劉家窯井田深厚砂礫巖地層鉆探施工實(shí)踐

桂儒佳

(大同煤礦集團(tuán)大同地方煤炭有限責(zé)任公司)

劉家窯井田位于大同市左云縣南部，面積為38.98 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a。該礦井為同煤集團(tuán)和中海油共同投資建設(shè)規(guī)模40億m3/a煤制天然氣的配套煤礦項(xiàng)目，是同煤集團(tuán)轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略的重要組成部分，也是同煤集團(tuán)力圖打造以千萬噸礦井集群為主導(dǎo)的晉北煤炭綠色開采基地。

為給礦井建設(shè)提供可靠的地質(zhì)資料，2015年8月開始對(duì)劉家窯井田進(jìn)行補(bǔ)充勘探，截至目前井田內(nèi)完成鉆孔38個(gè)，鉆探工作量達(dá)26 727.79 m。由于該地區(qū)白堊系砂礫巖地層深厚、地層復(fù)雜、斷層發(fā)育、煌斑巖侵入等諸多因素的存在，致使該地區(qū)鉆探難度巨大。經(jīng)過不斷實(shí)踐探索后，形成了一套行之有效的針對(duì)深厚砂礫巖層的鉆進(jìn)工藝[1]，積累了在深厚砂礫巖地層進(jìn)行鉆探施工的寶貴經(jīng)驗(yàn)，順利完成了鉆探工作。本研究對(duì)深厚砂礫巖地層的鉆探施工工藝進(jìn)行詳細(xì)分析，供相關(guān)研究借鑒。

1 井田概況

1.1 地層特征

劉家窯井田位于大同煤田西北部，屬于黃土半掩蓋區(qū)，基巖僅出露于溝谷兩側(cè)，山坡上有零星出露。井田內(nèi)的地層由新至老分別為第四系、白堊系、二疊系、石炭系、奧陶系(表1)，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組，主要可采煤層為5#煤層，煤層平均厚度為9.95 m，部分鉆孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)5#煤層被煌斑巖侵入引起煤層變質(zhì)現(xiàn)象。地質(zhì)孔終孔層位均為石炭系中統(tǒng)本溪組K1標(biāo)志層，該標(biāo)志層巖性為灰褐色石灰?guī)r，層位較穩(wěn)定，厚度為1.2～6.2 m，平均為3.17 m。

1.2 鉆探施工難點(diǎn)與重點(diǎn)

(1)白堊系左云組砂礫巖地層深厚，平均厚度為524.79 m，巖石膠結(jié)性差，結(jié)構(gòu)松散，礫巖粒徑大，鉆進(jìn)阻力大，透水性強(qiáng)，鉆進(jìn)砂礫巖地層時(shí)，由于鉆頭回轉(zhuǎn)，礫石產(chǎn)生松動(dòng)并隨鉆頭回轉(zhuǎn)而發(fā)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，造成孔壁不穩(wěn)定[2]，極易發(fā)生掉塊卡鉆、鉆桿斷裂、塌孔埋鉆等事故，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率急劇下降。選擇正確的鉆進(jìn)方法，以便順利快速穿過砂礫巖地層，提高砂礫巖層鉆探效率和成功率是該地區(qū)鉆探施工的難點(diǎn)。

表1 劉家窯井田地層特征參數(shù)

(2)泥漿護(hù)壁要求泥漿不僅有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，便于攜帶巖屑，有利于穩(wěn)定孔壁，防塌防漏，而且還應(yīng)具有良好的抑制性，抑制黏土分散、泥巖造漿、黏度和密度上升，同時(shí)要求泥漿具備漏失量小、防卡、防黏、防塌等性能[3]，形成的泥餅薄而韌，以便提高沖洗液的護(hù)壁性能，減少鉆桿對(duì)地層的擾動(dòng)，確保沖洗液液柱壓力大于地層坍塌壓力，從而達(dá)到防止松散地層孔壁坍塌的目的[4]，為鉆探施工的重點(diǎn)。

