張?jiān)?，孟慶偉，顏廷福，劉興福

(吉林省第五地質(zhì)調(diào)查所，吉林長(zhǎng)春130061)

松軟煤系地層深孔鉆探難度較大，2014年我所在長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)卡倫礦區(qū)采用繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，較為順利地完成了2個(gè)較深的鉆探孔，終孔深度分別為1112.45 m(ZK6405孔)和1359.95 m(ZK3201孔)，巖礦心采取率達(dá)到100%，煤心樣品沒(méi)有燃燒破壞現(xiàn)象，較好地滿足了地質(zhì)的要求。

1 礦區(qū)地層概況

該礦區(qū)位于長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)卡倫湖鎮(zhèn)境內(nèi)，屬松遼平原南緣，地貌形態(tài)屬河間地塊型，為山前傾斜平原霧開河西部地塊。區(qū)域上出露的地層為第四系、白堊系的泉頭組和營(yíng)城組。

第四系主要以植被土，劣質(zhì)粘土為主。

泉頭組主要以上部棕紅色泥巖與灰色粉砂巖、粉細(xì)砂巖等，中部灰色細(xì)砂巖、粉砂巖與棕紅色泥巖互層，下部紫紅色泥巖與灰綠色粉砂巖互層。

營(yíng)城組主要以上部淺灰白色泥巖、灰—灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖不等厚互層，下部灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、薄煤層、泥質(zhì)砂巖互層。其中砂巖泥質(zhì)含量高，泥巖遇水膨脹，屬水敏性地層。

2 鉆探施工難點(diǎn)

該礦區(qū)主要為煤系地層，地層松軟，遇水膨脹，局部破碎，深孔鉆探時(shí)間長(zhǎng)，許多煤礦鉆探隊(duì)多采用60外絲鎖接手鉆桿提鉆取心鉆進(jìn)方法，而頻繁的提下鉆具對(duì)松軟地層孔壁破壞作用非常大，孔壁超徑現(xiàn)象嚴(yán)重，隨之坍塌、掉塊現(xiàn)象頻發(fā)，鉆桿折斷事故經(jīng)常發(fā)生，不得以配備鉆鋌孔底加壓，使孔內(nèi)鉆桿處于減壓狀態(tài)，減少鉆桿彎曲，降低對(duì)孔壁的破壞作用和鉆桿折斷現(xiàn)象，但還是避免不了事故的發(fā)生，而且鉆探效率低下，鉆月進(jìn)尺平均僅350 m左右，在巖心采取率和煤礦層取心等方面都難以保證質(zhì)量要求，很難順利完成一個(gè)超千米的鉆孔。而采用繩索取心鉆進(jìn)方法，由于孔壁與鉆桿環(huán)空間隙小，松散地層的大顆粒巖粉不易排出，細(xì)小顆粒巖粉進(jìn)入沖洗液中分離困難，造漿現(xiàn)象嚴(yán)重，鉆桿內(nèi)壁極易結(jié)皮，沖洗液性能變壞，導(dǎo)致孔壁超徑，超徑后，繩索取心鉆桿因剛性強(qiáng)比常規(guī)鉆桿更易折斷，難于處理。另外，深孔鉆進(jìn)由于取心時(shí)間長(zhǎng)，鉆桿長(zhǎng)時(shí)間靜止在孔內(nèi)，在沖洗液密度大時(shí)還易發(fā)生鉆桿與孔壁粘卡(吸附卡鉆)現(xiàn)象。

3 鉆探工藝及技術(shù)措施

針對(duì)以往提鉆取心鉆進(jìn)方法的不利局面，我們采用了繩索取心鉆進(jìn)方法，為保證繩索取心鉆進(jìn)方法的順利實(shí)施，從鉆孔結(jié)構(gòu)、沖洗液類型和配方、技術(shù)措施等方面著手，較好地解決了松軟煤系地層繩索取心問(wèn)題。

