劉維平， 張 波， 鄭秀華

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2. 武警黃金七支隊(duì)，山東煙臺(tái) 264004； 3. 西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西西安 710000)

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陜西榆林地區(qū)煤田鉆探技術(shù)研究與應(yīng)用

劉維平1，2， 張 波3， 鄭秀華1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2. 武警黃金七支隊(duì)，山東煙臺(tái) 264004； 3. 西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西西安 710000)

陜西榆林地區(qū)煤田鉆探通常使用單管鉆進(jìn)，鉆進(jìn)效率低、技術(shù)落后。針對(duì)這一現(xiàn)狀，使用金剛石復(fù)合片鉆頭繩索取心技術(shù)，配合國產(chǎn)微電腦控制全液壓鉆機(jī),取得了良好的效果。文章主要從沖洗液配方和鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)、ZK2508現(xiàn)場(chǎng)施工過程中出現(xiàn)問題及處理、經(jīng)驗(yàn)分析總結(jié)等方面進(jìn)行闡述，并討論國產(chǎn)全液壓鉆機(jī)在金剛石小口徑鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)與不足,以期為以后的煤田鉆探提供借鑒。

煤田鉆探 PDC取心鉆頭 沖洗液 全液壓鉆機(jī) 繩索取心

Liu Wei-ping, Zhang bo, Zheng Xiu-hua. Research and application of drilling technology in coal fields of the Yulin area, Shaanxi Province[J].Geology and Exploration,2015, 51(1):0181-0185.

1 概況

礦區(qū)位于陜西省榆林市，地貌上屬于典型的黃土高原，海拔1000～1500 m。勘查區(qū)地表絕大部分被第四系松散沉積物覆蓋，主要有全新統(tǒng)風(fēng)積沙，現(xiàn)代河床沖、洪積層，上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組，中、下更新統(tǒng)黃土。鉆孔揭露的地層還有侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組、延安組及下統(tǒng)富縣組，三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組等。主要含煤地層在侏羅紀(jì)中統(tǒng)延安組，平均深度在600m左右。巖層巖性主要以泥巖、粉砂巖、砂巖為主，洛河組與安定組一段較長的紅色、紫紅色砂巖是鉆進(jìn)與護(hù)壁的難點(diǎn)。

該礦區(qū)煤層鉆探大多采用普鉆“打單管”的方式，技術(shù)比較落后，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本相對(duì)較高。也曾嘗試過繩索取心鉆進(jìn)，但效果不理想。針對(duì)目前現(xiàn)狀建立一套行之有效的鉆進(jìn)方法及規(guī)程非常必要。該項(xiàng)目采用全液壓鉆機(jī)、繩索取心技術(shù)以及金剛石復(fù)合片鉆頭，配備除砂器、動(dòng)力鉗等先進(jìn)設(shè)備，使用電腦采集和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，力爭提高鉆探水平，探索出高效、節(jié)能的鉆探工藝。

2 室內(nèi)設(shè)計(jì)

2.1 沖洗液配方設(shè)計(jì)

鉆進(jìn)該地區(qū)煤田地層主要有兩個(gè)難點(diǎn)：首先是松散地層的鉆進(jìn)。由于繩索取心鉆進(jìn)時(shí)環(huán)狀間隙小，沖洗液上返速度高，對(duì)孔壁沖刷作用大，不利于井壁泥皮的形成，同時(shí)上下鉆具時(shí)產(chǎn)生的激動(dòng)壓力大，易造成孔壁坍塌和鉆孔超徑。提高沖洗液的護(hù)壁性能,減少對(duì)地層的擾動(dòng),保證沖洗液液柱壓力大于地層坍塌壓力，是防止松散地層孔壁坍塌的主要措施。其次是泥頁巖水化問題。煤田主要以沉積地層為主，多為泥巖、頁巖和粉砂巖互層，易發(fā)生水化膨脹，導(dǎo)致沖洗液固相含量過高、密度與粘度難以控制、孔內(nèi)巖粉堆積等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生吸鉆、鉆孔彎曲、壓差卡鉆等事故，能否妥善解決這一問題也將是成功鉆進(jìn)的關(guān)鍵(索忠偉等，2009；孫平賀等，2010；毛洪江，2011)。