(3)井田地層構(gòu)造復(fù)雜，斷層多、落差大，褶皺、裂隙發(fā)育，部分鉆孔見陷落柱、流沙層，特別是5#煤層部分被煌斑巖侵入，在鉆進(jìn)至煤層時(shí)突遇煌斑巖后，對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速、泥漿的控制要求較高，稍有疏忽極易發(fā)生燒鉆、漏采現(xiàn)象，造成煤巖芯采取率低。因此，提高巖礦芯采取率，確保施工質(zhì)量，滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求也是井田鉆探施工的重點(diǎn)[5]。

2 鉆探工藝

2.1 鉆進(jìn)方法及鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)井田地層特點(diǎn)，近年來井田內(nèi)的多數(shù)鉆孔主要采用普通雙管鉆進(jìn)方法，部分鉆孔采用繩索取芯鉆進(jìn)方法。由于普通雙管鉆進(jìn)方法技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、成孔率高，在井田內(nèi)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，得到了大規(guī)模推廣，故本研究重點(diǎn)分析該方法。該方法采用φ130 mm+3 mm復(fù)合片鉆頭開孔，穿過白堊系左云組砂礫巖地層進(jìn)入穩(wěn)定基巖0.5～1.0 m后，下入φ114 mm套管護(hù)壁，而后更換φ91 mm+3 mm復(fù)合片鉆頭鉆至終孔目的層K1灰?guī)r下，且終孔深度必須保證所用測(cè)井儀器測(cè)至最終目的層以下5 m[6]。

2.2 鉆進(jìn)設(shè)備及機(jī)具

本研究鉆進(jìn)工作采用的鉆探設(shè)備為HXY-6B型鉆機(jī)、3NBB-260型泥漿泵、17 m四腳鉆塔以及φ114 mm套管，鉆頭采用φ130 mm+3 mm、φ91 mm+3 mm金剛石復(fù)合片鉆頭，采用加大鉆頭外徑一次性成孔的方法，目的是增大鉆孔與鉆具、鉆桿的環(huán)狀間隙，減少?zèng)_洗液上返阻力及環(huán)空壓力，避免泵壓過高，減少對(duì)孔壁的沖刷[7]，同時(shí)避免孔壁縮徑或孔壁上有探頭石導(dǎo)致套管下不到預(yù)定位置，可有效解決套管下入不順暢的問題。若采用小孔徑鉆進(jìn)再擴(kuò)孔下套管方法，則會(huì)破壞孔內(nèi)原有的壓力平衡，使得孔壁上破碎巖石在地層壓力的作用下向孔內(nèi)移動(dòng)形成掉塊，擴(kuò)孔時(shí)需要重新形成泥皮護(hù)壁，相當(dāng)于重新鉆進(jìn)，鉆探效率則大打折扣。而采用大口徑一次性鉆進(jìn)至基巖再下套管的方法，能夠節(jié)省擴(kuò)孔時(shí)間，提高鉆探效率。

2.3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

在一定條件下，轉(zhuǎn)速越快，鉆速也越高。根據(jù)薩爾基索夫研究理論，鉆桿的彎曲度與鉆壓、鉆速均成正比，彎曲的鉆桿在旋轉(zhuǎn)過程中必然會(huì)敲擊和摩擦孔壁，造成孔壁不穩(wěn)定[8]，此外，彎曲的鉆桿對(duì)鉆孔軌跡也會(huì)產(chǎn)生影響，造成孔斜。劉家窯井田鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

2.4 泥漿系統(tǒng)

2.4.1 泥漿配方

根據(jù)井田地層情況，本研究選用鉀銨基聚合物優(yōu)質(zhì)低固相泥漿作為全孔沖洗液，采用鉀銨基聚合物優(yōu)質(zhì)低固相泥漿(KHm-NH4-HPAN)能夠保持沖洗液的低密度、低失水、高剪切、流動(dòng)性、潤(rùn)滑性，有利于提高鉆探效率。在鉆進(jìn)過程中，可以減少環(huán)空阻力、壓力激動(dòng)，防止對(duì)孔壁的沖刷，實(shí)現(xiàn)平衡鉆進(jìn)，保護(hù)孔壁穩(wěn)定，同時(shí)減少對(duì)巖礦芯的沖刷，提高巖礦芯采取率。泥漿配方為：膨潤(rùn)土(含量為1%～2.5%)+增黏劑(KP241)(含量為1.5%～2.5%，主要成分有優(yōu)質(zhì)鈉土、聚丙烯酰胺和腐植酸鉀)+水解聚丙烯腈銨鹽(NH4-HPAN)，根據(jù)地層變化情況，部分鉆孔可增加腐植酸鉀(KHm)(含量為0.5‰～1‰)、廣譜護(hù)壁劑(GSP)(含量為0.2%～0.5%)以及810隨鉆堵漏劑(含量為0.3%～1%)，以進(jìn)一步降低泥漿的慮失量，增強(qiáng)漿液的流動(dòng)性，提高防塌、防卡、防漏效果。

