼,延長了施工周期。

(5）龍?zhí)督M地層巖石多為泥頁巖、粘土巖,很容易發(fā)生水化膨脹,擴(kuò)徑,而且此段泥、砂巖交替頻繁,形成大小不等的井徑,成為“糖葫蘆串”井眼,輕者易造成攜巖困難,重者會(huì)造成卡鉆、埋鉆等復(fù)雜事故。

(6）煤系地層巖性膠結(jié)性差,垮塌、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重,由于鉆進(jìn)過程和起下鉆中受外力作用的影響,環(huán)空巖屑不斷增多,形成砂床、砂橋,引起泵壓異常高,特別是繩索取心鉆進(jìn)工藝環(huán)空間隙小,不利于大泵量排渣。

4 鉆探施工技術(shù)對策

4.1 合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)

合理設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu),對膠結(jié)差,漏失、垮塌程度不同的地層,分別用表層套管、技術(shù)套管封隔,以減少上部地層復(fù)雜情況對下步施工的影響,這是順利鉆進(jìn)的關(guān)鍵,也是直接影響鉆探效率和成本的關(guān)鍵。

(1）對構(gòu)造簡單、鉆孔較淺、巖石比較完整的鉆孔,一般選用2～3級鉆孔結(jié)構(gòu),下1～2層技術(shù)套管,如一開“150 mm,二開“96 mm,三開“77 mm,為常用的鉆孔結(jié)構(gòu)。

(2）對上部比較復(fù)雜,鉆孔較深,巖石破碎或存在灰?guī)r,裂隙較發(fā)育,有溶洞的鉆孔,一般選用4～6級鉆孔結(jié)構(gòu),利用技術(shù)套管將上部復(fù)雜地層隔離后,用“96 mm鉆具鉆進(jìn)至煤系地層,直至鉆穿13號煤層,再換成“77 mm鉆具鉆進(jìn)至終孔層位。即一開“150 mm或更大的“170 mm,二開“130 mm,三開“110 mm,四開“96 mm,五開“77 mm終孔。

4.2 優(yōu)選鉆井液體系

鉆井液是鉆探的血液,是保證繩索取心鉆探技術(shù)能否順利應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),針對河壩地層及巖石情況,既符合繩索取心鉆進(jìn)開高轉(zhuǎn)速要求的“三低一好”(低粘度、低密度、低切力、潤滑性好）,又能滿足復(fù)雜地層護(hù)壁要求的需要,我們選用了無固相鉆井液、聚丙烯酰胺低固相鉆井液及磺化瀝青防塌鉆井液。

4.2.1 無固相鉆井液

與清水相比,無固相鉆井液具有較好的攜帶和懸浮巖屑的能力,且能在孔壁上形成薄的吸附膜,具有一定的護(hù)壁能力,有較好的潤滑和減阻作用,配制簡單,成本低,鉆進(jìn)時(shí)效高等特點(diǎn)。主要應(yīng)用于無煤系地層和膠性好的嘉陵江組、飛仙關(guān)組和長興組。無固相鉆井液是在清水中添加水解聚丙烯酰胺(PHP）。

配比:清水(1 m3）+水解度為30%、濃度為1%的PHP(1%～3%）。

性能指標(biāo):密度1.005～1.01 g/cm3,粘度16～20 s,失水量15～25 mL/30 min,含砂量<0.5%,pH值7～8,潤滑系數(shù)0.12～0.15。

4.2.2 聚丙烯酰胺低固相鉆井液

以優(yōu)質(zhì)鈉膨潤土為基本造漿材料,添加適量的處理劑調(diào)整性能,以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速和護(hù)壁的需要,以3%～5%人工鈉土配成基漿,添加聚丙烯酰胺、植物膠、CMC、潤滑劑等制成。適用于破碎帶、巖石膠結(jié)差的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等遇水膨脹、坍塌水敏性地層。

配比:清水(1 m3）+鈉膨潤土(200目）(3%～5%）+純堿(0.1%～0.2%）(浸泡）→攪拌制成原漿+PHP(0.5%～1%）+植物膠(1%～2%）+ CMC(0.1%～0.2%）+潤滑劑(1%～2%）→攪拌均勻。

性能指標(biāo):密度1.03～1.06 g/cm3,粘度20～25 s,失水量12～15 mL/30 min,含砂量<3%,pH值7.5～8.5,潤滑系數(shù)0.13～0.15。

