渭北煤田澄合礦區(qū)復(fù)雜地層鉆孔施工技術(shù)

黃建寧,劉文革

(陜西省煤田地質(zhì)局一三九隊(duì),陜西渭南 714000)

渭北煤田澄合礦區(qū)復(fù)雜地層鉆孔施工技術(shù)

黃建寧,劉文革

(陜西省煤田地質(zhì)局一三九隊(duì),陜西渭南 714000)

渭北煤田澄合礦區(qū)屬典型復(fù)雜地層,鉆探施工難度大,鉆探效率低。通過對(duì)鉆探施工中的難點(diǎn)進(jìn)行分析,總結(jié)了本地區(qū)鉆探施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn),針對(duì)鉆探施工中存在的厚黃土層鉆進(jìn)、鉆孔漏失和坍塌、巖石堅(jiān)硬、粉煤采取等問題,提出了應(yīng)對(duì)的技術(shù)措施和鉆進(jìn)施工工藝。

復(fù)雜地層;鉆探;技術(shù)對(duì)策;鉆進(jìn)工藝;澄合礦區(qū)

1 概述

渭北煤田澄合礦區(qū)是我隊(duì) 20世紀(jì) 80年代施工過的老勘探區(qū),曾因施工難度大、地層復(fù)雜而著稱。近年來,隨著煤田勘探步伐的加快,我隊(duì)在此礦區(qū)施工煤田勘探項(xiàng)目比較集中,先后在山陽井田、西卓子井田、百良旭升煤礦、坊鎮(zhèn)普查和坊鎮(zhèn)詳查等項(xiàng)目開展了施工。該礦區(qū)地處渭北黑腰帶,屬石炭二疊紀(jì)煤系地層,煤炭儲(chǔ)量相對(duì)豐富,存在地層堅(jiān)硬、漏失嚴(yán)重、黃土層厚、孔壁易坍塌、煤層為粉煤取煤困難等諸多難點(diǎn),屬典型的復(fù)雜地層,鉆探施工難度大。在近兩年的鉆探施工中,逐漸總結(jié)和摸索出了一些施工經(jīng)驗(yàn),針對(duì)鉆探施工的技術(shù)難點(diǎn),找到了應(yīng)對(duì)措施,提高了鉆探效率和工程質(zhì)量。

2 地層情況及特點(diǎn)

①第四系、第三系表土層:淺黃色粉土、黃土狀亞粘土、土紅色砂質(zhì)粘土層,褐黃色亞粘土、亞沙土、半固定砂或礫石層,厚度 0～240 m;

②三疊系下統(tǒng)和尚組:以磚紅色砂質(zhì)泥巖、泥巖加粉砂巖為主,厚度 65～130 m;

③三疊系下統(tǒng)劉家溝組:以棕紅色、紫紅色粉砂巖為主,底部藍(lán)灰色泥灰?guī)r,厚度 190～250 m;

④二疊系上統(tǒng)孫家溝組:以厚層灰綠色中、細(xì)粒砂巖為主,底部為含礫中粗礫砂巖,厚度 160～216 m;

⑤二疊系上統(tǒng)上石盒子組,以紫雜色粉砂巖、泥巖為主,底部為淺灰色粗粒砂巖,含石英砂巖,厚度26～340 m;

⑥二疊系下統(tǒng)下石盒子組:以灰黃、深灰色砂巖、泥巖為主,底部為厚層中、細(xì)粒砂巖,厚度 11～59 m;

⑦二疊系下統(tǒng)山西組:以深灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主,夾淺灰、深灰色中、細(xì)粒砂巖,厚度 40～60 m;

⑧石炭系上統(tǒng)太原組:主要由石英砂巖、粉砂巖組成,并有少量石英礫巖等,厚度 14～68 m;

⑨奧陶系中統(tǒng)峰峰組:為深灰色、灰色石灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r,厚度 >100 m。

3 鉆探施工的難點(diǎn)

(1)黃土層巨厚,結(jié)構(gòu)疏松,孔隙率高,浸水易失穩(wěn),易引起坍塌,孔徑易擴(kuò)大,垂直裂隙發(fā)育,部分鉆孔黃土層漏失嚴(yán)重;

(2)在黃土層段鉆進(jìn),鉆具結(jié)構(gòu)不合理或盲目加壓,易發(fā)生鉆孔偏斜,下鉆掃孔易造成找不到老孔,使鉆孔報(bào)廢;

