福建煤田深孔鉆探施工技術(shù)探討

閆國民

(福建省121地質(zhì)大隊，福建 龍巖364021)

1 福建煤田深孔施工的主要特點及其復(fù)雜性

福建煤田復(fù)雜地層鉆探施工難度較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，巖層極其破碎且較松軟，泥巖受擠壓破碎為薄片狀或爛泥狀，從而導(dǎo)致孔壁極易坍塌。坍塌嚴重地層主要在童子巖組地層的煤系地層內(nèi)。童子巖組地層與下伏地層文筆山組(P1w)呈整合接觸;與上覆地層翠屏山組(P2cp)呈斷層接觸(F8)。在該段地層內(nèi)煤層較多，以某礦區(qū)內(nèi)ZK902號孔為例，在上部450～700 m內(nèi)，可采煤層就超過13層，且多為粉煤。

由于施工區(qū)域較廣，客觀條件差異較大，所遇到的施工難度也有所不同，歸納起來主要有以下幾個特點。

(1)鉆孔漏失嚴重為主要特點。如:福建龍永煤田翠屏山組斷層破碎帶或砂巖裂隙發(fā)育，并有地下水活動;解決鉆孔漏失是維持正常鉆進的基本條件。

(2)孔壁穩(wěn)定性差，巖石松散、破碎，遇水膨脹、鉆孔縮徑，孔壁坍塌是非常常見的。福建龍永煤田翠屏山砂巖破碎帶地層，擠壓揉皺、巖心破碎且地層傾角較大，保持孔壁穩(wěn)定是提高鉆探效率的主要技術(shù)措施。

(3)硬巖鉆進效率低。主要在福建的龍永煤田翠屏山組底部最為突出，屬硅質(zhì)膠結(jié)的石英砂巖、石英角礫巖、燧石等，巖石硬度＞10級，屬硬巖“打滑”地層，采用一般金剛石鉆頭鉆進其效果差，效率低。

(4)深孔施工技術(shù)要求高，難度大。

2 鉆探設(shè)備機具選擇

根據(jù)鉆孔設(shè)計孔深、礦區(qū)地層等要求，結(jié)合實際情況，主要配備設(shè)備機具如下。

鉆機:XY－6B、XY－5型立軸巖心鉆機;

動力機:100～150 kW柴油發(fā)電機組;

鉆塔:17 m四角鐵塔承載能力35 t以上;

泥漿泵:BW－250型或BW－320型;

附屬設(shè)備:SJ－3000型繩索取心絞車，SQ114/8型液壓動力鉗，BS75－T型木馬夾持器，JSN－ZC型泥漿除砂器，自制泥漿攪拌機，NY－1型泥漿性能測試儀等。

主要鉆具及管材為:S75A、CNH、JS75型繩索取心鉆桿，每臺鉆機配備1500～2000 m;S95A或SJ96繩索取心鉆桿，每臺鉆機配備500～1200 m;50或60 mm正、反絲普通鉆桿，每個項目(或礦區(qū))配1000～1500 m。

3 復(fù)雜地層施工的主要鉆孔結(jié)構(gòu)

以翠屏山組地層為例，且有表土層和風(fēng)化層，鉆孔深度較深，則要下2～3層套管，即用130 mm開孔鉆進5～10 m，下入127 mm孔口管隔離孔口表土層和風(fēng)化層;再用110 mm硬質(zhì)合金鉆進，盡量穿過上部裂隙破碎地層，如果遇巖石堅硬不進尺，即可下入108 mm套管;換用S95繩索取心鉆進，盡量穿過翠屏山組地層，此時可下入89 mm套管;換S75+2繩索取心鉆進至終孔。若鉆孔深部遇復(fù)雜地層，則可用71 mm鉆桿為套管換S59鉆具鉆進至終孔。其鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 130 mm開孔的鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔較深，鉆孔上部地層較復(fù)雜，如有老硐、喀斯特溶洞等，此種情況的鉆孔結(jié)構(gòu)必須采用150 mm開孔，下入5～10 m146 mm孔口管;換用130 mm鉆進穿過上部破碎地層，下入127 mm套管(提上146 mm套管，下接146/127 mm異徑接頭);換用110 mm鉆進，穿過老硐或溶洞后，下入108 mm套管;換用S95繩索取心鉆進，穿過煤系地層的破碎帶或漏失地層后，下入89 mm套管;換用S75繩索取心鉆進至終孔。若鉆孔深部又遇到較復(fù)雜地層，難以進尺時，則可再利用71 mm鉆桿為套管，換用S59繩索取心鉆具鉆進至終孔。其鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 150 mm開孔的鉆孔結(jié)構(gòu)

4 沖洗液排巖粉及護壁防塌

該地區(qū)使用的沖洗液配方及性能參數(shù)見表1。

Ⅰ號配方:適用于上部覆蓋層及風(fēng)化層，巖石破碎膠結(jié)性差，穿過后下套管隔離;

表1 低固相沖洗液的配方及性能指標

Ⅱ號配方:適用于鉆進水敏性地層，護壁效果較好;

