榆橫礦區(qū)趙石畔井田勘探鉆探施工技術(shù)

臧世權(quán)，汪傳武，張 波，張 濤，郭保鐸

(陜西省地勘局西安地勘院，陜西 西安710100)

1 工程概況

趙石畔井田位于陜西省陜北侏羅系煤田榆橫礦區(qū)北部，為了促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加快陜北能源重化工基地建設(shè)步伐，為煤礦建設(shè)項(xiàng)目提供可靠的地質(zhì)依據(jù)，2011年底陜西省產(chǎn)業(yè)投資有限公司委托西安地勘院對(duì)該井田進(jìn)行勘探。

1.1 地理?xiàng)l件

井田地處毛烏素沙漠東南緣與陜北黃土高原接壤地帶，地表基本被第四系松散沉積物所覆蓋。區(qū)內(nèi)地形相對(duì)起伏較大，地勢總體南高北低，海拔標(biāo)高一般在1100～1250 m之間。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，屬溫帶大陸性干旱、半干旱季風(fēng)氣候，年平均降雨量397 mm。

1.2 區(qū)域構(gòu)造

趙石畔井田位于鄂爾多斯盆地中部次級(jí)構(gòu)造單元陜北斜坡中南部。陜北斜坡為一單斜構(gòu)造，巖層北西西向微傾，局部發(fā)育有寬緩的短軸狀向斜、背斜及鼻狀隆起等次級(jí)構(gòu)造。

1.3 地層及巖性

上部主要為第四系松散沉積物覆蓋，主要有風(fēng)積沙，洪積層，馬蘭黃土等，中部為侏羅系中?！?xì)粒長石砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤層等，下部為三疊系砂巖、粉砂巖、泥巖等。區(qū)內(nèi)煤層也一般為7層，普遍可采煤層為4層，最底部煤層埋深大多在450～600 m之間，煤層比較穩(wěn)定。

1.4 鉆探工作量

趙石畔井田面積約234.12 km2，設(shè)計(jì)鉆孔145個(gè)，其中探煤孔137個(gè)，水文孔8個(gè)，設(shè)計(jì)鉆探工作量78437 m。根據(jù)設(shè)計(jì)要求探煤孔終孔口徑≮91 mm，煤層采取率≮90%，一般地層巖心采取率≮75%，孔斜必須符合規(guī)范要求。勘查結(jié)果提交先期開采地段探明的資源量3.53億t，控制的資源量1.87億t，以滿足擬建礦井生產(chǎn)煤炭資源量的需求。

1.5 施工主要困難

(1)工作量大，要求5個(gè)月完成野外鉆探工作，工期要求緊。

(2)上部覆蓋層較厚，一般為50～120 m，上部基巖風(fēng)化嚴(yán)重，與覆蓋層交界處易漏失，部分孔段巖心采取率較低。

(3)部分孔段較破碎，易發(fā)生巖心堵塞現(xiàn)象，影響鉆探效率。

(4)鉆進(jìn)時(shí)巖粉較多，不易排出，易發(fā)生憋泵現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生埋鉆等孔內(nèi)事故［1］。

2 鉆探設(shè)備及器具選擇

2.1 設(shè)備選擇

該井田鉆孔設(shè)計(jì)最大孔深650 m，最小孔深440 m，平均孔深540 m，因此選擇主要使用XY－5型鉆機(jī)，使用4135－80HP型柴油機(jī)。由于鉆進(jìn)時(shí)巖粉較多，為了提高巖粉排出效率，減少孔內(nèi)事故，需選擇大泵量泥漿泵，采用NBB250/60型泥漿泵。為了提高鉆探效率，加快提下鉆速度，提高鉆塔安裝、拆卸效率，同時(shí)增加鉆桿立桿長度，使用AJ18型鉆塔，一次可以提下13.5 m鉆桿立桿。

2.2 鉆探器具選擇

為滿足鉆孔終孔口徑≮91 mm的地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，一般地層采用單管肋骨正循環(huán)鉆探工藝，鉆具組合為60 mm鉆桿+110 mm巖心管接頭+89 mm巖心管+110 mm卡斷器+113 mm復(fù)合片肋骨鉆頭。

