陳金照

（福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建龍巖364021）

1 問題的提出

杏坑北煤勘區(qū)ZK403孔鉆探施工中存在的主要問題是：①巖層傾角大，部分孔段（如939.69～1046.55m）巖層的傾角為60°～70°，巖石裂隙發(fā)育，含豐富的菱鐵礦結(jié)核；②巖芯破碎，在孔深786.40～1204.44m等多處孔段巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖等組成的構(gòu)造破碎帶，巖芯破碎。鉆進(jìn)時在鉆具敲擊和沖洗液的沖刷破壞下，鉆孔掉塊、坍塌，孔內(nèi)的沉渣多，泵壓高、鉆具下不到底，孔內(nèi)阻力大，造成鉆具折斷孔內(nèi)事故等現(xiàn)象，曾采用水泥封孔，未能奏效，無法繼續(xù)施工，造成報廢了2個半截孔（933.27m、937.62m），計1870.99m，鉆探施工難度大。

2 地層概況

杏坑北礦區(qū)位于永定縣約45°方位，直距25km處，隸屬于龍巖市永定縣撫市鎮(zhèn)，礦區(qū)范圍東西寬2.1km，南北長3.0km，屬構(gòu)造侵蝕、剝蝕類低山丘陵區(qū)，相對高差為+196.5m。鉆探施工的復(fù)雜地層主要是分布在中二疊統(tǒng)童子巖組（P2t），其巖性以灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖和煤組成，共揭露童子巖組煤層30層，可采煤層6層，該段地層厚度約455m。

3 鉆探工藝技術(shù)應(yīng)用研究

3.1 鉆具級配

針對杏坑北煤礦區(qū)的地層特點(diǎn)和前期施工鉆孔存在的問題，通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，探索新的鉆具級配，增大鉆桿與孔壁的環(huán)狀間隙，減少復(fù)雜地層在鉆進(jìn)中可能出現(xiàn)的剝落掉塊、坍塌和抱鉆事故。開孔為覆土層或松散的堆積層，采用?130mm口徑鉆進(jìn)至完整的基巖后，下入?127mm的孔口管，使用?98mm口徑鉆進(jìn)，如果?98mm鉆進(jìn)時遇到復(fù)雜地層無法繼續(xù)施工時，可用?77mm鉆具作為備用口徑。

3.2 孔壁穩(wěn)定的地層因素

杏坑北煤礦區(qū)施工遇到的主要問題是：①巖層傾角大，部分孔段（如939.69～1046.55m，）巖層的傾角為60°～70°，巖石裂隙發(fā)育，含豐富的菱鐵礦結(jié)核；②巖芯破碎，在孔深786.40～1204.44m等多處孔段巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖等組成的構(gòu)造破碎帶，巖芯破碎。鉆進(jìn)過程在沖洗液的沖刷，以及上下鉆具等環(huán)空液流的作用下，造成孔壁掉塊、坍塌，鉆孔直徑擴(kuò)大，形成大肚子的孔段，導(dǎo)致發(fā)生孔內(nèi)事故，以致鉆孔報廢。

3.3 工藝技術(shù)因素

鉆孔出現(xiàn)復(fù)雜情況時，采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，可以減輕或消除孔內(nèi)的復(fù)雜情況。主要從以下幾個方面：

（1）裸眼時間。鉆孔施工周期越長，則孔壁浸泡時間越長，容易產(chǎn)生孔壁不穩(wěn)定，特別是水敏地層，它的破壞有個變化過程，即需要一定的時間，裸眼浸泡時間越長，孔壁破壞越嚴(yán)重，越容易出現(xiàn)復(fù)雜問題。在不穩(wěn)定地層中鉆進(jìn)時，應(yīng)盡量縮短鉆進(jìn)周期，或者迅速穿過以后，下入套管護(hù)壁，這一措施已在淺部鉆進(jìn)中廣泛應(yīng)用。深孔施工時，孔內(nèi)的溫度較高，將影響泥漿的性能，降低泥漿的護(hù)壁防塌效果。