(3)鉆孔漏失嚴(yán)重,一是基巖破碎帶及以下孫家溝砂巖易發(fā)生漏失;二是 K5、K中、K*、K4、K3砂巖段,K2灰?guī)r段漏失,漏失層段均屬裂隙漏失,漏失嚴(yán)重,堵漏困難;

(4)石英砂巖和石灰?guī)r完整、堅(jiān)硬,研磨性強(qiáng),巖石可鉆性 6～10級(jí),鉆效低;

(5)礦區(qū)煤層較多、厚度大,多達(dá) 12層,主要可采煤層 5號(hào)煤平均厚 515 m,且為“粉煤”,結(jié)構(gòu)松散,呈碎塊狀、粉末狀,難以采取,煤層易坍塌;

(6)由于地層裂隙發(fā)育,孔內(nèi)漏失,原來壓力平衡遭破壞,孔壁易出現(xiàn)坍塌掉塊現(xiàn)象,巖石破碎,互層頻繁,取心難度大、采取率低。

4 鉆探施工技術(shù)與對(duì)策

4.1 優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu),抓好黃土層鉆進(jìn)

澄合礦區(qū)黃土層巨厚,多數(shù)鉆孔在 100～230 m,黃土層鉆進(jìn)是鉆孔施工的關(guān)鍵,直接影響下部基巖段施工安全和質(zhì)量。黃土層段一旦出現(xiàn)事故,因其孔徑大,易坍塌、孔斜,處理起來相當(dāng)困難,甚至由此造成鉆孔報(bào)廢。

原來采用的鉆具組合為:“130 mm三翼無心鉆頭 +“50 mm鉆桿,并在施工中容易搶進(jìn)尺、盲目加壓,結(jié)果造成黃土層孔段偏斜,孔徑大。因此,在鉆孔后期施工中,一是在黃土層段發(fā)生鉆具折斷后,因孔徑大而難以打撈;二是發(fā)生鉆孔坍塌后找不到老眼等。如 2008年施工山陽井田 11-2孔時(shí),因鉆孔偏斜,上部黃土層坍塌后找不到老孔而造成報(bào)廢。

因此,在以后施工中,我們采取了以下防范措施:

(1)采用合理的鉆具結(jié)構(gòu),黃土層鉆進(jìn)采用粗徑鉆具組合為:“130 mm三翼無心鉆頭 +“127 mm扶正器 (長 015 m)+“68 mm鉆鋌 (3組)+“60 mm鉆桿。

(2)鉆進(jìn)過程中,輕壓慢轉(zhuǎn),利用鉆鋌自重加壓,采用減壓鉆進(jìn)和吊打的方式,確保鉆孔垂直度。

4.2 泥漿技術(shù)對(duì)策

泥漿是鉆井的血液,是造壁、護(hù)壁、防止坍塌、堵漏等應(yīng)對(duì)復(fù)雜地層的關(guān)鍵,泥漿性能直接影響著孔內(nèi)安全和鉆進(jìn)速度。因此,根據(jù)不同地層配制相應(yīng)性能的泥漿顯得尤為重要。

4.2.1 開孔及黃土層鉆進(jìn)泥漿

由于該地區(qū)黃土層造漿,因此,原來對(duì)泥漿性能重視不夠,為節(jié)省材料,直接用當(dāng)?shù)攸S粘土加火堿調(diào)制泥漿,這種泥漿屬于粗分散劣質(zhì)泥漿,不能很好的在孔壁上形成薄而堅(jiān)韌的泥皮,也易造成鉆孔坍塌,為下一步基巖段鉆進(jìn)埋下隱患。因此,為保證泥漿性能,解決護(hù)壁問題,后來選用了優(yōu)質(zhì)澎潤土調(diào)制適合黃土層段鉆進(jìn)的優(yōu)質(zhì)泥漿,主要以護(hù)壁為主。

泥漿配比:清水 +鈉膨潤土 8%+Na2CO3015%+CMC 012%+腐植酸鉀 012%。

性能指標(biāo):密度 1108～112 g/cm3,粘度 25～35 s,失水量 12～15 mL/30 min,pH值 8～9。

4.2.2 下部基巖段泥漿

基巖段泥漿的技術(shù)關(guān)健就是調(diào)配優(yōu)質(zhì)泥漿,實(shí)現(xiàn)控制炭質(zhì)泥巖、粘土、泥巖、煤層、砂層的坍塌和掉塊,既具有防止坍塌的能力,又要降低粘度和固相含量,加快鉆進(jìn)速度,提高鉆效。