2.3 單管肋骨復(fù)合片鉆頭+卡斷器鉆探工藝

經(jīng)過陜北煤田勘探的長期施工探索和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，使用單管肋骨復(fù)合片鉆頭+卡斷器鉆探工藝進(jìn)行煤田鉆探施工，不僅很大程度提高了鉆探效率，減少孔內(nèi)事故，而且能保證巖心采取率。該鉆探工藝有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):

(1)很少發(fā)生巖心堵塞，巖心經(jīng)過卡斷器進(jìn)入巖心管后，在加桿過程中不會(huì)出現(xiàn)又掉出來，不僅能保證提鉆時(shí)巖心不會(huì)掉落，基本能采完孔底巖心，同時(shí)也很少發(fā)生巖心堵塞現(xiàn)象，減少了提鉆次數(shù)和掃孔次數(shù)，提高了鉆探效率。

(3)使用肋骨鉆頭鉆探，增加了環(huán)狀間隙，基本不磨損巖心管，減少了孔內(nèi)卡鉆、斷巖心管等事故;增加環(huán)狀間隙，加大泵量，有利于孔內(nèi)巖粉的排出，減少孔內(nèi)事故［2］。

(4)使用肋骨鉆頭雖然增加了巖石切削面積，由于陜北榆林地區(qū)巖石硬度不是太大，不會(huì)增加多少純鉆進(jìn)時(shí)間，根據(jù)長期在該地區(qū)鉆探經(jīng)驗(yàn)，一般純鉆進(jìn)時(shí)間增加10%左右。加長巖心管、減少巖心堵塞現(xiàn)象，很大程度上提高了鉆探效率。

3 鉆進(jìn)工藝

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

該地區(qū)上部覆蓋層較厚，覆蓋層中夾有黃土層，覆蓋層全部下入套管較難起拔，一般采用覆蓋層只下入9 m套管。一般鉆孔結(jié)構(gòu)為:開孔使用150 mm鉆頭，下入146 mm套管，換130 mm鉆頭鉆至基巖面，換113 mm復(fù)合片肋骨鉆頭鉆至終孔。

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)

3.2.1 鉆壓

3.2.2 轉(zhuǎn)速

復(fù)合片鉆頭主要靠切削碎巖，采用肋骨鉆頭，鉆頭直徑較大，鉆孔與鉆桿環(huán)狀間隙較大，不易使用高轉(zhuǎn)速，其線速度為0.5～1.2 m/s較為適宜，一般地層采用200～350 r/min轉(zhuǎn)速，煤層采用140～200 r/min轉(zhuǎn)速。鉆進(jìn)堅(jiān)硬，強(qiáng)研磨性地層，及軟硬差別大的互層地層時(shí)，應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，以減少鉆具振動(dòng)，延長鉆頭壽命［3］，提高巖礦心的采取率，防止孔斜。

3.2.3 泵量

由于采用肋骨鉆頭，鉆頭切削面積大，復(fù)合片鉆頭水口較大，而且該井田地層相對(duì)較軟，鉆進(jìn)速度較快，產(chǎn)生的巖粉量大，防止孔內(nèi)巖粉沉淀，需要采用大泵量。同時(shí)應(yīng)滿足沖洗液上返速度的要求，一般鉆進(jìn)上返速度0.5～1.0 m/s。一般地層鉆進(jìn)泵量選用120～200 L/min，煤層鉆進(jìn)泵量選用60～120 L/min。

3.3 泥漿配制

3.3.1 泥漿要求

該地區(qū)上部覆蓋層較厚，一般不下套管，鉆孔需要優(yōu)質(zhì)泥漿維護(hù);部分基巖面有泥漿漏失現(xiàn)象，需要堵漏;下部地層一般較穩(wěn)定，局部有掉塊現(xiàn)象;有時(shí)頁巖地層掉塊嚴(yán)重，可能會(huì)發(fā)生孔壁坍塌或縮徑現(xiàn)象。通過長時(shí)間的探索和實(shí)驗(yàn)，采用一種低固相不分散泥漿在該地區(qū)應(yīng)用，能達(dá)到較好的護(hù)壁、攜粉、堵漏和潤滑的效果。