Ⅲ號配方:適用于鉆進構(gòu)造破碎帶、風(fēng)化膠結(jié)性差及厚煤層等易塌地層，防塌護壁效果較好;

Ⅳ號配方:一般用于中等坍塌地層、掉塊地層，攜巖性能好，利于保持孔內(nèi)干凈;

Ⅴ號配方:適用于巖性極其破碎、孔內(nèi)坍塌極其嚴重的煤系地層，此泥漿方案有很好的護壁防坍塌效果，是鉆進復(fù)雜地層的主要護壁措施。

在鉆進過程中，膨潤土和泥漿處理劑將被巖屑及孔壁吸附而消耗，需要不斷補充，以保持良好的泥漿性能。

5 鉆探施工工藝

5．1 局部易坍塌孔段治理技術(shù)措施

治理此類問題主要采取的措施是:反復(fù)沖孔撈砂，邊撈砂邊單管鉆進，穿過局部坍塌層。以悠遠礦區(qū)ZK203孔和ZK201孔為例，地層復(fù)雜為泥巖和粉砂巖互層段，巖心極其破碎，靠泥漿難以維持孔壁穩(wěn)定，時常出現(xiàn)抱鉆、憋泵、卡鉆等孔內(nèi)異常情況，使得繩索取心鉆進難以進行，故采用邊撈砂邊單管鉆進的技術(shù)方案，即:SP77A鉆桿配合SP95A撈砂管單管取心鉆進(撈砂管長5.63 m，其中取心短管長0.64 m)。為防止鉆具扭斷，采用“輕壓慢轉(zhuǎn)”，雖然進尺較慢，但順利地穿過了局部易坍塌孔段，避免了孔內(nèi)事故擴大化。該段地層主要鉆進參數(shù)為:轉(zhuǎn)速175 r/min、鉆壓5～8 kN、泵量90 L/min。

5．2 孔壁不穩(wěn)且裂隙漏水地層的護壁措施

(1)套管隔離。充分發(fā)揮技術(shù)套管的隔離作用，將不穩(wěn)定地層隔離，該措施主要應(yīng)用于上部復(fù)雜地層。

(2)應(yīng)用優(yōu)質(zhì)防塌沖洗液。如福建龍永煤田悠遠礦區(qū)303號孔，孔深1302.30～1354.38 m，龍永煤田紅林坪礦區(qū)11－4號孔，孔深865.40～890.50 m，龍永煤田東門礦區(qū)17－1號孔，孔深 910.36～938.51 m等在施工過程中不同程度地出現(xiàn)孔壁坍塌，應(yīng)用鈉土粉改性瀝青－防塌劑沖洗液體系進行處理，對于顆粒較粗的孔段，應(yīng)使用50 mm鉆具進行排粉護壁。

(3)水泥造壁。在施工過程中也有少數(shù)鉆孔因嚴重坍塌用水泥封閉方法處理。

(4)適當(dāng)增大鉆孔口徑，有利于孔壁的穩(wěn)定。

5．3 深孔厚煤層坍塌護壁排粉對策

悠遠礦區(qū)302號孔主采煤 M3煤，在孔深1300.08 m見煤，煤厚5.30 m，該煤層以塊煤夾2/5粉煤，穿過煤層后出現(xiàn)煤層嚴重坍塌，選用優(yōu)質(zhì)低固相泥漿，沖掃孔護壁和排除孔內(nèi)巖、煤粉效果較理想，但當(dāng)泥漿稍稠(粘度約27～28 s)，泵壓均在7.5～8.5 MPa，水泵超負荷工作咔咔響聲很大，同時出現(xiàn)水泵皮帶輪軸花鍵打掉多次，一度無法正常鉆進，只好用電焊焊死。后來采用改變水泵缸套、活塞，由80 mm缸套改用65 mm缸套，提高了水泵排水泵壓，改善水泵工作負荷重的問題。同時選用多種泥漿處理劑，如植物膠、CMC、護壁劑、防塌劑、改性瀝青，將泥漿固相含量減少30%，增加多種泥漿處理劑比例，提高了泥漿的流動性，降低了水泵排漿泵壓，從而增大了孔口泥漿的流量，減少對孔壁和煤層的沖刷，逐步解決了厚煤層坍塌、護壁及孔內(nèi)排粉問題。

5．4 涌水問題的處理方法

以龍永煤田東門地礦區(qū)ZK902號孔為例，該孔上部地層風(fēng)化嚴重、松散，我們選用多路套管護壁。146 mm套管下到45.20 m，127 mm套管下到71.02 m，108 mm套管下到127.26 mm。換95 mm繩索取心鉆進，當(dāng)鉆進到503 m時出現(xiàn)嚴重漏失，采用鋸末和泥球堵漏，效果較理想。但該孔上部涌水較大，從127 mm和108 mm套管外涌流出約40 L/min的流水量，破壞了泥漿性能，造成泥漿粘度降低，攜粉能力不足，轉(zhuǎn)速開不上去，使得鉆效明顯下降。后來采用降低套管口，將127 mm和108 mm套管外涌水隔離引出，不流到泥漿池內(nèi)，解決了涌水破壞泥漿性能的問題。