泥漿配比:清水 +鈉膨潤土 3%～5%+Na2CO3011%～012%(浸泡)→攪拌制成原漿 +PHP 015%～1%+CMC 011%～012%。

性能指標(biāo):密度 1105～1108 g/m3,粘度 20～25 s,失水量 10～12 mL/30 mim,pH值 9～10。

為了確保泥漿性能穩(wěn)定,防止孔壁坍塌,應(yīng)做好以下幾點(diǎn):

(1)施工過程中,加強(qiáng)對(duì)泥漿性能的測定,及時(shí)補(bǔ)充膨潤土原漿和處理劑,改善泥漿質(zhì)量;

(2)調(diào)整處理泥漿性能要平穩(wěn)和循序漸進(jìn),避免大幅度調(diào)整,造成泥漿性能破壞;

(3)每次上鉆后,要回灌泥漿,保證泥漿液柱壓力和地層壓力平衡,防止孔壁坍塌。

4.3 鉆孔堵漏工藝措施

澄合礦區(qū)鉆孔漏失嚴(yán)重,堵漏時(shí)間長、成本高,以前老工藝采用大量的黃粘土和鋸末堵漏,大量漏失采用磚塊回填等,有時(shí)用水泥封閉,僅水泥用量就高達(dá)幾十噸,而且效果不明顯,耗費(fèi)了大量的人力、財(cái)力和物力。

經(jīng)過兩年來在施工中分析和總結(jié),我們摸索出了一套科學(xué)而有效的堵漏方法。根據(jù)漏失層位和特點(diǎn),采用不同的工藝,首先是在鉆進(jìn)過程中,若泥漿消耗大,則立即采取措施進(jìn)行堵漏,不可待漏失量增大后再堵,這樣就擴(kuò)大了漏失通道,增加了堵漏難度。

4.3.1 惰性材料堵漏

若在鉆進(jìn)中發(fā)生小的漏失或泥漿消耗量過大,則可采用隨鉆堵漏法,即邊鉆邊堵,方法是將鋸末篩選后,直接加入泥漿中,利用沖洗液循環(huán)堵漏,若無效則提鉆重新調(diào)制粘度大、固相含量高的稠泥漿,并加入鋸末等惰性材料,下鉆進(jìn)行循環(huán)堵漏,鋸末加量隨漏失大小而增減。

泥漿配方:清水 +澎潤土 10%～15%+火堿(NaOH)013%～015%+CMC 013%。

泥漿性能:密度 1110～1120 kg/L,粘度 30～35 s,pH值 9～10。

4.3.2 粘土球堵漏

漏失量 >15 m3/h或全泵量漏失,則采用粘土水泥球堵漏。制作粘土球時(shí),其中加入一定量的鋸末和水泥,加量為鋸末 20%,水泥 10%,加入適量水,團(tuán)成較硬的直徑 40～50 mm的圓球,待表面涼干變硬后,慢慢投入孔內(nèi)漏失層段 (注意不要蓬在上部),再用粗徑鉆具搗實(shí),下鉆用稠泥漿掃孔。另外,因地層漏失普遍,每臺(tái)鉆機(jī)在施工中,都要提前準(zhǔn)備好粘土球,隨時(shí)準(zhǔn)備堵漏使用。

4.3.3 水泥封閉堵漏

對(duì)于惰性材料和粘土球堵漏不能堵住的鉆孔,采用水泥堵漏,由于構(gòu)造和斷裂帶的影響,澄合礦區(qū)地層普遍存在上部基巖裂隙、K2灰?guī)r裂隙漏水,因?qū)儆诹严冻袎核?受地下水的干擾,堵漏存在較大困難,經(jīng)過多次封堵試驗(yàn),我們確定了以下堵漏方法,效果較好。

當(dāng)鉆至 K2灰?guī)r層段 (或其它基巖段)發(fā)生漏水后,漏失量一般 >15 m3/h,或全泵量漏失,孔口不返水,則準(zhǔn)備好足夠泥漿頂漏鉆進(jìn),穿過漏失層段,到達(dá)完整灰?guī)r (以無灰?guī)r裂隙判斷),無漏失裂隙后,再進(jìn)行堵漏。方法是:采用 32.5普通硅酸鹽水泥,按 015的水灰比配制成水泥漿,然后分二步灌注。第一步 (如圖 1a所示):將鉆具下入孔底,即漏失層位以下,注入部分水泥漿,水泥漿上返至漏失層位,壓入漏失層裂隙中;第二步 (如圖 1b所示):將鉆具提至漏失層位上界面以上 10～20 m,注入所剩水泥漿,水泥漿下移,壓入漏失通道并和第一次所注水泥漿結(jié)合,在孔內(nèi)漏失層段形成水泥柱,達(dá)到封堵效果。

