高瓦斯涌水超厚煤系復(fù)雜地層的鉆進(jìn)施工

孫孝剛，王 聰，代敏兵，張 濤

(貴州省地礦局102地質(zhì)大隊，貴州遵義563003)

0 引言

貴州省晴隆縣揚寨煤礦勘探，前期鉆探工作:2005年6～9月，巖心鉆探進(jìn)尺5262.50 m(9孔);2006年10月～2008年1月，巖心鉆探進(jìn)尺8395 m(16孔);2009年6月～2011年8月，補(bǔ)充施工了3410.48 m(7孔)。以上數(shù)次勘查，共計施鉆32個鉆孔。但所有鉆孔施工都遇到了較大的困難，雖然提交了地質(zhì)報告，可地質(zhì)情況仍有待于認(rèn)識和研究。近期我隊接受了該礦區(qū)的勘探任務(wù)。

1 工程概述

該礦區(qū)位于貴州省晴隆縣北部，礦區(qū)面積為10.77 km2。該礦區(qū)所有設(shè)計鉆孔均為直孔，孔深在50.00～1612.00 m之間，總計鉆探工作量為29548 m(28孔)。

2 地質(zhì)情況、地質(zhì)特征

礦區(qū)屬高原多山地形，溝谷切割強(qiáng)烈，海拔783～1794.4 m，地形坡度大，沖溝發(fā)育，最大相對高差近800 m，一般多在300 m。

礦區(qū)褶皺及斷層均較發(fā)育，礦區(qū)西部巖層傾角變化較大(25°～85°)，普遍具上部傾角緩、下部傾角變大;礦區(qū)東部巖層正常產(chǎn)出，巖層傾角5°～45°。

礦區(qū)具有煤系地層厚(礦區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，厚度約560 m)、可采煤層多(全礦區(qū)可采和大部可采煤層有 M4、M5、M7、M10、M13、M14、M15、M16、M24、M25、M28、M31 等層)、瓦斯含量較高、漏失、涌水等特點。

礦區(qū)由西向東地層由老至新依次出露地層為:

(1)二疊系中統(tǒng)茅口組，巖性主要為深灰～白色厚層塊狀隱晶至細(xì)晶石灰?guī)r、含白云質(zhì)灰?guī)r和次生白云巖，巖石可鉆性4～6級;

(2)二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組，巖性主要為褐灰色、紫色、灰綠色間隱結(jié)構(gòu)玄武巖、拉班玄武巖、玄武質(zhì)巖屑凝灰角礫巖、火山角礫質(zhì)粘土巖等，巖石可鉆性7～9級;

(3)龍?zhí)督M，主要由粘土巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、煤層及少量泥質(zhì)灰?guī)r薄層組成，巖石可鉆性1～4級;

(4)長興－大隆組，由深褐色、淺黃色、深灰色粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，巖石可鉆性1～4級;

(5)三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組，主要為黃綠色、灰綠色細(xì)砂巖、深灰色中厚層狀微晶灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖等，巖石可鉆性1～4級;

(6)永寧鎮(zhèn)組，主要為粉晶灰?guī)r、云灰?guī)r、紫紅色、淺黃色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、含泥質(zhì)白云巖、白云巖及滑塌角礫巖，巖石可鉆性1～6級;

(7)三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組，主要為紫紅色、灰綠色、灰色薄～中厚層狀粉砂巖、泥灰?guī)r夾泥巖，底層為綠豆巖，巖石可鉆性1～4級;

(8)第四系殘坡積碎石土層、黃褐色含礫砂土、亞粘土等。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計及設(shè)備選擇

3．1鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

由于該礦區(qū)煤層、煤線較多，厚薄不一，0～6 m不等，且瓦斯含量較高，泥巖、炭質(zhì)(泥質(zhì))泥巖、粘土巖、頁巖、炭質(zhì)(灰質(zhì))頁巖等水敏性地層頻繁，砂巖、灰?guī)r破碎段較多，涌水現(xiàn)象嚴(yán)重，且無詳細(xì)的鉆孔柱狀圖地質(zhì)情況供施工參考。鑒于以往施工鉆孔失敗的教訓(xùn)，其鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，原則上開孔至終孔至少預(yù)留2～3級口徑。設(shè)計深度在1000 m以深的鉆孔，選擇172 mm開孔(≮150 mm);在不超過鉆機(jī)扭矩和提升力時，鉆孔結(jié)構(gòu)由大到小盡量做到:少變徑和緩變徑。即大口徑變小口徑前，鉆孔深度盡力加深，如ZK1310驗證孔(見圖1)。根據(jù)設(shè)計的地質(zhì)柱狀圖，其鉆孔設(shè)計深度1250 m，較厚煤層主要集中在600～800 m，故選擇150 mm開孔，預(yù)計由130、110 mm兩徑鉆穿上覆(第四系浮土、三疊系部分)地層，以96 mm為主徑盡力鉆至最深，然后下套管護(hù)壁，用77 mm作預(yù)留徑快速鉆至終孔。

