鉆井技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

王鵬然

摘 要：本文簡要回顧我國煤田地質(zhì)勘探發(fā)展歷程及目前對鉆探設(shè)備的要求和使用情況，闡述了鉆探過程中常用鉆井液體系及常見處理劑情況，分析了常見井內(nèi)事故產(chǎn)生原因及處理方法，簡要介紹用于煤田地質(zhì)勘探的兩項(xiàng)鉆井新技術(shù)，最后歸納總結(jié)出科技創(chuàng)新以及新方法、新技術(shù)推廣應(yīng)用在煤田地質(zhì)勘探中的重要性。

關(guān)鍵詞：煤田地質(zhì)；取芯；鉆探工藝；巖心鉆探

中圖分類號： P634 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）27-163-21 我國煤田地質(zhì)勘探的現(xiàn)狀和發(fā)展過程

1.1 煤田地質(zhì)勘探的重要性

當(dāng)今我國經(jīng)濟(jì)正在飛速發(fā)展，煤田資源作為國家的戰(zhàn)略儲備資源，煤炭資源的開發(fā)利用對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著決定性的作用。隨著煤炭工業(yè)的高速發(fā)展，對于煤田地質(zhì)勘探工作提出了更高的要求，為了使煤田地質(zhì)勘探技術(shù)迅速而健康的發(fā)展，既要根據(jù)我國煤田地質(zhì)實(shí)際和煤炭工業(yè)要求，又要考慮我國的技術(shù)現(xiàn)狀和世界先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。

1.2 當(dāng)今煤田地質(zhì)勘探發(fā)展歷程

新中國成立初期，我國從事煤田地質(zhì)勘查工作的技術(shù)人員只有500多名，設(shè)備只有簡單的幾十臺鉆機(jī)，只能從事簡單的地質(zhì)勘查工作。經(jīng)過五十多年的發(fā)展，國家大力發(fā)展地質(zhì)行業(yè)專業(yè)技術(shù)人員，我國煤田地質(zhì)勘探飛速發(fā)展，到現(xiàn)在形成了有測量、鉆探、物探、巖礦化驗(yàn)等多專業(yè)相配合的現(xiàn)代化勘探隊(duì)伍。

20世紀(jì)的我國的鉆探水平只能使用普通的合金鉆頭，鉆孔的直徑比較大，巖芯的采取率不高，生產(chǎn)效率較低。經(jīng)過五六十年的發(fā)展，鉆探技術(shù)不斷完善改進(jìn)，各種鉆井新技術(shù)的研發(fā)與使用，優(yōu)化了鉆井參數(shù)，鉆井效率與鉆孔合格率大幅度提高，已經(jīng)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

2 煤田地質(zhì)勘探對鉆探設(shè)備的要求

2.1 鉆探設(shè)備的發(fā)展

鉆探設(shè)備是煤田鉆探工作的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，新中國成立后，國家大力發(fā)展煤炭行業(yè)裝備制造業(yè)，各省市也專門成立了自己的煤機(jī)廠，引進(jìn)國際現(xiàn)金技術(shù)研發(fā)適合本地的鉆井設(shè)備。

由過去的百米鉆機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的1000-3000米的巖芯鉆機(jī)，柴油機(jī)、泥漿泵等鉆機(jī)的配套設(shè)備也得到了大幅度的發(fā)展。由于近些年我國的淺部煤田基本上已經(jīng)勘探完成，今后的勘探方向是向深、遠(yuǎn)、難的發(fā)展，所以大力發(fā)展深井巖芯鉆機(jī)已適應(yīng)深部煤田勘探問題迫在眉睫。

2.2 煤田地質(zhì)勘探中鉆探設(shè)備使用情況

以河北煤田地質(zhì)局為例。河北煤田地質(zhì)局下屬四個地質(zhì)大隊(duì)，主要采用THJ-2000巖心鉆機(jī)。這種鉆機(jī)具備提升能力大、行程長、轉(zhuǎn)速高、扭矩大等特點(diǎn)。鉆機(jī)可使用電動機(jī)或柴油機(jī)兩種動力帶動，與之匹配的泥漿泵為三缸單作用臥式活塞泵型號：3NBB260-35。該泵采用了汽車變速箱，可變五種流量，主要用于巖芯、煤層鉆進(jìn)或煤田地質(zhì)、冶金地質(zhì)、水文地質(zhì)工程孔鉆進(jìn)中供給沖洗液用，沖洗液可為泥漿泵、清水、煤水等，亦可作為以上的輸液泵。