松散地層的防塌和護(hù)壁與防止泥頁巖水化膨脹是該礦區(qū)施工的主要難點(diǎn)，對(duì)沖洗液的性能要求較高，既要有良好的流變性，還要有防塌、抑制頁巖水化以及有效控制固相含量的能力(劉維平等，2009)。適量的KCl、NaCl、CaCl2等無機(jī)鹽可以降低沖洗液中水的活度，誘發(fā)空隙流體向沖洗液中滲透，從而達(dá)到頁巖去水化和改善頁巖穩(wěn)定性目的。在眾多無機(jī)鹽中，KCl的這種效果最好(郭健康，2005)，因?yàn)殁涬x子本身具有抑制性，同時(shí)，鉀離子比鈉離子水化半徑小，對(duì)聚硅醇酸根束縛力大，可以妨礙粘土端面吸附聚硅酸根，而且鉀離子比鈉離子聚沉能力大，鉀離子濃度越高，沖洗液絮凝效果越好，沖洗液整體性、穩(wěn)定性越好(要二倉等，2008)。

表1 不同地層沖洗液配方、性能表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，主要選擇常用的膨潤土、纖維素、聚丙烯酰胺、XC、GLUB、KCl作為添加劑(鄢捷年，2006)，通過室內(nèi)正交實(shí)驗(yàn)調(diào)整其配比，滿足不同井段地層對(duì)沖洗液的要求。

2.2 鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 轉(zhuǎn)速

2.2.2 鉆壓

切削具在軸向荷載的作用下施力于巖石，由于切削具的形狀尺寸不同，產(chǎn)生的應(yīng)力是不同的。僅就應(yīng)力區(qū)而言，吃入深度、破碎區(qū)和壓力成正比。對(duì)于復(fù)合片鉆頭鉆壓的計(jì)算可以使用經(jīng)驗(yàn)公式PY=f×σr×Q×F獲得(f-調(diào)整系數(shù)：0.5～0.7，Q-鉆頭復(fù)合片數(shù)量，σr-巖石抗壓強(qiáng)度Pa，F(xiàn)-復(fù)合片與巖石的接觸面積mm2)。經(jīng)計(jì)算復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)煤田巖層施加到單片復(fù)合片的鉆壓為70～100kg，鉆進(jìn)煤層施加到單片復(fù)合片的鉆壓為50～60kg(夏柏如，1991)。

2.2.3 泵量

設(shè)計(jì)原則是滿足沖洗液上返速度的要求。金剛石鉆進(jìn)上返速度應(yīng)大于 0.3～0.7m/s；金剛石繩索取心鉆進(jìn)保持上返流速為 0.5～1.5m/s。通常使用復(fù)合片鉆頭泵量要超過表鑲或者孕鑲的20%～50%，其泵量計(jì)算可根據(jù)公式Q=6×V×A(Q-沖洗液量L/min，V-環(huán)狀間隙上返流速m/s，A-鉆孔環(huán)狀斷面cm2)。經(jīng)計(jì)算Φ76口徑鉆進(jìn)，沖洗液泵量參考值為50～80L/min。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1PDC取心鉆頭應(yīng)用效果