3．2 設(shè)備選擇

由于存在鉆孔設(shè)計深度與實際滿足地質(zhì)要求施工深度誤差較大的情況，孔內(nèi)事故難以預(yù)防，為確保鉆孔的順利實施，要求進(jìn)入該礦區(qū)施工鉆探設(shè)備的性能必須滿足:(1)鉆機(jī)的最大鉆進(jìn)深度(終孔口徑)大于鉆孔設(shè)計深度;(2)鉆機(jī)(或鉆塔、桅桿)具有處理孔內(nèi)事故的能力或具備配置處理孔內(nèi)事故設(shè)備的條件;(3)具有配備或租借常用的孔內(nèi)事故處理設(shè)備(工具)的能力。

據(jù)我們以往施工的記錄，YDX－1800型全液壓動力頭鉆機(jī)(另配四腳鉆塔)所施工的鉆孔，其孔徑為96和77 mm的鉆孔最大深度分別為990和1781 m，并具有處理孔內(nèi)事故的能力，能滿足ZK1310鉆孔施工所需的條件，故ZK1310鉆孔選用了該鉆機(jī)施工。

4 鉆進(jìn)工藝

4．1 鉆進(jìn)方法確定

根據(jù)《煤炭地質(zhì)勘查鉆孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T1042－2007)要求，為確保巖心采取率及鉆孔質(zhì)量能滿足設(shè)計需求，全礦區(qū)所有鉆孔，除開孔孔段用硬質(zhì)合金鉆頭外，插定向管之后，全孔施工均采用金剛石鉆進(jìn)，最后三徑(110、96、77 mm)均采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)。鉆進(jìn)工藝參數(shù)如表1所示，同時應(yīng)遵循以下原則。

表1 鉆進(jìn)參數(shù)選擇

4．1．1 鉆壓

(1)鉆進(jìn)節(jié)理發(fā)育、巖層陡立、松軟破碎、軟硬互層、強(qiáng)研磨性地層時，以及鉆孔彎曲和超徑的情況下，應(yīng)適當(dāng)減小鉆壓。

(2)新鉆頭初磨應(yīng)減小鉆壓，初磨后的新鉆頭，采用正常鉆壓。隨著金剛石磨鈍、鉆速下降，應(yīng)逐步加大鉆壓，但不宜過大，更不得劇增。

(3)在鉆進(jìn)過程中，注意保持鉆壓平穩(wěn)，以保持鉆速均勻。

4．1．2 轉(zhuǎn)速

(1)鉆進(jìn)極硬弱研磨性地層、裂隙破碎地層、孔壁不穩(wěn)、軟硬交層地層、陡立易斜地層，應(yīng)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速;軟巖層中鉆進(jìn)效率很高時，為保持冷卻鉆頭和排粉，也應(yīng)限制轉(zhuǎn)速。

(2)使用泥漿作為沖洗液時，為減小沖洗液在鉆孔環(huán)狀間隙的循環(huán)阻力，降低沖洗液的泵壓，同時防止鉆桿柱內(nèi)壁結(jié)泥皮，要適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。

(3)鉆孔結(jié)構(gòu)簡單合理，環(huán)狀間隙小，孔深不大，應(yīng)盡量選用較高轉(zhuǎn)速;反之需降低轉(zhuǎn)速;隨孔深增加應(yīng)不斷降低轉(zhuǎn)速。

選用孕鑲鉆頭時，鉆頭的線速度一般為1.5～3.0 m/s;選用表鑲鉆頭時則為1.0～2.0 m/s。

4．1．3 泵量

沖洗液量應(yīng)足以保證清除巖粉，冷卻鉆頭和保護(hù)孔壁。

4．2 護(hù)壁措施

4．2．1 套管護(hù)壁

鑒于該礦區(qū)煤層、煤線較多，瓦斯含量較高，且砂巖、灰?guī)r破碎段多，孔內(nèi)漏失和涌水現(xiàn)象都比較嚴(yán)重，泥漿護(hù)壁難，易垮塌、掉塊的特點。加之部分鉆孔施工缺水，一般要求在進(jìn)入煤系地層換徑后，盡量采用套管護(hù)壁。