在當(dāng)今激烈競爭中，煤炭部門與冶金、石油、地礦等部門相比設(shè)備相對落后，往往在競爭中落伍，中標(biāo)機(jī)會相對減少。為適應(yīng)當(dāng)今市場的發(fā)展，在地質(zhì)行業(yè)脫穎而出，使用生產(chǎn)效率高的鉆井設(shè)備勢在必行。

3 煤田地質(zhì)勘探中鉆井液體系及常見處理劑

3.1 鉆井液作用

鉆井過程中，選用優(yōu)質(zhì)鉆井液能提高鉆井效率，減少井內(nèi)事故的發(fā)生。優(yōu)質(zhì)的鉆井也具有穩(wěn)固井壁、平衡地層壓力、潤滑鉆頭、懸浮攜帶巖屑等作用。鉆井液作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①鉆進(jìn)的過程中，在地層和鉆井液液柱的壓力作用下鉆井液中的一部分水通過裂隙或者孔隙滲透到地層中，固相顆粒吸附到井壁上逐漸行程泥餅，保護(hù)井壁，防止井壁上碎小的巖石掉入井底，發(fā)生卡鉆事故。

②鉆頭不斷磨洗井底巖石，鉆井液通過泥漿泵泵入井內(nèi)，將鉆頭切屑下來的巖屑攜帶上來，沖洗井底，潤滑鉆頭，保持井底干凈，提高鉆井效率。

3.2 常用鉆井液處理劑

最初的鉆井過程中，由于地層較淺，鉆井隊(duì)主要使用清水開鉆，邊鉆進(jìn)邊補(bǔ)充清水，為了提高鉆井液的黏度等參數(shù)，只是簡單的添加一些纖維素和純堿等處理劑。為了滿足越來越高的施工要求，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和借鑒石油鉆井液參數(shù)，在清水加入膨潤土和鉆井液處理劑按照一定的比例配置鉆井液，鉆井液密度一般在1.15-1.30g/cm3，失水量控制在30ml/30min以內(nèi)。

常用的鉆井液處理劑有：①碳酸鈉（Na2CO3）俗稱純堿或蘇打，白色粉末，易溶于水呈堿性。配置新鉆井液時，主要的作用是作為（膨潤土）的分散劑使用，提高鉆井液的黏度和穩(wěn)定性降低失水量。碳酸鈉水化后，游離出來的碳酸跟離子與鉆進(jìn)巖層產(chǎn)生的Ca2+ 、Mg2+離子發(fā)生反映行程不溶于水的碳酸鹽沉淀下來，被鉆井液攜帶出井口。②氫氧化鈉（NaOH）俗稱火堿、燒堿。白色晶體，容易受潮，易溶于水。主要作用改變鉆井液的酸堿性。

以上兩項(xiàng)主要是常用的無機(jī)處理劑，為了優(yōu)化鉆井液參數(shù)，施工過程中根據(jù)實(shí)際需要添加有機(jī)處理劑改變鉆井液性能。有機(jī)處理劑主要有：①降粘劑主要作用提高鉆井的黏度，增大鉆井液懸浮能力，降低壘失量。常用的增粘劑有：鈉羧甲基纖維素（CMC）。②腐殖酸類，主要來源于褐煤。難溶于水，易溶于堿性溶液。主要作用是降粘和降濾失。常用的有腐殖酸鉀。

4 煤田地質(zhì)鉆探過程中常見孔內(nèi)事故情況、預(yù)防處理

在鉆井過程中，由于人為、設(shè)備、地層等原因時常會發(fā)生井內(nèi)事故。而煤田地質(zhì)鉆探主要采用取心鉆探。由于取心管與井壁的間隙較小，所以熟練掌握各種事故處理的方法，分析事故產(chǎn)生的原因是我們現(xiàn)場施工管理人員必須要掌握的技術(shù)。

4.1 井內(nèi)常見的鉆井故障及發(fā)生原因

①卡鉆。發(fā)生的主要原因：井下鉆遇的巖層吸水膨脹導(dǎo)致鎖緊或者是鉆進(jìn)過程由于井壁上較大的掉塊把鉆桿接頭、鉆頭卡住。

②埋鉆。由于鉆井液性能差，護(hù)壁效果不好，地層壓力差較大，鉆遇流沙層位等原因都會導(dǎo)致埋鉆的出現(xiàn)。

③燒鉆。當(dāng)鉆進(jìn)溶洞、巖層裂隙較大時，鉆井液出現(xiàn)大范圍的漏失，井底鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量得不到鉆井液的潤滑導(dǎo)致燒鉆。

④折斷或掉鉆具。鉆桿接頭磨損嚴(yán)重，接頭焊接質(zhì)量不好，鉆具長時間使用疲勞破壞，鉆進(jìn)時扭矩較大，憋鉆跳鉆嚴(yán)重都會是鉆具折斷掉入井底。

