王建民

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

淮北花溝井田復(fù)雜地層鉆探技術(shù)研究

王建民

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

復(fù)雜地層鉆探技術(shù)是當(dāng)前地質(zhì)鉆探的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文首先對(duì)淮北煤田花溝井田的復(fù)雜地質(zhì)情況和地層鉆進(jìn)特性進(jìn)行了介紹，然后分析了花溝井田鉆探施工中所遇到的漏失、孔壁坍塌、卡鉆等技術(shù)難題，并針對(duì)存在的技術(shù)難題提出了適合的施工工藝、泥漿工藝和保證鉆探質(zhì)量的技術(shù)措施，最后對(duì)取得的效果進(jìn)行了總結(jié)。通過(guò)對(duì)花溝井田復(fù)雜地層鉆探相關(guān)問(wèn)題的探討，旨在為相關(guān)人員在復(fù)雜地層鉆探技術(shù)方面的研究和實(shí)踐提供一定的思路。

花溝井田；復(fù)雜地層；鉆孔；鉆探技術(shù)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)資源的需求量也日益增長(zhǎng)，礦產(chǎn)資源的淺層鉆探越來(lái)越少，資源勘探迅速向深層發(fā)展。復(fù)雜地層的鉆孔鉆探需求因此而日益增多。鉆探是一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)性高、隱蔽性強(qiáng)的工作，在鉆探的期間容易出現(xiàn)縮徑、坍塌等孔內(nèi)事故。而鉆孔鉆探處于地層復(fù)雜多變的隱蔽空間，且孔內(nèi)事故常出現(xiàn)在較深的位置，無(wú)法展開(kāi)直接觀察，僅可憑借經(jīng)驗(yàn)展開(kāi)判斷、評(píng)估，且目前我國(guó)的勘探技術(shù)和勘探設(shè)備遠(yuǎn)落后于國(guó)際水平，阻礙了國(guó)內(nèi)鉆探行業(yè)的發(fā)展。

復(fù)雜地層鉆探技術(shù)是當(dāng)前地質(zhì)鉆探的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。設(shè)備的作業(yè)能力、鉆進(jìn)工藝和鉆進(jìn)參數(shù)的選擇、泥漿護(hù)壁技術(shù)、孔內(nèi)事故的預(yù)防與處理等，都是復(fù)雜地層鉆孔鉆探的關(guān)鍵問(wèn)題。位于安徽省渦陽(yáng)縣境內(nèi)的花溝井田，其復(fù)雜的地層特性，對(duì)井田內(nèi)的煤層鉆探提出了挑戰(zhàn)，在鉆探的過(guò)程中，施工隊(duì)伍遇到了漏失、孔壁坍塌、卡鉆等技術(shù)難題，通過(guò)對(duì)淮北花溝井田的地質(zhì)狀況的分析和合理的施工設(shè)計(jì)，淮北花溝井田的鉆探取得了良好的鉆探效果。本文將首先對(duì)淮北花溝井田的地質(zhì)狀況進(jìn)行描述，然后分析了鉆孔施工中遇到的技術(shù)難題，然后對(duì)鉆孔過(guò)程中應(yīng)用的施工方法和技術(shù)措施進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)取得的效果進(jìn)行了總結(jié)，為復(fù)雜地層鉆孔鉆探的研究人員和施工人員提供有益的理論和實(shí)踐借鑒。

1 地層概述與地質(zhì)要求

1.1 地層概述和地質(zhì)要求

淮北煤田花溝井田位于安徽省渦陽(yáng)縣境內(nèi)，屬于淮河水系，地下水和地表水豐富；地勢(shì)較為平坦，東南低、西北高，地面海拔標(biāo)高在30.10 m～32.70m之間；地處于南北向和東西向大斷裂交匯帶附近，地震基本烈度值為Ⅶ，曾有小地震發(fā)生，無(wú)災(zāi)害性大震。