注漿量的計(jì)算:(1)理論用量:第一步注漿用量為漏失層上界面至孔底段的體積量;第二步注漿用量為漏失層位厚度再加 10 m其孔段的體積量;(2)實(shí)際用量:而實(shí)際操作時(shí),通常考慮泥漿 (或水)對(duì)水泥漿的稀釋等因素影響,實(shí)際注漿量以計(jì)算量的2～3倍考慮。

分二步注漿的目的是分別從上下將承壓水壓入地層裂隙中,避免地下水對(duì)水泥漿的破壞和干擾,影響封堵效果。灌注水泥漿后,凝固 24 h,下鉆具試探水泥面,檢驗(yàn)封堵效果,若在漏失層以上托住鉆具,則封堵成功,候凝 36 h后,下鉆掃開水泥柱,繼續(xù)鉆進(jìn);若托不住鉆具,則繼續(xù)按此方法封堵。

圖 1 水泥封閉堵漏示意圖

我隊(duì) 2008年在山陽井田施工 15-1孔時(shí),漏失嚴(yán)重,用惰性材料和粘土球堵漏無效的情況下,采用水泥漿封堵,當(dāng)時(shí)因方法不當(dāng),多次堵漏未能見效,有時(shí)上部能形成水泥塞,但漏失層段卻封堵不住,該孔堵漏及等停時(shí)間長達(dá) 20多天,消耗材料及經(jīng)濟(jì)損失巨大。后經(jīng)我們分析研究,采用上下分兩步封堵的方法獲得成功,并在以后堵漏過程中得到廣泛應(yīng)用,效果良好。

另外,特別需要注意的是發(fā)生漏失后,不可長時(shí)間頂漏鉆進(jìn),以免造成上部孔壁坍塌。若需快速穿過漏失層而頂漏鉆進(jìn)時(shí),一定要用泥漿鉆進(jìn),不可用清水鉆進(jìn),并且要帶撈粉管,或每隔 3～5個(gè)回次下?lián)品酃軗迫r粉一次,避免造成埋鉆。

4.4 硬巖層鉆進(jìn)工藝

礦區(qū)堅(jiān)硬巖層主要是 5號(hào)煤以下石英砂巖和石灰?guī)r及少量石英礫巖。石英砂巖質(zhì)地堅(jiān)硬、硅質(zhì)膠結(jié),石英含量 90%～95%,抗壓強(qiáng)度 7116 MPa,巖石可鉆性 8～10級(jí);石灰?guī)r致密堅(jiān)硬,抗壓強(qiáng)度 6713 MPa,巖石可鉆性 6～8級(jí)。解決硬巖鉆進(jìn)問題是提高鉆探效率的關(guān)鍵,原來采用 “98 mm/“73 mm金剛石肋骨鉆頭或采用 “98 mm/“73 mm復(fù)合片鉆頭,采用 “73 mm巖心管,鉆效低。后經(jīng)我們組織鉆探技術(shù)人員進(jìn)行硬巖鉆進(jìn)技術(shù)攻關(guān),并與鉆頭生產(chǎn)廠家合作,試驗(yàn)并確定了 “98 mm孕鑲金剛石鉆頭,鉆頭結(jié)構(gòu)形式采用 “98 mm/“89 mm孕鑲金剛石鉆頭,采用 “89 mm巖心管,鉆頭技術(shù)參數(shù)為:金剛石濃度 100%,胎體硬度 HRC40～45,金剛石粒度 35～40目,工作層厚 6 mm,水口數(shù) 8個(gè),唇面形狀為平底、圓弧型。由于減小了鉆頭底唇面厚度,減少了克取面積,增加了鉆頭硬度,使鉆進(jìn)效率有很大提高,鉆頭平均壽命 30 m,時(shí)效 0195 m/h。時(shí)效較 2008年(0152 m/h)大幅度提高。目前,該參數(shù)鉆頭在澄合礦區(qū)得到大范圍推廣使用,結(jié)合上部地層采用復(fù)合片鉆頭使用,使該地區(qū)鉆月效率有了很大提高。但需注意的是由于采用孕鑲金剛石鉆頭,加 “89 mm巖心管結(jié)構(gòu),取心器與孔壁環(huán)狀間隙小,在鉆進(jìn)中要求泥漿性能要好,孔底巖粉沉淀要少,以防造成卡鉆事故,無法套取。