（2）泥漿性能。采用符合地層需要的優(yōu)質(zhì)泥漿。①對破碎程度較大的巖層、膠結(jié)性差的厚粉煤層，可以使用極低失水量的低固相泥漿進(jìn)行護(hù)孔鉆進(jìn)，能夠有效地護(hù)住孔壁。②在吸水膨脹的泥巖、炭質(zhì)泥巖層中鉆進(jìn)時，采用有抑制性的鈣處理泥漿、鹽水泥漿或聚丙烯類的泥漿。③對于傾角較大不穩(wěn)定地層，要求泥漿液柱壓力與地層壓力能保持相對的平衡，才能使低失水量泥漿在鉆進(jìn)中取得良好的防塌效果。

（3）鉆進(jìn)工藝。對于不穩(wěn)定地層要及時回灌泥漿，下降鉆具時速度過大，會使孔內(nèi)壓力瞬時劇增而導(dǎo)致漏失。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明：鉆孔愈深，壓力波動愈大；當(dāng)孔深一定時，升降鉆具愈快，鉆具與孔壁間隙愈小，泥漿粘度與切力愈大，則壓力波動也愈大。在杏坑北煤礦區(qū)施工，鉆進(jìn)到孔深933.27m和937.62m時，鉆孔掉塊、坍塌，孔內(nèi)的沉渣多，泵壓高、鉆具下不到底，孔內(nèi)阻力大，造成鉆具折斷孔內(nèi)事故等現(xiàn)象，曾多次使用水泥封孔未能奏效，無法繼續(xù)施工，造成報廢了2個半截孔。

3.4 鉆進(jìn)時造成的復(fù)雜因素的預(yù)防措施

繩索取芯金剛石鉆進(jìn)，操作時應(yīng)注意下列事項(xiàng)：

（1）提下鉆具時，應(yīng)先打撈出內(nèi)管總成，減少沖洗液的抽吸作用和壓力激動對孔壁的影響。

（2）合理控制提下鉆速度，降低沖洗液壓力激動。

（3）提升鉆具時，需要向孔內(nèi)回灌一定量的沖洗液，避免沖洗液柱下降，造成地層壓力與孔內(nèi)液柱之間的壓力差，使孔壁坍塌。

（4）遇到松軟破碎地層及厚煤層時，投放內(nèi)管總成應(yīng)避免大泵量壓送影響孔壁的穩(wěn)定性。

（5）開關(guān)泵時，要逐漸加大或減少泵量。

（6）鉆進(jìn)不穩(wěn)定地層時，嚴(yán)格控制泵量，沖洗液上返速度應(yīng)控制在0.5～1.5m/s。

3.5 防塌鉆井液

根據(jù)所施工的地層情況，選配適合地層特點(diǎn)的沖洗液，是減少孔內(nèi)事故、提高鉆進(jìn)效率的重要措施，選用無固相沖洗液和非分散低固相沖洗液在不同的地層中鉆進(jìn)使用。

在該礦區(qū)施工中，鉆進(jìn)遇到的復(fù)雜地層主要有：一是在孔深786.40～1046.55m孔段為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖等巖性組成的多層構(gòu)造破碎帶，巖芯破碎，膠結(jié)性差的地層，巖石呈松散堆積狀態(tài)，在側(cè)壓力作用下，易產(chǎn)生掉塊、坍塌，孔底沉渣多，同時還存在著漏失現(xiàn)象；二是鉆進(jìn)較厚的粉煤層，吸水后產(chǎn)生掉落剝離現(xiàn)象，淺灰色的泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥頁巖層易吸水后膨脹，產(chǎn)生縮徑現(xiàn)象；三是939.69～1046.55m，孔段巖層的傾角為55°～70°，巖層傾角大，巖石裂隙發(fā)育、部分巖芯較破碎，含豐富的菱鐵礦結(jié)核，鉆進(jìn)時在鉆具敲擊和沖洗液的沖刷破壞下，產(chǎn)生鉆孔掉塊、坍塌，孔內(nèi)的沉渣多、泵壓高，造成抱鉆、鉆具下不到底等現(xiàn)象。鉆進(jìn)這些復(fù)雜地層，必須選用低失水量，以護(hù)壁為主的沖洗液，形成薄而堅韌的泥皮，且具有優(yōu)良的護(hù)壁防塌性能的沖洗液。在巖層傾角較大的孔段，適當(dāng)增加泥漿的粘度和比重，以平衡地層的壓力。經(jīng)過現(xiàn)場摸索選用以下2種配方的沖洗液，較好地解決了這些問題，取得了良好的效果，見表1。