2.4.2 泥漿作用機(jī)理

聚合物(PAM、NH4-HPAN)的高分子長(zhǎng)鏈溶入破碎帶及松散層后，形成富集層，并橫向封閉巖石的微細(xì)裂縫，有利于保持破碎巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。當(dāng)濃度一定時(shí)，大分子長(zhǎng)鏈在孔壁上多點(diǎn)吸附形成憎水膜對(duì)黏土顆粒起到包被作用，控制沖洗液自由水向孔壁滲透，此外，泥漿體系中GSP和801堵漏劑共同作用于孔壁上，能夠形成一種特殊的水化膜，有利于保持孔壁穩(wěn)定。

2.4.3 泥漿配制

應(yīng)嚴(yán)格按照比例配制基漿，充分?jǐn)嚢杈鶆?，時(shí)間大于20 min，而后將KP241按比例邊攪拌邊撒入，不得快速倒入，攪拌約10 min，將NH4-HPAN按照比例緩慢倒入，繼續(xù)攪拌約5 min，若需調(diào)節(jié)，可按順序再繼續(xù)加入KHm、GSP、810隨鉆堵漏劑，攪拌均勻即可。配漿過程中應(yīng)充分?jǐn)嚢?，泥漿使用過程中需要經(jīng)常清理循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)防止雜物污染，循環(huán)槽長(zhǎng)度不宜短于15 m，沉淀池不少于2個(gè)[10]。

2.5 套管護(hù)壁工藝

在復(fù)雜地層鉆進(jìn)過程中，鉀銨基聚合物優(yōu)質(zhì)低固相泥漿的護(hù)壁作用不容忽視，但其孔壁穩(wěn)定的維護(hù)作用具有時(shí)效性，當(dāng)鉆孔周期較長(zhǎng)，孔壁在外部物理化學(xué)作用下失去穩(wěn)定時(shí)，單純采用泥漿護(hù)孔難以確?？變?nèi)安全[11]。為此，本研究采用沖洗液和套管相結(jié)合的綜合護(hù)孔方法，并結(jié)合典型事故案例來分析采用該方法的必要性。①案例1，井田內(nèi)P603孔在穿過白堊系左云組砂礫巖層時(shí)，為節(jié)約鉆探成本，未下入套管護(hù)壁，在施工孔深至550 m時(shí)發(fā)生掉塊卡鉆、鉆桿折斷事故，在處理事故的20多天內(nèi)又發(fā)生了塌孔埋鉆事故，最終被迫放棄處理，挪孔重打；②案例2，井田內(nèi)L302鉆孔深842.94 m，白堊系左云組埋深672.51 m，施工方僅下入長(zhǎng)為357.35 m的套管進(jìn)行護(hù)壁，雖然該孔打至目的層，但在測(cè)井過程中，由于礫巖層深厚，套管未下入基巖位置，未套管護(hù)壁的礫巖段發(fā)生掉塊，將測(cè)井探管卡于孔深830 m 處，上下無法活動(dòng)，施工方盡管組織了多名專家進(jìn)行研討，采用了多種方法進(jìn)行打撈，但仍發(fā)生了將放射源遺落孔內(nèi)的事故，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，并嚴(yán)重影響了施工工期。因此，在鉆孔穿過砂礫巖層時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的鉆進(jìn)情況，適時(shí)下入套管護(hù)壁，不可強(qiáng)行裸孔鉆進(jìn)，同時(shí)套管必須下入至穩(wěn)定基巖位置以下0.5～1 m處，套管不僅僅起到護(hù)壁的作用，而且能夠保障測(cè)井工作順利進(jìn)行，避免上述類似事故發(fā)生。下套管時(shí)的注意點(diǎn)有：①套管下端應(yīng)安裝套管鞋和木引鞋，在套管外壁涂抹黃油類潤(rùn)滑劑并在潤(rùn)滑層外纏繞一層PVC塑料薄膜，薄膜外再涂抹一層黃油；②下管時(shí)套管螺紋應(yīng)擰緊，每節(jié)套管螺紋應(yīng)涂抹松香防滑劑或其他防脫扣材料，擰卸套管時(shí)禁用管鉗或自由鉗[12]；③下管時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制下管速度，中途遇阻時(shí)應(yīng)提出套管，重新通孔，嚴(yán)禁采用沖擊或開車強(qiáng)力扭轉(zhuǎn)處理；④泵入套管與孔壁環(huán)狀間隙中的泥漿應(yīng)具備良好潤(rùn)滑性能[10]。