4.2.3 磺化瀝青防塌鉆井液

河壩井田煤系地層主要使用的鉆井液。由于南翼地層屬于高陡地質(zhì)構(gòu)造,最大地層傾角80°多,煤系地層普遍假厚在400 m左右,最厚假厚達(dá)780多米。鉆遇煤層5～8層,單層最厚假厚達(dá)37.85 m以上。因此,本地層的鉆井液的技術(shù)關(guān)鍵就是優(yōu)選鉆井液體系,實(shí)現(xiàn)控制煤層、炭質(zhì)泥巖、粘土、泥巖的坍塌和掉塊。鉆井液要有很強(qiáng)的抑制泥頁巖水化膨脹,防止孔壁坍塌的能力。磺化瀝青是鉆井液處理劑很強(qiáng)的一種頁巖抑制劑,能阻止頁巖水化膨脹和分散,封堵裂縫,防止孔壁剝落性坍塌。主要用作泥頁巖微裂縫及破碎帶的封閉,而起防塌作用,并有較好的潤滑能力和降濾失能力,在破碎地層、厚煤層、粘土、泥巖等易塌地層,采用磺化瀝青鉆井液護(hù)孔,具有較好的防塌護(hù)壁效果。

配比:清水(1 m3）+鈉膨潤土(5%～8%）+純堿(0.1%～0.2%）(浸泡）→攪拌制成原漿+磺化瀝青(1%～2%）+植物膠(1%～2%）+CMC (011%～0.2%）+潤滑劑(1%～2%）。

性能指標(biāo):密度1.05～1.08 g/cm3,粘度20～35 s,失水量10～12 mL/30 min,泥皮<1 mm,pH值9～10,潤滑系數(shù)0.13～0.15。

4.3 確保鉆井液的防塌能力及性能穩(wěn)定技術(shù)措施

(1）進(jìn)入煤系地層11號煤層前,變換鉆井液類型,向循環(huán)漿中一次性加足3%～5%的膨潤土粉和1%～2%磺化瀝青防塌劑,以最大限度的封堵煤層裂隙,防止煤層垮塌。根據(jù)現(xiàn)場情況也可以提高鉆井液密度至1.2～1.3 g/cm3,以平衡煤層坍塌能力,嚴(yán)格控制失水,保持鉆井液有較強(qiáng)的抑制能力,防止煤層物質(zhì)成分的水化分散引起的煤層垮塌的加劇。鉆遇煤層以快通過為主原則,鉆進(jìn)中時(shí)刻注意泵壓、電流變化,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)調(diào)整鉆井液性能,以適應(yīng)地層的需要。

(2）在層理和裂隙發(fā)育孔段,根據(jù)孔內(nèi)實(shí)際情況,定期加入防塌劑和封堵性處理劑。保持鉆井液中的防塌劑在1%～2%。膨潤土含量在6%左右,這樣既能提高鉆井液防塌能力,又改善鉆井液的潤滑性和泥餅質(zhì)量,減少鉆井液向地層的滲透。

(3）在鉆孔施工過程中,加強(qiáng)對鉆井液性能的測定(每班測2次,并記錄在班報(bào)表上）,分析,并及時(shí)對鉆井液進(jìn)行調(diào)整處理。

(4）煤系地層鉆進(jìn)階段,維護(hù)鉆井液具有較好的流變性和較低濾失量,可降低地層的吸水膨脹,又可降低對孔壁的破壞。根據(jù)地層實(shí)際,確定鉆井液的處理方案,及時(shí)加入適量的防塌劑和膨潤土,以增強(qiáng)鉆井液的造壁性及護(hù)壁性能,保持鉆井液性能的相對穩(wěn)定性。

(5）鉆進(jìn)煤層及破碎易塌地層時(shí),調(diào)整處理鉆井液要平穩(wěn)進(jìn)行,避免大幅度調(diào)整鉆井液性能。

(6）用好固控凈化設(shè)備,循環(huán)槽、沉淀池要按循環(huán)系統(tǒng)規(guī)格布置并及時(shí)清除鉆井液中的有害固相,根據(jù)需要補(bǔ)充預(yù)水化膨潤土,改善鉆井液質(zhì)量。