表1 防塌沖洗液配方與性能

表2 防塌沖洗液配方與性能

表1配方主要用于孔深786.40～939.69m淺灰色的泥巖層、泥頁巖、構(gòu)造破碎地層、厚粉煤層等水敏性地層。表2配方主要用于孔深939.69～1046.55m，孔段巖層的傾角為55°～70°，巖層傾角大，巖石裂隙發(fā)育、部分巖芯較破碎，含豐富的菱鐵礦結(jié)核的巖層，也可以在表1的基礎(chǔ)上，加入適量的重晶石粉，提高泥漿的比重，平衡孔壁的側(cè)壓力，較好地解決了孔內(nèi)掉塊、坍塌、沉渣多的問題，維持正常的鉆進(jìn)施工。

3.6 鉆孔護(hù)壁措施

（1）水泥漿固孔護(hù)壁。在復(fù)雜地層鉆井中，水泥漿固孔護(hù)壁是處理鉆孔坍塌掉塊的重要措施之一，特別是在長孔段的構(gòu)造破碎帶地層中鉆進(jìn)效果較為突出。然而，在該孔931.71m處，巖層的傾角大（≥65°）封了2次水泥，未能取得成效。

（2）套管護(hù)壁。分析總結(jié)前面施工的2個報廢鉆孔的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，采用?98mm口徑作為主徑施工，預(yù)留了一級?77mm口徑。使用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁打穿較破碎的巖層和傾角大的巖層，進(jìn)入完整的地層后下?89mm的飛管311m到孔深1046.55m。

4 經(jīng)濟(jì)效益

該孔從外協(xié)鉆機(jī)接手后9月27日開孔，終孔深度1360.76m，歷時55d。鉆月效為742.23m/鉆月；外協(xié)鉆機(jī)從4月4日開鉆至9月16日撤離，歷時6個月13d未能打到目的層。挽回大部分經(jīng)濟(jì)損失，為今后施工類似的地層提供借鑒作用。

5 結(jié)論

（1）針對杳坑北煤勘區(qū)地層情況和前期鉆探施工中存在的問題分析研究，采取相應(yīng)的鉆孔結(jié)構(gòu)、調(diào)整泥漿性能參數(shù)、水泥封孔、技術(shù)套管等工藝技術(shù)措施，解決了復(fù)雜地層鉆探施工中存在的問題。

（2）使用上述不分散低固相泥在孔深786.40～1046.55m淺灰色的泥巖層、泥頁巖、構(gòu)造破碎地層、粉煤層等水敏性地層使用，具有一定護(hù)壁防塌效果。

（3）在中深部巖層傾角較大的地層施工中，孔內(nèi)存在的掉塊、坍塌現(xiàn)象，適當(dāng)提高泥漿的粘度，并加入適量重晶石粉提高泥漿比重，維護(hù)和調(diào)整好鉆孔的壓力平衡關(guān)系，在很大程度上是可以保持孔壁穩(wěn)定的。

（4）復(fù)雜地層鉆進(jìn)使用水泥漿固孔護(hù)壁無效的情況下，可以使用套管隔離，能夠取得良好的效果。