3 巖礦芯采取工藝

在井田內(nèi)上部白堊系地層已熟知的情況下，該層位采用百米取芯判層方法，即每100 m取芯1次。采用百米取芯判層方法能夠節(jié)省非鉆時(shí)間，減少下鉆次數(shù)，減少鉆桿對(duì)孔壁的擾動(dòng)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。穿過白堊系砂礫巖層后開始采用普通雙管鉆具采取巖芯。為提高巖礦芯采取率，可采取的措施有：①復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)限制回次進(jìn)尺，一般不超過1.5 m；②回次鉆進(jìn)時(shí)間不超過1 h，嚴(yán)禁片面追求進(jìn)尺而延長(zhǎng)回次鉆進(jìn)時(shí)間，忽視巖礦芯采取率；③精心操作，動(dòng)作平穩(wěn)，防止提鉆過程中巖礦芯脫落；④鉆進(jìn)過程中保持壓力均勻，嚴(yán)禁隨意提動(dòng)鉆具造成巖礦芯重復(fù)破碎而流失；⑤鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)巖芯堵塞時(shí)應(yīng)及時(shí)提鉆，以減少巖礦芯磨耗；⑥鉆進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格按照配制要求使用泥漿，控制泵壓、泵量，以保持孔壁穩(wěn)定[5]。

4 鉆進(jìn)效果分析

本研究采用新的鉆進(jìn)工藝共完成了38個(gè)鉆孔，鉆探工作量達(dá)26 727.79 m，P603鉆孔因采用普通泥漿且未使用套管護(hù)壁，造成報(bào)廢，報(bào)廢工作量達(dá)550 m。鉆孔情況及技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 鉆孔情況及技術(shù)指標(biāo)

綜合分析可知，采用優(yōu)質(zhì)泥漿和套管護(hù)壁工藝相結(jié)合的綜合護(hù)孔方法具有孔內(nèi)事故少、施工周期短、鉆探效率高、無塌孔現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，有助于降低鉆探施工成本[13]，而采用普通泥漿且未套管護(hù)壁的方法后，孔內(nèi)事故多，施工周期長(zhǎng)，隱患巨大，易造成鉆孔報(bào)廢和大量經(jīng)濟(jì)損失。

5 結(jié) 論

(1)采用優(yōu)質(zhì)泥漿和套管護(hù)壁工藝相結(jié)合的綜合護(hù)孔方法可以確保鉆探施工高效進(jìn)行，能夠滿足在特厚砂礫巖地層鉆進(jìn)時(shí)保護(hù)孔壁、防掉塊、防坍塌、提高鉆進(jìn)效率的要求。

(2)鉀銨基聚合物優(yōu)質(zhì)低固相泥漿相對(duì)于普通泥漿砂而言，在礫巖層及破碎復(fù)雜地層中的應(yīng)用效果更好，維護(hù)方便。

(3)套管必須下入堅(jiān)硬基巖層，套管護(hù)壁工藝的應(yīng)用保障了鉆探及測(cè)井的安全性，防止掉塊卡鉆，無遇阻夾卡測(cè)井儀器的現(xiàn)象。

(4)鉆進(jìn)中提下鉆操作升降機(jī)時(shí)應(yīng)平穩(wěn)，減小慣性作用，嚴(yán)禁鉆頭猛沖孔底，嚴(yán)禁使用彎曲鉆桿，避免碰撞敲打孔壁，確?？妆诜€(wěn)定。

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