區(qū)域內(nèi)地層發(fā)育較為齊全，鉆孔穿過(guò)地層由老至新依次為：二疊系、三疊系、第四系。其中，二疊系主要由陸相和三角洲平原相的碎屑巖和煤組成，厚度約700m，巖石可鉆性 4～7 級(jí)，部分 8 級(jí)；老第三系巖性以紅層為主，平均厚度約 121.5m，半固結(jié)紫紅色含泥、含礫粉砂巖，膠結(jié)性差，巖石可鉆性 3～4 級(jí)；第四系巖性以粘土、砂、砂質(zhì)粘土為主，厚度約 630m，下部有厚約 15m的礫石層。該區(qū)二疊系含煤地層自上而下編號(hào)2、3（上石盒子組）；4、5、7、8（下石盒子組）；10、11（山西組）?？辈閰^(qū)的巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，多個(gè)鉆孔揭露巖漿巖，巖性主要為輝綠巖。

1.2 地質(zhì)因素對(duì)鉆探的影響

地層的結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)因素、巖體的構(gòu)造、礦物成分、地下水等各種地質(zhì)因素會(huì)對(duì)復(fù)雜地層的鉆探產(chǎn)生重要影響。各巖性單元的分布和構(gòu)造、巖石的種類(lèi)、硬度等，會(huì)直接影響到鉆孔的速度和取芯率等，對(duì)鉆探工藝的設(shè)計(jì)和鉆井液的選配具有重要的參考意義。復(fù)雜地層地質(zhì)因素對(duì)鉆探的影響，見(jiàn)表1所示。

表1 地質(zhì)因素對(duì)鉆探的影響

2 施工中所遇到的技術(shù)難題

在花溝井田鉆孔的施工中主要遇到漏失、孔壁坍塌、卡鉆、巖煤芯采取率低、鉆效低、成本高等問(wèn)題，具體如下：

（1）漏失?；暇锏牡貙又?，礫粉砂巖、砂、礫石層等具有良好的滲透性，容易發(fā)生滲透性漏失。滲透性漏失速度較慢、漏失量較小，但是漏失有可能引起孔壁坍塌以及卡鉆等事故，因此需要引起足夠重視，在鉆探的過(guò)程中，遇到漏失層，可以適當(dāng)調(diào)整泥漿的粘度，提起鉆柱靜置一段時(shí)間即可。

（2）孔壁坍塌。地層應(yīng)力或者破碎帶地層、水敏性地層均可以引起孔壁坍塌失穩(wěn)?；暇锲扑閹z結(jié)性差、井田沖積層厚，砂層、礫石層松散，地層被鉆開(kāi)后，地層壓力向空中集中釋放，使得在鉆探中，極易發(fā)生孔徑變化、巖層坍塌等復(fù)雜情況。

（3）卡鉆。在鉆探的過(guò)程中，卡鉆是常見(jiàn)的孔內(nèi)事故。引起卡鉆的原因有多種?；暇镉休^厚的礫石層，在鉆孔的過(guò)程中，礫石掉塊經(jīng)常造成卡鉆；鉆進(jìn)破碎帶時(shí)，容易因井壁坍塌而造成埋鉆。因此，在鉆進(jìn)的之前，要特別注意鉆井液的選取，在鉆進(jìn)的過(guò)程中，可以根據(jù)不同地層適當(dāng)調(diào)整泥漿的濃度，保證鉆進(jìn)的順利進(jìn)行。

（4）巖煤芯采取率低，鉆效低。在花溝井田這一復(fù)雜地層的鉆探中，前期施工過(guò)程中，巖煤芯的采取率低，鉆效低，使得鉆孔的效果不是很好，鉆探的成本較高。通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)鉆探技術(shù)、合理選配泥漿、選擇合適的鉆具等措施，使問(wèn)題得到解決。