PDC鉆頭實(shí)質(zhì)上就是微型切削片刮刀鉆頭，因此PDC鉆頭的工作原理與刮刀鉆頭的工作原理基本相同，主要以切削、剪切和擠壓方式破碎地層，通過克服巖石的剪切強(qiáng)度而不是擠壓強(qiáng)度來破碎巖石。因此在相對(duì)較軟的地層相對(duì)于孕鑲金剛石鉆頭，其切削速度快、鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長(孫明光，2002)。煤田多以沉積地層為主，地層偏軟能夠較好的發(fā)揮PDC鉆頭優(yōu)勢(shì)。PDC鉆頭在雷龍灣-趙石畔礦區(qū)ZK2508鉆孔施工中表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：鉆頭壽命長，全孔534m僅更換一次鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)效相比于普通孕鑲鉆頭高出20%～30%，節(jié)約了大量輔助時(shí)間；PDC鉆頭切削具鋒利耐磨，便于進(jìn)行恒速鉆進(jìn)，鉆進(jìn)中壓力小，轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，鉆具穩(wěn)定；巖心采取率高，巖煤心完整；鉆頭成本低，ZK2508折算鉆頭每米成本僅2.37元，經(jīng)濟(jì)效益高。

3.2 斷鉆問題分析及處理

鉆桿在受孔內(nèi)各種荷載作用，包括彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)、拉壓及腐蝕，容易出現(xiàn)鉆桿折斷現(xiàn)象，特別是金剛石繩索取心鉆進(jìn)復(fù)雜地層因鉆桿壁薄，更易出現(xiàn)鉆桿折斷。鉆桿絲扣及接手卡槽室應(yīng)力集中，是最易折斷的地方。通常加壓鉆進(jìn)最大撓度在離井底1/3深度處，井壁間隙越大折斷規(guī)律越明顯；而減壓鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿應(yīng)力零點(diǎn)斷面處交變應(yīng)力最大，因而最易折斷(董智廣等，1994)(見圖1)。

一般來說，金剛石鉆頭鉆進(jìn)速度越慢，鉆進(jìn)時(shí)效越低，越容易出現(xiàn)鉆桿折斷事故。如此惡性循環(huán)最終會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果：鉆桿彎曲嚴(yán)重，鉆壓加不到孔低，易壓垮地層，造成地層坍塌、鉆孔彎曲；漏失嚴(yán)重，鉆桿處于干摩擦狀態(tài)、孔內(nèi)堆積物較多，重復(fù)破碎嚴(yán)重(石得權(quán)，2010)。

圖1 鉆桿受力圖Fig.1 Drill pipe stresses A-加壓鉆進(jìn)；B-減壓鉆進(jìn); L-孔深；H-折斷孔深；P-合成應(yīng)力；f2-鉆桿彎曲最大撓度A-pressurized drilling; B-reduced-pressure drilling; L-hole depth; H-broken depth; P-resultant stress;f2-the maximum deflec tion of drill pipe

ZK2508鉆孔施工過程中共發(fā)生6次鉆桿折斷現(xiàn)象。事故原因分析：一是鉆孔級(jí)配不合理。開孔Φ108套管下完后，直接用Φ73鉆桿鉆進(jìn)，孔壁間隙大，鉆壓難以有效施加至鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)效提不上去，鉆桿折斷頻繁；二是鉆壓過大。前期對(duì)地層認(rèn)識(shí)不足，加之全液壓鉆機(jī)動(dòng)力大，一味求快加大鉆壓，應(yīng)力集中導(dǎo)致鉆桿折斷；三是沖洗液配比不合理導(dǎo)致局部出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，斷鉆事故頭難以找到而情況惡化。

現(xiàn)場(chǎng)采取的解決措施有：改善鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆桿級(jí)配，減小鉆孔環(huán)狀間隙，減小鉆桿彎曲撓度和彎曲應(yīng)力，增加半波長度。建議將鉆桿與接頭、鉆桿與孔徑和合理比值達(dá)到0.89～0.93。二是改善沖洗液配比，有效保護(hù)孔壁，減少鉆桿吸附，有效釋放上部應(yīng)力堆積；特別在更換沖洗液時(shí)，要保證孔內(nèi)壓力持續(xù)性，避免過激操作。三是提高鉆桿強(qiáng)度，在現(xiàn)場(chǎng)更換了采用復(fù)合熱處理的鉆桿后，斷鉆問題明顯減少。