6 施工技術(shù)措施

6．1 鉆孔糾斜技術(shù)

在紅林坪礦區(qū)11－4號鉆孔，180 m左右頻繁出現(xiàn)斷鉆桿事故。通過事故原因排查及測斜數(shù)據(jù)表明:在120～180 m鉆孔偏斜嚴重，局部偏斜達到15°，可見鉆桿扭矩較大，是造成事故頻繁的原因。為保障下一步施工的正常進行，綜合考慮，決定在180～112 m和112～90 mm采用2步封孔法糾斜。取充盈系數(shù)為2.28。第一步，180～112 m水泥封孔，應(yīng)用水泥33包;2天后的檢測結(jié)果達到預(yù)期值;第二步，112～90 m封孔，應(yīng)用水泥27包。為保障封孔質(zhì)量，予以鉆孔3天的凝固時間。0～9 m，采用150 mm口徑透孔，并下入146 mm套管至9 m;9～73.5 m，采用130 mm口徑透孔，并下入127 mm套管至73.5 m;73.5～197 m，采用110 mm口徑透孔，并下入108 mm套管至197 m;197～197.5 m，采用95 mm口徑，并下入89 mm套管197.50 m。經(jīng)測斜數(shù)據(jù)表明，透孔糾斜成功，百米內(nèi)順利糾斜15°，為順利成孔提供了有力的保障

6．2 鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮問題

采用泥漿作沖洗液，鉆桿內(nèi)壁(鉆桿柱上部，2～4個立根)結(jié)泥皮是繩索取心鉆進的重要問題。由于鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮，縮小了鉆桿內(nèi)徑，直接阻礙打撈器和內(nèi)管總成在鉆桿柱內(nèi)升降，造成撈取巖心失敗。其主要原因是:泥漿中的固相顆粒和巖粉，在鉆桿柱高速回轉(zhuǎn)的離心力作用下，被拋向管壁，粘附在管壁上，并逐漸擠密壓實，越積越厚，形成了堅韌的泥皮。在摸索中采取合理措施，有效地解決了施工問題。具體如下:(1)鉆進時，選用無粘土沖洗液或低固相優(yōu)質(zhì)泥漿;(2)在鉆探現(xiàn)場多配置一個泥漿攪拌機，保證處理劑攪拌均勻和泥漿清凈;(3)改進泥漿循環(huán)系統(tǒng)，由于山地施工鉆場面積有限，增加循環(huán)槽長度困難，可采用增加巖屑沉淀池數(shù)量的辦法，設(shè)1個大沉淀池(6～9 m3)和3個小沉淀池(0.8 m3)，并做到勤清渣和及時更換泥漿;(4)采用除砂除泥器凈化泥漿;(5)在保證純鉆速的條件下，盡量降低鉆具轉(zhuǎn)速;(6)現(xiàn)場施工中，結(jié)垢已經(jīng)影響打撈時，在提鉆前0.5 h采用稀釋原漿的方法，使層流流動轉(zhuǎn)換成紊流沖蝕，以減小垢層的厚度，增大流動通徑，從而可有效抑制鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮問題的發(fā)生。

6．3 小間隙引起的液壓阻力問題

小間隙是指繩索取心鉆桿與孔壁之間的間隙小(2～3.25 mm)，內(nèi)管與鉆桿內(nèi)壁之間的間隙小(2.5～3 mm)。由此而引起的問題是沖洗液循環(huán)阻力大、泵壓高，這不僅增加動力消耗，而且在鉆桿柱和孔壁間產(chǎn)生過大壓力，破壞孔壁的穩(wěn)定，引起沖洗液的漏失和孔壁的坍塌掉塊，上下鉆具時，使孔內(nèi)沖洗液產(chǎn)生壓力波動式變化的壓力“激動”，造成孔壁失穩(wěn)而垮塌或地層被壓裂而帶來沖洗液漏失。

嚴格控制泵量，防止因沖洗液上返速度過快，劇烈沖刷孔壁。據(jù)有關(guān)資料介紹，沖洗液上返速度超過1.5 m/s后，動失水量增加，孔壁泥皮難以形成。因而鉆進不穩(wěn)定地層時，沖洗液上返速度應(yīng)控制在0.5～1.5 m/s。［8］

7 結(jié)語

(1)福建煤田復(fù)雜地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，巖層極其破碎且較松軟，頁巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、厚粉煤層等會吸水膨脹，孔壁失穩(wěn)從而導(dǎo)致孔壁極易坍塌，鉆探施工難度大。

(2)福建煤田施工孔深大多為1200～1400 m，選用的鉆探設(shè)備為XY－5、XY－6型鉆機及配套的柴油發(fā)電機組等。

(4)煤田深孔鉆探施工工藝:采用除砂除泥器凈化泥漿等解決鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮問題;采用封水泥透孔法糾斜;采用套管隔離及應(yīng)用優(yōu)質(zhì)防塌沖洗液法成孔解決孔內(nèi)漏失嚴重問題;特殊地層采用邊單管鉆進邊撈砂的鉆進工藝。

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