3 施工方法和技術(shù)措施

3.1 施工工藝

3.1.1 鉆進(jìn)方法

綜合花溝井田復(fù)雜地層的巖石力學(xué)特性、巖體構(gòu)造、礦物成分、地下水等各種地質(zhì)因素的影響，結(jié)合井田鉆探設(shè)備的選取以及孔壁護(hù)壁等因素，選擇鉆孔取芯的鉆進(jìn)方法。通過(guò)鉆孔取芯，可以充分了解花溝井田煤層的埋藏深度、分布規(guī)律、煤層結(jié)構(gòu)、煤層厚度、煤質(zhì)牌號(hào)等情況。開(kāi)孔采用φ110mm硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，從基巖界面上部20m取芯鉆進(jìn)，基巖采用φ91mm硬質(zhì)合金或金剛石復(fù)合片鉆頭取芯鉆進(jìn)。

3.1.2 鉆井設(shè)備及鉆具

鉆井設(shè)備選用TXB-1600鉆機(jī)、6135柴油機(jī)（95kw）、NBB-250/60泥漿泵、22m四角鉆塔、除砂器等。

鉆具組合：①無(wú)心鉆進(jìn)選擇無(wú)芯鉆頭（φ110mm～ φ91mm）+鉆鋌（φ68mm、5立根）+鉆桿（φ50mm）+六方立軸；②取芯鉆進(jìn)選擇取芯鉆頭（φ110mm～ φ91mm）+取芯管（φ89mm ）+鉆鋌（φ68mm、5立根）+鉆桿（φ50mm）+六方立軸。

3.1.3 鉆進(jìn)參數(shù)

合理尋求鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量等鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，是保證鉆孔經(jīng)濟(jì)效益的重要保證。在鉆進(jìn)的過(guò)程中，需要根據(jù)花溝井田地層的變化，合理的選擇鉆進(jìn)參數(shù)，見(jiàn)表2。注意，當(dāng)?shù)貙佑捎沧冘洉r(shí)，要適當(dāng)減壓鉆進(jìn)，當(dāng)?shù)貙佑绍涀冇矔r(shí)，需要適當(dāng)減壓鉆進(jìn)20公分至半米后逐漸加壓鉆進(jìn)，以預(yù)防鉆孔偏斜。

表2 不同地層鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)表

3.2 泥漿工藝

花溝井田作為復(fù)雜地層，在鉆進(jìn)的過(guò)程中不出現(xiàn)不同程度的漏失、縮徑、孔壁坍塌、卡鉆等問(wèn)題，本井田存在多種不同類(lèi)型的復(fù)雜地層（復(fù)雜地層的類(lèi)型見(jiàn)表3）。

表3 復(fù)雜地層類(lèi)型

在鉆進(jìn)的過(guò)程中，選擇合適的泥漿護(hù)壁對(duì)復(fù)雜地層鉆孔的成功具有十分重要的作用。在對(duì)泥漿的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先按照鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)泥漿的要求，然后結(jié)合花溝井田復(fù)雜定的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的泥漿進(jìn)行護(hù)壁。在花溝井田鉆孔的施工中要重點(diǎn)防止孔壁失穩(wěn)坍塌，同時(shí)注意鉆進(jìn)紅層孔段地層造漿，會(huì)使泥漿變稠。因此，為了保證鉆孔順利進(jìn)行，首先對(duì)地層壓力進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，合理設(shè)計(jì)鉆井泥漿，具體方法有漏失試驗(yàn)法和密度調(diào)整法，同時(shí)在實(shí)際的施工中根據(jù)不同的巖層適當(dāng)?shù)恼{(diào)整泥漿的濃度。

在具體的鉆進(jìn)中，主要選用PHP-HPAN （聚丙烯腈-聚丙烯酰胺）低固相泥漿，加入KHm（腐植酸鉀）處理劑。PHP-HPAN低固相泥漿粘度低、流變性好、失水量小，護(hù)壁能力強(qiáng)，同時(shí)加入KHm可有效防止孔壁坍塌。泥漿配方：膨潤(rùn)土粉 4%～6%+純堿（Na2CO3）0.4%～0.5%+聚丙烯腈（HPAN）2%+聚丙烯酰胺（PHP）0.2%+腐植酸鉀（KHm）2%～4%。泥漿現(xiàn)場(chǎng)配置，并達(dá)到18～ 23S的粘度、1. 03～1. 09g/cm3的比重、小于4%的含砂量，失水量控制在12～15ml/30min，PH值控制在8～9之間。