3．1 施工設(shè)備的選擇

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)深度在1500 m以淺，以及本單位現(xiàn)有設(shè)備情況，選用主要設(shè)備有XY－5型鉆機(jī);BW－250型泥漿泵;SG－23型四角管塔;LW－400型離心式除泥機(jī);JQ－190－2型旋流除砂器等。

3．2 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，松軟地層采用繩索取心鉆進(jìn)方法，須加大鉆孔孔壁與鉆桿環(huán)狀間隙具體的鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

3．3 鉆孔沖洗液

3．3．1 鉆孔沖洗液體系確定依據(jù)

考慮到該礦區(qū)地層大部分為泥巖、砂巖，鉆進(jìn)時(shí)遇水膨脹、坍塌，選擇低固相或無(wú)固相抑制性鉆孔沖洗液體系。地表土層以普通鈉土泥漿為鉆孔沖洗液;泉頭組地層以低固相聚合物為鉆孔沖洗液，主要以粘土、共聚物、植物膠、銨鹽、腐植酸鉀、磺化瀝青、聚丙烯酸鉀等材料組成。營(yíng)城組地層以無(wú)固相聚合物為鉆井沖洗液，主要以共聚物、銨鹽、頁(yè)巖抑制劑、腐植酸鉀、聚丙烯酸鉀等材料組成。

3．3．2 沖洗液配方的確定

主要通過(guò)樣品浸泡試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)沖洗液的護(hù)壁性能。巖心在濃度為0.5%聚丙烯酸鉀水溶液中浸泡觀察，72 h巖心開始崩散，大顆粒沉淀，細(xì)小顆粒分散在溶液中。巖心在濃度為1%銨鹽水溶液中浸泡觀察，120 h巖心破損為大小不等(7.5～12 mm)的塊狀固體。巖心在濃度為3%的腐植酸鉀水溶液中浸泡觀察，7 d后(168 h)巖心多處分裂，晃動(dòng)容器巖心產(chǎn)生大小不等的碎塊。巖心在濃度為1%銨鹽水溶液+濃度為3%腐植酸鉀水溶液+濃度為3%頁(yè)巖抑制劑水溶液的混合液中浸泡靜態(tài)觀察12 d，巖心有裂隙無(wú)剝落破損，晃動(dòng)未塌落。

3．3．3 鉆孔沖洗液的日常維護(hù)管理

主要做法是配備專職泥漿工程師，每個(gè)小班配有專人配制鉆孔沖洗液，對(duì)孔內(nèi)返出的鉆孔沖洗液性能測(cè)試2～3次，并且作好記錄，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)變化情況調(diào)整處理劑的加量，每個(gè)小班用新配制的鉆孔沖洗液替換掉1～2 m3孔內(nèi)返出的沖洗液，始終保持鉆孔沖洗液性能滿足地層護(hù)壁要求。

4 技術(shù)措施

4．1 套管護(hù)孔

煤系地層大部分是軟地層，不能確保套管坐落在堅(jiān)硬巖石上，因此，必須把套管連接好，防止在施工中鉆桿敲打把套管打斷，造成施工困難。主要做法是絲扣連接處涂抹松香，再用薄鋼板焊接絲扣連接處，底部選用反絲套管，上部則用正絲套管。

4．2 除泥機(jī)和除砂器的使用

由于煤系地層大部分是泥巖和砂巖，而繩索取心鉆進(jìn)需要控制沖洗液的固相含量，多選用低固相或無(wú)固相鉆井沖洗液，而該礦區(qū)巖石特性是疏松、松軟，鉆進(jìn)中孔壁維護(hù)困難，孔壁軟泥隨著鉆進(jìn)的深入逐漸剝離進(jìn)入孔內(nèi)混入沖洗液中，致使沖洗液的固相含量急劇增大，既影響鉆進(jìn)效率，又降低沖洗液質(zhì)量，還增大鉆桿內(nèi)壁結(jié)皮，因此，配備離心式除泥機(jī)和旋流除砂器有效去除沖洗液中的固相含量。