存在問題及改進(jìn)方向:因鉆頭長時(shí)間磨損,使鉆頭內(nèi)外徑不能很好保徑,造成鉆頭得不到有效使用。目前,只能是 2～3個(gè)鉆頭循環(huán)交替使用。下一步我們將考慮采用人造聚晶金剛石保徑,進(jìn)一步延長鉆頭的使用壽命,降低成本。

4.5 粉煤采取技術(shù)工藝

礦區(qū)煤層呈碎塊狀,結(jié)構(gòu)松散難以采取,易被污染,原來采用普通單動(dòng)雙管采取器,采取率低,只能達(dá)到 70%～80%,而且泥漿污染嚴(yán)重,影響煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了保證煤心采取率,保證煤心原狀,我們與鉆頭生產(chǎn)廠家合作,將原繩索取心雙管單動(dòng)取煤器進(jìn)行改造,將取煤器小鉆頭上下卡簧改造成爪簧,變卡取為抓取,使碎塊或粉末狀的煤心不易從鉆頭脫落,很好地保證了煤心的采取。同時(shí),內(nèi)管采用半合管形式,充分保證了煤心原狀不被破壞、不污染,煤心采取率達(dá)到 95%以上。同時(shí),要求煤心采取時(shí)鉆探技術(shù)參數(shù)為:鉆壓 3～5 kN,轉(zhuǎn)數(shù) 80～120 r/min,泵量 50～80 L/min。

5 結(jié)語

通過近 2年來在澄合礦區(qū)山陽井田、西卓子井田、百良旭升煤礦、坊鎮(zhèn)普查和坊鎮(zhèn)詳查等項(xiàng)目的勘探施工中,加強(qiáng)鉆探技術(shù)的研究和改進(jìn),我們相繼攻克了鉆孔漏失、厚黃土層鉆進(jìn)、鉆孔坍塌、硬巖鉆進(jìn)、粉煤采取等技術(shù)難題,使孔內(nèi)事故率明顯降低,有力地保障了鉆探施工生產(chǎn)。以 2010年施工的坊鎮(zhèn)勘查區(qū)和與其相鄰的 2008年施工的山陽井田對(duì)比,平均鉆月效率從 2008年的 505161 m提高到 2010年的675194 m,最高鉆月效率達(dá)到 996182 m,詳見表 1。

表 1 坊鎮(zhèn)勘查區(qū)與山陽井田鉆進(jìn)效率對(duì)比表

我隊(duì)兩年多來在澄合礦區(qū)共完成煤田鉆孔 137個(gè),鉆探工作量 75603m,其中,甲級(jí)孔 87個(gè),乙級(jí)孔50個(gè),鉆探工程質(zhì)量和鉆探效率得到很大提高,創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,取得了較好的成效,為今后該地區(qū)鉆探施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

[1] 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),2010,37(5).

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

[3] 鄭思光,等.司家營鐵礦中深孔復(fù)雜地層巖心鉆探施工技術(shù)[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2010,37(2).

[4] 胡辰光,等.鉆探工程技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)務(wù)全書[M].安徽合肥:安徽文化音像出版社,2003.

[5] 趙運(yùn)興,等.煤田鉆探技術(shù)手冊 (修訂本)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1986.

Construction Technology of Borehole in Complex Formation in ChengheM in ing Area ofWeibei

HUANG Jian-ning,LIU Wen-ge(139 Brigade of ShaanxiBureau of Coalfield Geology,Weinan Shaanxi 714000,China)

The formation is typical complicated in Chenghe mining area ofWeibei,drilling construction is difficultwith low drilling efficiency.By the analysis on the difficulties in drilling process,the drilling technical experience was summed up;according to the drilling in thick loess layer,borehole leakage and collapsing,hard rock and pulverized coal taking,the rel-evant technicalmeasures and drilling technologieswere put forward.

complex formation;drilling;technicalmeasure;drilling technology;Chenghe mining area

P634

A

1672-7428(2011)06-0022-04

2010-12- 04;

2011-03-27

黃建寧 (1966-),男 (漢族),河北寧晉人,陜西省煤田地質(zhì)局一三九隊(duì)生產(chǎn)安監(jiān)科科長、工程師,鉆探工程專業(yè),從事煤田勘探、石油和煤層氣鉆井技術(shù)與管理工作,陜西省渭南市站北路 6號(hào),hjn1392006@126.com。