3.3 技術(shù)措施

在淮北花溝井田復(fù)雜地層的鉆探中，主要采取的技術(shù)措施主要包括：保證巖心取芯率和煤心取芯率的技術(shù)措施、防止孔壁坍塌的技術(shù)措施和卡鉆事故處理的技術(shù)措施，詳細(xì)表述如下：

3.3.1 保證取芯率的措施

煤、巖芯的采取率是衡量鉆探工程質(zhì)量的重要指標(biāo)。由于花溝井田的地層較為松散和破碎，因此使用單管取芯有可能難易保證巖芯的采取率，此時(shí)可以使用三米左右的雙管取芯鉆具，在鉆進(jìn)的過(guò)程中，同時(shí)要合理使用鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)。

在鉆進(jìn)的過(guò)程中，要嚴(yán)格執(zhí)行“三不打”和“見(jiàn)軟就起鉆，不準(zhǔn)試試看”的制度。注意隨時(shí)觀察儀表的變化和機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)；控制好煤層的層頂和底板。當(dāng)遇到松軟易碎的煤層，可以使用雙管取芯，見(jiàn)煤后，可以采用干鉆法將巖芯取上，孔底若殘留巖芯，需要下專(zhuān)門(mén)的鉆具撈取干凈后才能下取煤器取芯。

3.3.2 防止孔壁坍塌的措施

鉆孔過(guò)程中，泥漿護(hù)壁是保證鉆孔取芯順利進(jìn)行的重要一環(huán)。為了防止鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)孔壁坍塌，首先對(duì)地層壓力進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，合理設(shè)計(jì)泥漿沖洗液的濃度；選用抑制性強(qiáng)的PHP-HPAN低固相泥漿，并加入KHm處理劑，注意泥漿失水量和泥皮厚度的控制，在鉆進(jìn)的過(guò)程中，根據(jù)不同的地層合理調(diào)整泥漿的濃度，以保證孔內(nèi)液壓，實(shí)現(xiàn)平衡鉆進(jìn)，有效保護(hù)孔壁。

3.3.3 卡鉆事故處理的措施

在鉆進(jìn)的過(guò)程中，不論任何情況下，一旦發(fā)生卡鉆，司鉆都要在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行上提、下放或轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)鉆具，防治鉆具卡死，同時(shí)設(shè)法調(diào)整鉆井液性能，及時(shí)清除孔內(nèi)巖石碎屑，保證孔眼潔凈。當(dāng)上下活動(dòng)鉆具無(wú)效時(shí)，在準(zhǔn)確判別卡鉆類(lèi)型的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的卡鉆采取上擊下打、泡油、倒扣、套銑、爆炸、側(cè)鉆新孔眼等方法處理。

4 鉆孔的施工情況與取得的效果

在鉆進(jìn)的過(guò)程中，首先根據(jù)鉆進(jìn)地層的結(jié)構(gòu)特性和鉆進(jìn)巖石的力學(xué)特征，采用合理的鉆具組合和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，提高了煤芯采取率，保證了鉆進(jìn)的效率；在保證經(jīng)濟(jì)的條件下，合理的選用金剛石復(fù)合片，增加了純鉆進(jìn)的時(shí)間，提高了鉆進(jìn)的效率；在鉆孔的過(guò)程中，合理使用泥漿進(jìn)行護(hù)壁，根據(jù)地層的變化適當(dāng)?shù)恼{(diào)整沖洗液的密度，及時(shí)測(cè)定泥漿的性能，配置泥漿循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)泥漿中的巖粉時(shí)常清理，并通過(guò)振動(dòng)除砂器對(duì)砂礫進(jìn)行清除，保證護(hù)壁泥漿的性能和鉆孔的清潔，保證了花溝井田復(fù)雜地層鉆孔鉆探施工的順利進(jìn)行。