3.3.2 泥漿配方

一般泥漿配方:清水1 m 膨潤土50 kg+CMC 4 kg+PAC －141 0.5 kg+PAM 1 kg。

泥漿基本性能參數(shù):密度1.05 g/cm3，漏斗粘度25 s，API濾水量 10 mL，泥皮厚度 0.5 mm，膠體率96%，pH值8。

泥漿密度小，表觀粘度較低，失水量適中，泥漿流動(dòng)性好，護(hù)壁效果較好，有利于巖粉沉淀，能有效地提高鉆探效率。

在鉆孔基巖面有泥漿漏失發(fā)生時(shí)，泥漿中加入SD－2堵漏劑和棉籽殼，一般能有效堵漏。局部有頁巖地層時(shí)，加入適量的KCl能有效抑制頁巖坍塌或膨脹［4］。

3.3.3 泥漿維護(hù)

有適合的泥漿配方，現(xiàn)場泥漿維護(hù)是關(guān)鍵?，F(xiàn)場泥漿循環(huán)系統(tǒng)盡可能加長，一般要大于15 m，坡度1/100～1/80，泥漿槽設(shè)置2～3個(gè)沉淀池，及時(shí)清理撈砂，保持泥漿性能;循環(huán)槽上沿高于地表，防止雨水及雜物進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)而改變泥漿性能。現(xiàn)場配備一臺(tái)泥漿攪拌罐，將待加入的處理劑預(yù)先在藥劑桶內(nèi)水化、溶解后倒入攪拌罐攪拌均勻，根據(jù)鉆進(jìn)中處理劑消耗情況，攪拌罐內(nèi)攪拌好的處理劑溶液有控制地加入到循環(huán)槽或泥漿池內(nèi)［5］。

現(xiàn)場配置馬氏漏斗粘度計(jì)、密度計(jì)、含沙量測定儀、失水量測試儀等泥漿測試儀器，經(jīng)常測試泥漿性能，隨時(shí)掌握泥漿性能變化，及時(shí)進(jìn)行性能調(diào)節(jié)，并做好配制、凈化處理、撈砂工作。根據(jù)地層變化及時(shí)調(diào)整泥漿性能，加強(qiáng)凈化并適時(shí)補(bǔ)充處理劑來恢復(fù)其性能。調(diào)配好的泥漿，不得隨便加入清水。加強(qiáng)泥漿崗的培訓(xùn)和指導(dǎo)，提高泥漿質(zhì)量，未經(jīng)技術(shù)人員批準(zhǔn)，不允許隨意擅自更換沖洗液及沖洗液配方。

4 施工要點(diǎn)及效果

4.1 質(zhì)量保證措施

(1)鉆機(jī)安裝穩(wěn)固，保證天車、立軸、孔口三點(diǎn)一線;鉆機(jī)底座水平、穩(wěn)固，并在鉆進(jìn)中經(jīng)常檢查，隨時(shí)校正，防止地基隨鉆進(jìn)中的震動(dòng)產(chǎn)生傾斜;鉆塔必須按規(guī)定安裝繃?yán)K和避雷針。

(2)鉆進(jìn)過程中，出現(xiàn)巖心堵塞時(shí)必須提鉆檢查，嚴(yán)禁超管鉆進(jìn)，不許打懶鉆，確保巖心采取率。

(3)根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)和鉆進(jìn)過程中標(biāo)志層的判斷，鉆進(jìn)至煤層頂板后，換雙管單動(dòng)鉆具采取煤心，雙管鉆具保證轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，內(nèi)管與鉆頭間隙合理(一般2～4 mm)，使得泥漿沖刷不到煤心;鉆進(jìn)時(shí)輕壓慢轉(zhuǎn)，控制泵量，確保煤心采取率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(4)班報(bào)、水文觀測、鉆具丈量記錄要按規(guī)定的內(nèi)容填寫，做到準(zhǔn)確、齊全、及時(shí)、整潔;按規(guī)定校正孔深，超差時(shí)必須找出原因，合理平差。

(5)提下鉆過程中，避免鉆具和鉆孔的抽吸現(xiàn)象影響孔壁的穩(wěn)定性，提下鉆速度要慢和保持勻速，避免猛下和猛提現(xiàn)象，要及時(shí)回灌泥漿，確保孔壁穩(wěn)定。

(6)加強(qiáng)員工培訓(xùn)，在設(shè)備安裝、拆卸、搬遷和鉆進(jìn)過程中注意安全，保證安全設(shè)施和裝備齊全，確保安全生產(chǎn);泥漿排放到指定區(qū)域，并及時(shí)處理，做好環(huán)境保護(hù)。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