4．3 打撈工具的配備

我們?cè)诶K索取心鉆探中已基本淘汰了常用的公錐、母錐為打撈工具，取而代之的是把石油系統(tǒng)用的“可退式”撈矛引進(jìn)來(lái)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、打撈方便、不傷鉆桿絲扣、可靠耐用，如事故鉆桿起拔不動(dòng)時(shí)可以自動(dòng)退開，不會(huì)在孔內(nèi)留下后患，為下一步處理方案創(chuàng)造條件，現(xiàn)場(chǎng)配有不同規(guī)格的“可退式”撈矛，用于各種規(guī)格的繩索取心鉆桿的打撈。

4．4 割管器的配備

4．5 及時(shí)回灌

繩索取心鉆進(jìn)提內(nèi)管之前和提鉆桿時(shí)必須隨時(shí)回灌沖洗液，防止由于抽吸作用造成孔壁坍塌，這一點(diǎn)很重要。在井口套管上制做一個(gè)回灌裝置，使沖洗液順利灌入孔內(nèi)。

4．6 液動(dòng)潛孔錘的使用

在進(jìn)入深孔(500 m)鉆進(jìn)中采用繩索取心液動(dòng)潛孔錘鉆具鉆進(jìn)，雖然液動(dòng)潛孔錘在松軟煤系地層對(duì)提高鉆進(jìn)速度不明顯，但它能起到防止巖心堵塞、提高回次進(jìn)尺的作用，回次進(jìn)尺一般都能達(dá)到3 m(滿管)，從而提高了純鉆時(shí)間利用率。此外，它在深孔施工中對(duì)內(nèi)管總成是否到位可反饋一個(gè)準(zhǔn)確信號(hào)，確保準(zhǔn)確判斷內(nèi)管總成是否到位。

5 鉆探技術(shù)成果

從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，繩索取心外加液動(dòng)沖擊器方法明顯高于提鉆取心，提高了效率降低了孔內(nèi)事故，還有最大好處是采取率達(dá)到100%，并且煤心沒(méi)有研燒現(xiàn)象，保證地質(zhì)資料準(zhǔn)確性。

表1 繩索取心與提鉆取心鉆探技術(shù)成果對(duì)比

6 經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)

(1)從實(shí)際應(yīng)用情況看，繩索取心鉆進(jìn)工藝選擇機(jī)械立軸式鉆機(jī)是不合適的，倒桿次數(shù)多，停鉆時(shí)間多，易出現(xiàn)孔內(nèi)事故。而我們?cè)谄渌愃频貙拥V區(qū)鉆探中采用全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)取得很好的鉆探成果。

(2)松軟煤系地層繩索取心鉆進(jìn)鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙選擇一定要合理，打破常規(guī)做法，保持鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙在4～5 mm，特別是＞1000 m的深孔。對(duì)順利施工起到至關(guān)重要作用。

(3)選擇具有針對(duì)性沖洗液配方對(duì)松軟煤系地層鉆進(jìn)孔壁進(jìn)行保護(hù)，但目前尚沒(méi)有哪一種配方能真正長(zhǎng)時(shí)間起到護(hù)壁作用，需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。

(4)下入套管一定要牢固，防止折斷，措施一定要跟上，不要輕易起拔套管進(jìn)行二次下入，更不要隨意更改已下完套管狀態(tài)和規(guī)格。從施工的2個(gè)鉆孔看，某層段在相同位置多次斷鉆桿和套管往下跑，說(shuō)明該孔段坍塌超徑，后經(jīng)下入套管沒(méi)有發(fā)生鉆桿折斷事故。應(yīng)盡可能一次性深下套管。

(5)鉆進(jìn)中如發(fā)現(xiàn)在某一孔段有2～3次斷鉆桿事故發(fā)生，就應(yīng)及時(shí)處理，不要等到出現(xiàn)更大事故時(shí)再處理。在鉆孔結(jié)構(gòu)允許條件下，下入次一級(jí)套管穿過(guò)該層段，換下一級(jí)鉆具鉆進(jìn)。當(dāng)孔壁超徑嚴(yán)重時(shí)(“肚子”很大)，可采用水泥封孔方法處理，但需掌握好透孔時(shí)間，避免透偏孔。

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