花溝井田復(fù)雜地層鉆孔鉆探的過(guò)程中，施工中前兩個(gè)孔出現(xiàn)了沖積層的坍塌和縮徑、礫石掉塊、卡鉆等情況，鉆探不理想，但經(jīng)過(guò)全體工程人員的分析研究，通過(guò)對(duì)鉆探技術(shù)的優(yōu)化，最終改善了鉆探質(zhì)量、提高了鉆探的效果。在花溝井田43個(gè)竣工的鉆孔中，特甲孔率達(dá)到了100%，其中特級(jí)孔39個(gè)，甲級(jí)孔4個(gè)。由此可見(jiàn)，花溝井田復(fù)雜地層鉆孔鉆探取得了良好的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

鉆探作為一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)性高、隱蔽性強(qiáng)的工程，在復(fù)雜地層環(huán)境下，在鉆探期間很容易遇到漏失、縮徑、坍塌等各種各樣的問(wèn)題，鉆探設(shè)備的作業(yè)能力、鉆進(jìn)工藝和鉆進(jìn)參數(shù)的選擇、泥漿護(hù)壁的技術(shù)、孔內(nèi)事故的預(yù)防與處理等，都是復(fù)雜地層鉆孔鉆探的關(guān)鍵問(wèn)題。復(fù)雜地層鉆探技術(shù)是當(dāng)前地質(zhì)鉆探的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要進(jìn)一步的研究和總結(jié)。在淮北花溝井田復(fù)雜地層的鉆孔鉆探中，工程隊(duì)選用適當(dāng)?shù)你@進(jìn)方法，使用合適的泥漿進(jìn)行護(hù)壁，采用合理的鉆具組合和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，根據(jù)巖層的特性和類(lèi)型選擇合理的選用金剛石復(fù)合片鉆頭和合適的沖洗液，并根據(jù)地層的變化適當(dāng)?shù)恼{(diào)整沖洗液的密度，保證了花溝井田復(fù)雜地層鉆孔鉆探施工的順利進(jìn)行，取得了良好的鉆探效果。本文對(duì)淮北花溝井田復(fù)雜地層鉆孔施工中遇到的技術(shù)難題、應(yīng)用的施工方法和技術(shù)措施、取得的效果的較為詳細(xì)的介紹，可以為復(fù)雜地層鉆參考文獻(xiàn)：

探的相關(guān)研究和施工人員提供一定理論和實(shí)踐上的雙重借鑒。

［1］張玉林.淮北花溝西井田主采煤層賦存規(guī)律及賦存條件綜合評(píng)價(jià)研究［D］.安徽理工大學(xué)，2009.

［2］薛建興.花溝井田復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)［J］.大眾科技，2009（05）：153-154+162.

［3］李慶礦.鉆探技術(shù)在復(fù)雜地層施工中的應(yīng)用——以渦陽(yáng)花溝井田為例［J］.宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（01）：128-129+140.

［4］汪濤.云南某礦區(qū)復(fù)雜地層深孔巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究［D］.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2013.

［5］黃平.河壩井田復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2010（05）：27-30.

［6］石立明.復(fù)雜地層巖心鉆探綜合治理技術(shù)［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2008（02）：12-14.

［7］王李昌，隆威，高士娟.復(fù)雜地層鉆探堵漏漿液的研究與應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘探，2013（04）：770-776.

［8］張益飛.蘇南地區(qū)復(fù)雜地層地?zé)徙@井沖洗液研究與應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘探，2013（06）：1170-1175.

［9］劉琰，孫貴，何孝海.淮北煤田花溝井田水文地質(zhì)特征及礦井涌水量預(yù)算［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2011（07）：40-44.

［10］孫丙倫，陳師遜，陶士先.復(fù)雜地層深孔鉆探泥漿護(hù)壁技術(shù)探討與實(shí)踐［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2008（05）：13-15+24.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.080

王建民（1967-），男，鉆探工程師，主要從事煤田地質(zhì)勘探施工技術(shù)的應(yīng)用與管理工作。