4．2．2 泥漿護(hù)壁

在進(jìn)入煤系地層后，由于該礦區(qū)煤系地層厚度較大，煤層較多，易垮塌孔段多的特點，根據(jù)孔內(nèi)情況，應(yīng)配制與之相適應(yīng)的泥漿護(hù)壁。

4．2．3 水泥護(hù)壁

在施工中遇孔壁嚴(yán)重垮塌，且無預(yù)留換徑下套管的情況下，一般采用水泥封閉易垮塌層段，待其凝固后再繼續(xù)施鉆，從而達(dá)到護(hù)壁的效果。

4．3 沖洗液性能要求、配制和維護(hù)

配制(或換)泥漿時，盡量選用優(yōu)質(zhì)(造漿率達(dá)16 m3)粘土粉，使用時必須預(yù)水化(即加堿后發(fā)酵24 h)，然后再根據(jù)護(hù)壁的要求加入適量的處理劑，隨后檢測其密度、粘度、pH值、失水量、泥皮厚度、含砂量等，嚴(yán)禁將“生泥漿”加入孔內(nèi)。勤觀察、勤測量，及時掌握泥漿的性能變化。

4．3．1 泥漿的性能要求

(1)粘度。鉆進(jìn)完整地層粘度控制在35 s左右;水敏性地層控制在35～40 s;特別不穩(wěn)定地層粘度可視情況調(diào)高。若粘度過高，可以加入稀釋劑處理，嚴(yán)禁加入清水降粘;過低則可以加入高粘纖維素增加粘度。

(2)濾失量和泥餅厚度。完整地層濾失量應(yīng)控制在15 mL/30 min以內(nèi)，泥餅厚度應(yīng)＜2 mm;泥頁巖地層及其他吸水膨脹易垮塌地層濾失量應(yīng)控制在10 mL/30 min以內(nèi)，泥餅厚度應(yīng)＜1 mm。

(3)密度。沖洗液的密度是平衡孔內(nèi)壓力的參數(shù)。密度過小可能引起孔內(nèi)垮塌;密度過大則可能壓漏地層，同時鉆具磨損也嚴(yán)重，也容易發(fā)生粘吸卡鉆。①在穩(wěn)定的孔段:優(yōu)質(zhì)沖洗液一般密度應(yīng)控制在1.06～1.10 g/cm3之間。②在不穩(wěn)定的孔段:沖洗液密度應(yīng)控制在1.10～1.20 g/cm3之間。③在涌水、高瓦斯突出孔段:沖洗液的密度應(yīng)根據(jù)涌水的情況，控制在1.20～1.50 g/cm3之間。

(4)含砂量。含砂量要求控制在4%以內(nèi)。含砂量太大，可以采用清水稀釋的辦法，或用聚丙稀酰胺泥漿使細(xì)小巖屑絮凝，再通過固相控制設(shè)備除去。

(5)pH值。pH值是沖洗液酸堿度的指標(biāo)，一般控制在8～10之間?？梢酝ㄟ^加入燒堿、純堿及堿性處理劑來調(diào)節(jié)。

4．3．2 沖洗液性能調(diào)節(jié)應(yīng)注意的問題

(1)沖洗液性能調(diào)節(jié)必須在泥漿循環(huán)的條件下進(jìn)行。

(2)添加劑必須少量、緩慢的加入，不得猛加處理劑造成新加入泥漿與孔內(nèi)泥漿發(fā)生不良反映。

(3)原則上孔內(nèi)需什么就補(bǔ)什么，保留有效固相去除無效固相。

4．4 孔內(nèi)事故預(yù)防及處理

4．4．1 孔內(nèi)事故預(yù)防

預(yù)防孔內(nèi)事故的關(guān)鍵是保證沖洗液的質(zhì)量及循環(huán)暢通，保持孔內(nèi)清潔。預(yù)防卡、埋、燒鉆事故必須做到以下幾點。

(1)根據(jù)巖層性質(zhì)，正確掌握清水、泥漿、套管的配合使用。

(2)做好硬質(zhì)合金與金剛石鉆進(jìn)的互換，當(dāng)合金鉆進(jìn)換金剛石鉆進(jìn)時，應(yīng)撈凈孔內(nèi)殘留合金碎塊并進(jìn)行磨孔，新金剛石鉆頭下孔前應(yīng)有一定時間的初磨階段。

(3)鉆孔深度＞800 m后，盡量避免起大鉆，必須起大鉆時，應(yīng)采用低速起鉆，減小對孔壁的抽吸作用力。

(4)金剛石鉆進(jìn)時，應(yīng)保證鉆桿絲扣連接密封，水泵要保證良好的工作狀態(tài)，在易坍塌巖層提鉆時要進(jìn)行鉆孔回灌。預(yù)防孔內(nèi)事故的發(fā)生，要正確操作，隨時注意孔內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時判斷和處理。