3.3 沖洗液性能控制

ZK2508鉆進(jìn)過程中常會(huì)出現(xiàn)鉆孔漏失、沖洗液固相含量難以控制、地層坍塌、掉塊、鉆進(jìn)速度慢等問題?，F(xiàn)場(chǎng)具體解決方法有：增加循環(huán)槽長度，配備除砂器，加入選擇性絮凝劑，降低固相含量；定期測(cè)定沖洗液密度、粘度，發(fā)現(xiàn)固相含量過高，立即進(jìn)行稀釋、沉降或更換泥漿；每個(gè)班組都要進(jìn)行沖洗液參數(shù)測(cè)定，并保證現(xiàn)場(chǎng)沖洗液性能：漏斗粘度28 s～33 s，pH 8～10，含沙量<5%，密度1.01～1.03 g/cm3(劉選鵬等，2010)，纖維素、黃原膠、聚丙烯酰胺等有機(jī)高分子材料使用前均需要提前充分預(yù)水化；保持?jǐn)嚢铏C(jī)正常工作狀態(tài)；保證沖洗液中一定的鉀離子濃度，定時(shí)補(bǔ)充KCl；在砂巖等不穩(wěn)定地層適當(dāng)提高沖洗液密度以平衡地層壓力(曾祥熹等，1981)。

3.4 鉆進(jìn)參數(shù)的控制

鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)的控制，主要是指針對(duì)當(dāng)前孔深、地層等情況，對(duì)鉆壓、鉆速、泵壓、扭矩以及沖洗液性能等參數(shù)的控制。表2是ZK2508孔在不同孔深、地層情況下各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄，能夠正確反應(yīng)孔內(nèi)情況并為處理措施提供依據(jù)。復(fù)雜地層鉆進(jìn)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持輕壓吊打的原則，控制鉆速和鉆壓，時(shí)刻關(guān)注扭矩情況，當(dāng)出現(xiàn)跳躍式進(jìn)尺時(shí)說明鉆進(jìn)參數(shù)配比不合理，及時(shí)調(diào)整保證平穩(wěn)快速鉆進(jìn)(孫建華，2006)。

表2 技術(shù)參數(shù)匯總表

4 全液壓鉆機(jī)應(yīng)用于金剛石小口徑鉆進(jìn)優(yōu)缺點(diǎn)分析

ZK2508是首例在該地區(qū)使用全液壓鉆機(jī)配合金剛石復(fù)合片鉆頭繩索取心技術(shù)成功鉆穿目的地層的鉆孔。在此僅就西安探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的全液壓鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)與不足予以闡述。

首先全液壓鉆機(jī)相對(duì)于之前普通巖心鉆機(jī)不論是在技術(shù)上、動(dòng)力上、安全性上、操作上以及勞動(dòng)強(qiáng)度上都是質(zhì)的突破，也是鉆探技術(shù)向前發(fā)展的形勢(shì)所趨。在本次煤田鉆探應(yīng)用上突出的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)有：突出的微電腦控制自動(dòng)鉆進(jìn)系統(tǒng)，可根據(jù)地層情況調(diào)節(jié)鉆進(jìn)參數(shù)，初步實(shí)現(xiàn)智能操作；較高的轉(zhuǎn)速與合理的轉(zhuǎn)速范圍，能夠有效提高金剛石小口徑鉆進(jìn)速度；動(dòng)力頭行程長，有效減少倒桿次數(shù)，防止巖心堵塞，提高巖心的采取率；動(dòng)力頭與夾持器配合，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械擰卸鉆具，并配有液壓動(dòng)力鉗，有效提高鉆進(jìn)效率并降低勞動(dòng)強(qiáng)度；整機(jī)模塊化一體設(shè)計(jì)，配備履帶和鉆探，大大減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度并有效提高現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性(鄢泰寧，2001；張偉，2007)。