趙石畔井田鉆探施工共使用13臺(tái)鉆機(jī)，5個(gè)月完成施工任務(wù)，實(shí)際完成鉆孔145個(gè)，平均深度549.19 m，鉆探進(jìn)尺79632.7 m。鉆機(jī)平均臺(tái)月效率1225 m，最高臺(tái)月效率為2032 m，純鉆率65.3%，平均回次進(jìn)尺8.49 m，平均采取率92.7%，材料消耗152.8元/m，直接鉆探成本291.5元/m。通過改進(jìn)鉆探工藝，增加回次進(jìn)尺，提高了純鉆時(shí)間和鉆探效率，降低了鉆探成本。

4.3 陜北鉆探成果

通過不斷地探索和實(shí)驗(yàn)，持續(xù)地優(yōu)化鉆探工藝，西安地勘院在陜北榆林地區(qū)鉆探施工獲得可喜成績，2011～2012兩年在陜北地區(qū)共完成基金項(xiàng)目及煤田勘探項(xiàng)目10個(gè)(見表1)，鉆孔760個(gè)，完成鉆探進(jìn)尺約49.3萬m，提交煤炭儲(chǔ)量120多億噸，為陜北能源基地開發(fā)和建設(shè)做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

表1 2011～2012年我院陜北煤田勘查施工一覽表

4.4 施工體會(huì)

近幾年陜北煤田勘查項(xiàng)目較多，逐步探索出一套鉆探施工方法，有效地提高了鉆探效率，鉆探工藝和過去比較有較大的進(jìn)步，有以下幾點(diǎn)體會(huì):

(1)設(shè)備選擇要恰當(dāng)，盡量選擇性能較強(qiáng)的設(shè)備，一般選擇不小于18 m的鉆塔，避免“小馬拉大車”的現(xiàn)象，600 m左右的鉆孔，XY－5型鉆機(jī)比XY－4型鉆機(jī)優(yōu)勢比較明顯。

(2)由于鉆進(jìn)速度快，必須保證孔內(nèi)巖粉的排出，要選擇大泵量泥漿泵，鉆進(jìn)過程中保持大泵量，能減少孔內(nèi)事故，提高鉆探效率。

(3)原來在陜北地區(qū)使用全液壓鉆機(jī)和繩索取心工藝，由于該地區(qū)覆蓋層普遍較厚，下套管工作量較大，地層不太適合金剛石鉆頭，因此全液壓鉆機(jī)和繩索取心工藝在該地區(qū)優(yōu)勢不明顯。

(4)該地區(qū)鉆探施工，較適合肋骨鉆頭+卡斷器工藝，配合使用長巖心管，能減少鉆機(jī)提下鉆工作量，有效地提高鉆探效率。

(5)選擇適合的泥漿體系，滿足鉆孔護(hù)壁和攜粉要求，經(jīng)常進(jìn)行泥漿測試和維護(hù)，控制泥漿性能，保證孔壁完整。

5 結(jié)語

在陜北地區(qū)鉆探施工，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡貙犹攸c(diǎn)，選擇合理的設(shè)備、機(jī)具，使用適合的泥漿體系，探索出適合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)的鉆探施工工藝，保證鉆孔質(zhì)量，減少孔內(nèi)事故，提高了鉆探效率，對(duì)該地區(qū)大量鉆孔施工有很大幫助。

陜北地區(qū)煤炭儲(chǔ)量十分豐富，煤田勘查區(qū)鉆孔也越來越深，地質(zhì)情況也相對(duì)復(fù)雜，必須持續(xù)實(shí)驗(yàn)和總結(jié)探礦方法和工藝，完成勘查任務(wù)，既為我院創(chuàng)造更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，也為西部大開發(fā)和陜北能源重化工基地建設(shè)尋找資源做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

［1］鄭思光，趙志杰，左新明.查干德爾斯鉬礦復(fù)雜地層鉆探技術(shù)探討與實(shí)踐［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5).

［2］鄢泰寧，等.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

［3］湯鳳林，A.Г.加里寧，段隆臣.巖心鉆探學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.

［4］鄭秀華，王軍，蔡福民，等.蘭渝鐵路深孔隧道勘察碳質(zhì)泥巖防塌孔鉆井液技術(shù)［J］.鐵道建筑，2010，(2).

［5］汪傳武，張波，黃德強(qiáng)，等.馬達(dá)加斯加Sakoa煤田鉆探施工技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5).

［6］舒智.復(fù)雜地層深孔鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的探討與實(shí)踐［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1).