4．4．2 孔內(nèi)事故處理(以ZK1310孔為例)

4．4．2．1 鉆孔概況

該孔所鉆地層從上至下依次為:第四系浮土(0～21.43 m);三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(21.43～387.17 m);二疊系長興組(387.17～498.02 m)、龍?zhí)督M(498.02～1118.34 m)、峨眉山玄武巖組(1118.34～1123.34 m)。自388.17 m鉆穿第一層煤后，到1084.67 m鉆穿最后一層煤，共穿越煤層、煤線近50層，其中厚度在5 m以上2層，1～5 m共8層，0.5～1 m共12層，多呈半塊狀、粉狀。

選用YDX－1800型全液壓動力頭鉆機(jī)(另配四腳鉆塔)。

鉆孔結(jié)構(gòu)、套管程序及鉆進(jìn)方法見表2。

表2 鉆孔結(jié)構(gòu)、套管尺寸和鉆進(jìn)方法

4．4．2．2 第一次事故

(2)處理過程。①不停車、不停泵，上下串動，連頂(液壓油缸)帶拉(升降機(jī))，迅速將鉆具提至安全孔段;②重新調(diào)配泥漿，掃孔，失敗(始終不能通過619～623 m孔段);③用96 mm金剛石單管鉆具掃孔至最大深度后作套管用，隨后用77 mm繩索取心鉆具掏心接近96 mm鉆具底部時，96 mm鉆具跑管;④96 mm鉆具跑管后，89 mm鉆桿在619～623 m孔段嚴(yán)重彎曲，用絲錐打撈，將上部鉆桿在孔深619.70 m提斷后提出孔外，余49 m鉆具于孔底無法提出;⑤采用水泥將619～623 m孔段封堵，用96 mm金剛石單管鉆具掃孔至624.17 m，自然側(cè)鉆(已超過事故頭)，并作套管之用護(hù)壁，換徑，選用77 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)。

(3)事故原因。本孔自孔深387 m鉆穿第一層煤后，至672 m時，已穿過多煤層、煤線。①由于瓦斯突出(含量極高)，致泥漿密度降低，嚴(yán)重破壞了孔內(nèi)液柱與孔壁間的壓力平衡;②在孔深600 m后局部地層涌水，泥漿的失水量增大，使煤層吸水坍塌。

4．4．2．3 第二次事故

(1)事故經(jīng)過。經(jīng)第一次側(cè)鉆后鉆至孔深1062 m時，孔內(nèi)涌水較大，且瓦斯更為突出，致上部孔壁多段嚴(yán)重垮塌、埋鉆。

(2)處理過程。①用反絲公錐將上部鉆桿從孔深765 m處反脫，提出孔內(nèi)后下部事故頭被埋，無法打撈。②用水泥封固624.17～765 m孔段。③配制高密度水基成膜泥漿，壓制瓦斯突出、涌水和穩(wěn)定孔壁。泥漿配方及性能:3% ～5%粘土粉+1‰～2‰Na2CO3+2‰ ～3‰ CMC+3‰ ～5‰ X－1成膜劑+適量 BaSO4;粘度35～40 s，濾失量 ＜10 mL/30 min，泥餅厚度1～2 mm，密度1.25～1.35 g/cm3之間，含砂量＜4%，pH值8～10。④用77 mm金剛石繩索取心鉆具掃孔→自然側(cè)鉆→至鉆進(jìn)終孔。

(3)事故原因。

①瓦斯突出:由于該孔所鉆煤層較多且厚，瓦斯含量極高，致泥漿充氣，使泥漿密度在孔內(nèi)循環(huán)中嚴(yán)重降低，破壞了孔內(nèi)液柱與孔壁之間的壓力平衡。

②涌水:由于煤層底部部分地層涌水，致使泥漿被逐漸稀釋，性能發(fā)生改變，水敏性地層(粉)煤層、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及少量泥質(zhì)灰?guī)r及破碎巖石脫落、坍塌，粘土巖縮徑。

③人為因素:事故發(fā)生前，現(xiàn)場未對泥漿性能進(jìn)行及時檢測和調(diào)配處理。

5 經(jīng)驗體會

(1)在上述復(fù)雜地層礦區(qū)鉆探施工，不僅在施工前要有全面的事故預(yù)防措施，而且在施工過程中要把握好鉆進(jìn)參數(shù)、正確操作、勤觀測泥漿性能的變化，并根據(jù)護(hù)壁需求進(jìn)行及時調(diào)整。