與此同時(shí)，由于國內(nèi)自主設(shè)計(jì)小口徑巖心鉆探全液壓鉆機(jī)還處于起步階段，技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)還存在不完善方面，具體表現(xiàn)在：微電腦自動(dòng)控制數(shù)字顯示技術(shù)還不夠成熟，有時(shí)不能夠真實(shí)的反應(yīng)鉆孔內(nèi)情況；鉆工們習(xí)慣于液壓表操作，對(duì)數(shù)字顯示操作經(jīng)驗(yàn)較少；自帶鉆塔高度有限，處理事故的能力相對(duì)較差；設(shè)計(jì)中攪拌機(jī)考慮的較少，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，攪拌機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障；鉆機(jī)照明設(shè)備相對(duì)欠缺，夜間施工需要另外配備發(fā)電機(jī)照明；鉆塔上缺乏扶正機(jī)構(gòu)，特別在鉆進(jìn)斜孔時(shí)，上下鉆與添加鉆桿時(shí)有諸多不便；液壓系統(tǒng)的密封不夠理想，在高強(qiáng)度、高負(fù)荷下工作常會(huì)出現(xiàn)漏油問題；對(duì)鉆工保養(yǎng)維修的技能要求較高。

5 結(jié)論

實(shí)踐證明，金剛石復(fù)合片鉆頭是鉆進(jìn)煤田沉積地層的理想鉆頭，這種鉆頭壽命長，節(jié)約大量的輔助時(shí)間，并且鉆進(jìn)速度快，轉(zhuǎn)速低，在松軟、破碎地層，尤其是煤層，采取率高，巖心完整，可大幅度降低成本，值得推廣應(yīng)用。

煤田勘探的鉆機(jī)相對(duì)于石油、天然氣行業(yè)比較落后，全液壓鉆機(jī)是該類型鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，目前國外生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)的技術(shù)也有了長足的進(jìn)步，但仍有不盡人意的地方。ZK2508成功鉆進(jìn)證明引進(jìn)使用全液壓鉆機(jī)是非常有必要的。

沖洗液是此次鉆孔順利完成的關(guān)鍵，成功抑制頁巖水化地層、有效平衡地層壓力、減少漏失、保證了井眼軌跡的規(guī)則，在任何鉆探施工中，都不能忽略沖洗液這一重要環(huán)節(jié)。

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中出現(xiàn)過很多問題，有經(jīng)驗(yàn)也有教訓(xùn)，在文中都有論述，希望在煤田地層鉆探施工中能有借鑒意義。

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Research and Application of Drilling Technology in Coal fields of the Yulin Area, Shaanxi Province

LIU Wei-ping1,2, ZHANG Bo3, ZHENG Xiu-hua1

1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083; 2.No.7DetachmentBrigadeofChinesePeople'sArmedPoliceForce,Yantai,Shandong264004; 3.InstituteofGeologicalProspectionandDesign,Xi′an,Shaanxi710000)

Single-tube drilling is usually used for prospecting coal formation in the Yulin area, Shanxi Province, which is a kind of backward technique with low drilling efficiency. To solve this problem, the PDC bit wire-line core drilling technology has been employed, coupled with the microcomputer controlled all-hydraulic operated drill rig, which obtained good results. Several aspects of this technology are presented in this article, including the design of drilling fluids and drilling parameters, problems and treatments of ZK2508 during the drilling process, the summary of experiences, and the analysis of the strengths and weaknesses of all-hydraulic operated drill rig made in China based on in-site drilling. Some techniques mentioned in this article are worthy to be used for reference in drilling of coal fields.

coal field drilling, PDC bit, drilling fluid, all-hydraulic operated drill rig, wire-line core drilling

2013-05-03；

2014-05-20；[責(zé)任編輯]郝情情。

劉維平(1986年-)，男，2011年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，獲學(xué)士學(xué)位，在讀研究生，現(xiàn)主要從事鉆井液方面的研究工作。E-mail：king8671@126.com。

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0495-5331(2015)01-0181-05