4.4 鉆孔堵漏工藝措施

繩索取心鉆進(jìn)普遍存在著不同程度的鉆孔漏失,孔內(nèi)鉆井液漏失是地層系統(tǒng)壓力不平衡造成的。只要地層壓力小于鉆孔內(nèi)液流的壓力,就可能產(chǎn)生漏失現(xiàn)象。河壩井田地層大部分存在著滲透性、裂隙性漏失。其漏失部位主要存在于嘉陵江組、長興組巖層、構(gòu)造破碎地層以及飛仙關(guān)組的泥灰?guī)r地層等。漏失程度從滲透性漏失、裂隙性漏失到小裂隙、大裂隙和空洞性漏失不一,個(gè)別鉆孔涌、漏并存。鉆進(jìn)時(shí)漏失,停鉆時(shí)涌水。鉆井液的性能難以穩(wěn)定。特別是巖石破碎,同時(shí)又存在著嚴(yán)重漏失的鉆孔,給繩索取心鉆探施工帶來很大的困難。由此,我們根據(jù)地層的漏失特點(diǎn)以及漏失的不同程度,采用了不同的堵漏工藝。

4.4.1 惰性材料堵漏

惰性材料主要有鋸末、花生殼、核桃殼、玉米穗等,按照施工地層漏失通道、漏失量大小,把惰性材料加工成細(xì)型、粗型和粗細(xì)混合型的材料,惰性材料堵漏一般使用在滲透性漏失地層和中小裂隙地層,采用集中灌注方法,把惰性材料與高分子有機(jī)化合物混合加水?dāng)嚢杈鶆?形成有一定流動(dòng)性的粘稠狀物,把內(nèi)管打撈上來后,鉆頭提離在漏失孔段以上3 m左右,開泵從鉆桿內(nèi)把堵漏材料送入漏失段,并循環(huán)堵漏,堵住后投入內(nèi)管繼續(xù)鉆進(jìn),經(jīng)過多次反復(fù)使用,堵漏效果較好。

4.4.2 水泥護(hù)壁堵漏

對于惰性材料堵漏不能堵住的鉆孔,我們采用水泥堵漏。水泥堵漏的材料主要采用:普通水泥+ 20%～30%石灰粉+鋸末+1%～2%食鹽。配漿用水要清潔,水溫≯30℃,灌注時(shí)應(yīng)根據(jù)漏失孔段的長度、深度確定用量,選擇水灰比。堵漏前,鉆具應(yīng)下在漏失孔段以下1～3 m,灌漿前應(yīng)事先做好充分準(zhǔn)備,灌漿時(shí)不得間斷,全部灌漿量應(yīng)一次灌完,并打入替漿量(替漿量一定要計(jì)算準(zhǔn)確）,然后徐徐將鉆具提離漿面30～40 m,才能開泵清洗管路和鉆具,并一定要掌握好水泥候凝時(shí)間,以防止掃水泥塞時(shí)出現(xiàn)岔孔,12 h即為合適的候凝時(shí)間。

4.5 多工藝技術(shù)的應(yīng)用

4.5.1 螺桿定向造斜

由于南翼地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,巖性傾角大,個(gè)別勘探線達(dá)85°～88°,地面甚至陡直。在此種直立巖層中鉆進(jìn),鉆頭很容易順層走,不但造成施工風(fēng)險(xiǎn),也很難達(dá)到地質(zhì)目的,而且根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備、鉆具而言,幾乎成為不能完成的任務(wù)。為此采用先進(jìn)的螺桿定向造斜工藝,人為控制孔斜、方位按其逆層發(fā)展,減少鉆孔深度,壓縮施工周期,都起到很好的效果。在69-22、73-23,77-24、77-40、81-25、81-41等6個(gè)鉆孔中實(shí)施后均滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求,取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.5.2 頂漏鉆進(jìn)及套管護(hù)孔

河壩井田的地層漏失情況復(fù)雜,段長、點(diǎn)多,多數(shù)鉆孔在開孔時(shí)就漏水,乃至全孔段漏水,特別是嘉陵江組和長興組孔段。在繩索取心鉆進(jìn)這些地層遇孔內(nèi)全漏失時(shí),暫不堵漏,待穿過相關(guān)的漏失孔段再采取相應(yīng)的措施方法。但是,在孔口不返水鉆進(jìn)時(shí),要密切注意水泵的工作情況,時(shí)刻觀察泵壓、電流情況以免發(fā)生燒鉆事故。