(2)在調(diào)制高密度水基成膜泥漿時，應(yīng)根據(jù)進(jìn)、出孔口泥漿性質(zhì)的變化、鉆孔深度(液柱壓強(qiáng))、涌水量和水頭高度，以及瓦斯突出時產(chǎn)生的水頭高度，來判斷孔內(nèi)瓦斯突出量(壓力)和涌水水頭高度(壓力)，然后加入適量的BaSO4進(jìn)行調(diào)整。其調(diào)整后的泥漿密度ρ理論上應(yīng)滿足下式:

式中:ρ0——調(diào)整前泥漿的密度;h——調(diào)整前泥漿涌(噴)出孔口的高度;l——涌水(瓦斯突出)孔段深度。

實際值應(yīng)稍大于計算值，才能確保瓦斯氣體(或水)滲透到孔內(nèi)。

BaSO4添加原則:適量逐漸添加，使泥漿的密度逐漸增大，同時，檢測返出孔口泥漿性能的參數(shù)，其性能趨于穩(wěn)定時則停止添加，從而可避免因加量過多使泥漿密度過高，致孔內(nèi)泥漿被壓而漏失，以及泵壓過高而增加設(shè)備負(fù)荷，損壞設(shè)備。反之，因泥漿密度過小，達(dá)不到壓制瓦斯突出和涌水的功能。

由于X－1成膜劑與水在粘土表面發(fā)生競爭吸附，X－1成膜劑優(yōu)先在粘土表面取代部分水分子，形成一個疏水的膜，破壞和阻止了粘土表面結(jié)構(gòu)水的形成，以及CMC具有較好的降濾失作用和在堿性溶液中有較好的流變性能。因此，高密度水基成膜泥漿，在CMC、X－1成膜劑中的高分子與粘土顆粒之間的物理和化學(xué)作用下，同時具有2種作用，一是保持孔內(nèi)液柱與孔壁之間的壓力平衡，二是降失水，抑制水敏性地層水化膨脹和分散脫落，從而達(dá)到防止孔壁坍塌，穩(wěn)定孔壁的作用。

6 鉆探技術(shù)效果

通過以上措施，該礦區(qū)自ZK1310孔施工結(jié)束后，總結(jié)經(jīng)驗，并在各機(jī)臺進(jìn)行交流、推廣，又相繼施工完ZK301、ZK302、ZK1202等鉆孔，現(xiàn)13臺鉆機(jī)正在該礦區(qū)進(jìn)行著有效的施工，累計完成工作量近10000 m。不僅解決了該礦區(qū)高瓦斯涌水超厚煤系復(fù)雜地層鉆進(jìn)施工的難題，為我隊創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為探明該礦區(qū)的礦產(chǎn)資源儲量和查明地質(zhì)構(gòu)造，提供了可靠的技術(shù)支撐，而且為同類地層的鉆進(jìn)施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

7 結(jié)語

在超厚煤系地層、高瓦斯、涌水等復(fù)雜地層鉆進(jìn)施工中，應(yīng)遵循以下幾點。

(1)確保泥漿性能是關(guān)鍵。高密度水基成膜泥漿，不僅能有效地抑制瓦斯突出，避免因瓦斯侵，導(dǎo)致泥漿充氣，密度變小，破壞液柱與孔壁之間的壓力平衡，而致孔壁垮塌。而且能壓住巖層一定量的涌水，避免因水侵，導(dǎo)致泥漿被稀釋變質(zhì)，致水敏性地層縮徑、脫落垮塌。

(2)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅要根據(jù)鉆孔深度、地質(zhì)要求(終孔口徑)、經(jīng)濟(jì)成本作考慮，而且要根據(jù)地層的復(fù)雜程度，合理預(yù)留事故變徑口徑。

(3)正確操作、選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)是預(yù)防鉆探事故的先決條件。鉆壓過高，易使鉆具彎曲、折斷和鉆孔彎曲;鉆速過高，易使鉆具折斷，造成孔壁垮塌和鉆桿內(nèi)壁積垢;泵量過大易沖刷孔壁，反之，泵量過小，不能及時排出孔底巖屑，則導(dǎo)致重復(fù)破碎，影響鉆速或造成埋鉆。

(4)正確選用鉆探設(shè)備。由于地層復(fù)雜導(dǎo)致鉆孔深度的不確定性事故發(fā)生率較高，因此，在設(shè)備選型上，不僅要考慮是否經(jīng)濟(jì)，還要考慮具有處理事故和鉆孔適當(dāng)加深的能力。

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