在鉆井的過程中由于操作人員人為失誤未按照操作規(guī)程違章操作也是導(dǎo)致事故發(fā)生的重要原因之一，所以加強(qiáng)生產(chǎn)一線職工的技術(shù)、安全培訓(xùn)，提高鉆探人員工作責(zé)任心，技術(shù)水平也是預(yù)防生產(chǎn)事故的重要手段。

4.2 事故一般處理方法

當(dāng)鉆井時發(fā)生長時間無進(jìn)尺、泵壓下降、排水槽泥漿明顯減少，憋鉆跳鉆等現(xiàn)象時。應(yīng)及時停止鉆井，準(zhǔn)確丈量上余。了解井內(nèi)情況認(rèn)真分析找出事故發(fā)生的原因，制定具體的解決方案。

處理事故主要有以下幾個方法：①如果鉆井液能正常循環(huán)的情況下，首先應(yīng)加大泥漿泵的排量，大排量沖洗井內(nèi)，防止事故的嚴(yán)重化。②逐漸加大鉆機(jī)的提升力，反復(fù)旗下鉆具。使鉆具逐漸松動，最后提出井下。③提鉆確定事故頭形狀位置，采取適用的矢錐等打撈工具打撈折斷、脫落的事故鉆具。④使用返絲鉆具和返絲矢錐，利用鉆機(jī)反轉(zhuǎn)分多次將事故鉆具提出井內(nèi)。此外還可以配置解卡泥漿，浸泡柴油、套銑桶等方法處理事故。

今年來河北省煤田地質(zhì)局就有多起應(yīng)用新技術(shù)成功處理事故的案例。如2012年我局承攬的峰峰礦區(qū)一號回灌試驗(yàn)井發(fā)生黏附卡鉆事故?，F(xiàn)場技術(shù)人員利用配置油基解卡鉆井液浸泡事故卡點(diǎn)61小時成功解卡。2010年該局在內(nèi)蒙古施工一口地?zé)峋@進(jìn)2150米時發(fā)生吸附卡鉆，采用柴油浸泡處理無效時，工程技術(shù)人員應(yīng)用氫氧化鈉溶液進(jìn)行浸泡解卡并成功。

5 煤田地質(zhì)勘探中鉆井新技術(shù)

5.1 繩索取芯技術(shù)

繩索取芯金剛石鉆井技術(shù)：從2000年開始繩索取芯技術(shù)逐步在我局鉆機(jī)應(yīng)用，并以其多重的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的傳播。繩索取芯鉆井工藝具有巖芯采取率高、鉆井效率高、工人勞動強(qiáng)度低、提高鉆頭使用時間、降低鉆井成本、降低事故發(fā)生率等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理主要是：

取芯管采用雙層管設(shè)計(jì)，當(dāng)巖芯充滿取芯管時，不用提鉆，使用鉆臺上小卷揚(yáng)機(jī)，打撈矛通過鉆桿水眼，將巖芯管提出井內(nèi)。極大地減少起下鉆的時間?，F(xiàn)場施工應(yīng)根據(jù)地層條件，孔深結(jié)構(gòu)，鉆井深度等多方面因素權(quán)衡選取繩索取芯技術(shù)。

5.2 氣舉反循環(huán)鉆井工藝

氣舉反循環(huán)鉆井工藝是欠平衡鉆井工藝的一種，在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，當(dāng)遇見施工地點(diǎn)干旱少水或鉆遇重大漏失地層時可以采用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)。主要采用空氣作為介質(zhì)充當(dāng)鉆井液，排出巖粉，與傳統(tǒng)鉆井液鉆井工藝相比有鉆井效率高，進(jìn)尺高，保護(hù)地下水層，成本低等特點(diǎn)。該技術(shù)逐步在我局地?zé)峋┕ぶ惺褂茫⑷〉昧肆己玫男Ч?/p>

6 結(jié)束語

煤田地質(zhì)勘探工作條件差，起步較晚，技術(shù)水平低，技術(shù)管理人員短缺這些問題都制約著煤探鉆探技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。通過國際國內(nèi)地質(zhì)勘探行業(yè)的學(xué)習(xí)，加快新技術(shù)的應(yīng)用學(xué)習(xí)，加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)，高科技專業(yè)設(shè)備的引進(jìn)購買，加強(qiáng)科研工作的力度只有這樣才能適應(yīng)當(dāng)今地勘市場的變化更上時代的補(bǔ)發(fā)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 屠厚澤.鉆探工程學(xué)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1987.

[2] 湯鳳林.巖心鉆探學(xué)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.

[3] 湯松然.繩索取芯鉆探?jīng)_洗液[M].北京：地礦部探礦工程所，1990.