采用套管護(hù)孔時(shí),首先要做好準(zhǔn)備工作,選擇套管所下孔段,要保證套管下到完整堅(jiān)硬的巖石上,套管底部與孔口要密封可靠,我們采用的是套管底部和頂部纏膠帶的方法,效果很好。

4.5.3 用“50 mm普通鉆桿排除坍塌物

當(dāng)孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重,形成砂橋、砂床,掃孔困難時(shí)。由于繩索取心鉆進(jìn)環(huán)空間隙小,泵壓高,不利于大排量排除孔內(nèi)坍塌物。我們換用“50 mm普通鉆桿,增大鉆具的環(huán)空間隙,采用普通鉆進(jìn)工藝的方法,沖掃到孔底后再換成繩索取心鉆具。2008年有5個(gè)鉆孔采用此方法,分別是1-1、49-16、69-22、73 -23、113-37號鉆孔,收到了較好的效果。

5 認(rèn)識和建議

(1）由于復(fù)雜漏失地層較厚、段長、點(diǎn)多,有的鉆機(jī)在施工中見漏就堵,堵了鉆進(jìn)時(shí)又漏,漏失后又再堵,所鉆進(jìn)尺都不多,反復(fù)處理堵漏,浪費(fèi)較多的堵漏時(shí)間和材料。建議在今后的施工作業(yè)中,見漏后盡量頂漏鉆進(jìn),或加深漏失孔段,減少堵漏次數(shù)的數(shù)量,節(jié)約堵漏材料的浪費(fèi)。

(2）孔身結(jié)構(gòu)上有的鉆孔不太合理,不能千遍一律,增大了施工的復(fù)雜性,未發(fā)揮好繩索取心鉆進(jìn)工藝的優(yōu)勢,建議一定要認(rèn)真分析所鉆鉆孔的地質(zhì)構(gòu)造和地層特征,結(jié)合已施工的鉆孔經(jīng)驗(yàn),因地制宜采取一些有效技術(shù)措施,制訂符合于本孔的鉆孔結(jié)構(gòu),發(fā)揮繩索取心鉆探的優(yōu)勢,提高鉆進(jìn)效率。

(3）在擴(kuò)孔方面,一定要按擴(kuò)孔鉆具的有效組合,下部導(dǎo)向的直徑要合理,上部的導(dǎo)向長度要長于6～8 m,以保證所擴(kuò)孔孔徑能順利下入套管。

(4）在鉆井液的選型和使用上,一定要根據(jù)地層巖性特征和構(gòu)造破碎程度,煤層厚度等因素,合理選擇鉆井液類型(或配方）,確保鉆孔安全,防止孔壁坍塌,杜絕孔內(nèi)事故是繩索取心鉆進(jìn)工藝提高鉆進(jìn)效率、降低成本的有效途徑。建議在鉆井液的管理工作中,要加強(qiáng)對循環(huán)系統(tǒng)的規(guī)范化,在使用上的制度化,在配制上的科學(xué)化。

[1] 彭步濤.繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在復(fù)雜地層的應(yīng)用[J].中國煤田地質(zhì),2007,19(1）.

[2] 閆永輝.麻黃地區(qū)鉆井難點(diǎn)與對策[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2008,35(6）.

[3] 陳金照.大河煤田鉆孔復(fù)雜因素分析及施工技術(shù)對策[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,36(10）.

Techn icalD ifficulties in Drilling Construction of Complex Formation

HUANG Ping(No.135 GeologicalBrigade,Si-chuan ProvincialBureau of Coal Geology,Luzhou Sichuan 646000,China）

In order to solve the technical difficulties of complex formation drilling for coal exploration in Xuyong dam of Si-chuan,analysis was made on the encountered complex for mations.The paper introduced the formation characteristics, borehole construction,washing fluid,wall protection&leakage control and the application of new technology.

coal exploration;drilling;wall protection&leakage control;wire-line coring;complex formation

P634.5

:A

:1672-7428(2010）05-0027-04

2010-01-14

四川省國土資源廳地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目

黃平(1957-）,男(漢族）,四川人,四川省煤田地質(zhì)局一三五地質(zhì)隊(duì)工程師,鉆探工程專業(yè),從事鉆探施工技術(shù)與管理工作,四川省瀘州市江陽西路20號,642802182@qq.com。