礦井復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖層鉆進(jìn)技術(shù)研究

陳鐵軍

（冀中能源股份有限公司葛泉礦，河北 邢臺 054107）

軟巖層是巖石經(jīng)過復(fù)雜的地質(zhì)作用和自然因素影響而形成的，軟巖具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和觸變性，因此在此類地質(zhì)巖層鉆進(jìn)過程中，因其自身原因沖洗液護(hù)壁困難，因機(jī)械破碎原因巖屑過多，容易引起埋鉆、塌孔、鉆孔縮徑卡鉆、抱鉆等鉆孔事故，造成鉆頭壽命低，巖芯采取率低，易導(dǎo)致事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響鉆探施工正常鉆進(jìn)。

1 軟巖物理力學(xué)性質(zhì)

軟巖物理力學(xué)性質(zhì)指軟巖在水作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，對巖體有突出影響的主要包括可塑性、膨脹性、易擾動性。軟巖層在鉆探過程當(dāng)中比較容易發(fā)生鉆孔事故，主要是與軟巖的可塑性、膨脹性、易擾動性密不可分。

1.1 軟巖的可塑性

軟巖的可塑性是指由軟巖中泥質(zhì)成分的親水性和結(jié)構(gòu)造面擴(kuò)容共同引起的，與黏土礦物成分吸水軟化有較大關(guān)系。軟巖可塑性的變形機(jī)制比較復(fù)雜，與軟巖結(jié)構(gòu)面擴(kuò)容機(jī)制和黏土礦物吸水軟化機(jī)制同時(shí)存在。

1.2 軟巖的膨脹性

軟巖的膨脹性是軟巖遇水發(fā)生體積增大稱為軟巖的膨脹性。主要以吸水膨脹變形為主，根據(jù)產(chǎn)生膨脹機(jī)理可分為內(nèi)部膨脹性、外部膨脹性和應(yīng)力擴(kuò)充膨脹性。

1.3 軟巖的易擾動性

由于泥巖構(gòu)造主要由黏土礦物組成，其次為碎屑礦物和有機(jī)質(zhì)礦物，由于質(zhì)地松軟、裂隙發(fā)育，遇水極易吸水膨脹，對加載、卸載、振動較為敏感，具有遇水吸水膨脹軟化特點(diǎn)。

1.4 軟巖的可鉆性

在軟巖地層鉆探過程中，因其本身含黏土礦物較多，且質(zhì)地松軟，鉆進(jìn)過程中極易遇水膨脹變軟，極易造成鉆孔縮徑，引起卡鉆或鉆桿折斷事故；另外，由于巖層較軟，易造成堵鉆頭、造成鉆頭磨損率高，鉆頭壽命大大降低，進(jìn)而引發(fā)事故，影響正常鉆探施工。

2 軟巖鉆進(jìn)效率低的原因分析

1.一般情況下，鉆孔施工在鉆進(jìn)軟巖時(shí)，一旦鉆頭進(jìn)入巖層內(nèi)，由于其硬度低、堅(jiān)固系數(shù)低、泥質(zhì)黏土含量大、粘度較大，鉆頭在切割、破碎、攪拌過程中分離出來的粘稠膠質(zhì)泥巖與部分砂巖易沉積孔底，由于其隙度較小，粘度大，細(xì)小顆粒巖粉結(jié)構(gòu)被水沖散后，又很快沉淀、固結(jié)，在鉆進(jìn)過程中，若供水水壓和水量不足以順暢排碴時(shí)，就極易發(fā)生埋鉆事故，造成巖粉抱死鉆桿，無法轉(zhuǎn)動、起拔，發(fā)現(xiàn)鉆探事故，嚴(yán)重影響正常鉆進(jìn)施工[1]。

2.鉆孔在鉆進(jìn)砂質(zhì)泥巖時(shí)，由于砂質(zhì)泥巖的主要成分為砂質(zhì)顆粒，其膠結(jié)物為黏土，鉆進(jìn)過程中，鉆頭旋轉(zhuǎn)切割破碎泥巖，產(chǎn)生大量的砂質(zhì)顆粒巖粉，鉆孔下斜角度較大時(shí)，孔底巖粉難以順暢排出，造成大量砂質(zhì)顆粒巖粉持續(xù)不斷地圍繞在鉆桿周圍，逐漸將鉆桿和鉆頭埋死抱緊，當(dāng)鉆桿所承受摩擦力大于鉆機(jī)的扭矩時(shí)，發(fā)生鉆桿、鉆頭無法旋轉(zhuǎn)、退進(jìn)，就發(fā)生埋鉆事故。

3.在地質(zhì)構(gòu)造帶、背向斜軸部等原巖應(yīng)力集中區(qū)域，鉆孔鉆進(jìn)軟巖時(shí)，因鉆孔的切割、破碎改變了鉆孔周圍巖層的應(yīng)力平衡狀態(tài)，巖層應(yīng)力的重新分布而在鉆孔壁周圍形成高應(yīng)力集中區(qū)，鉆進(jìn)過程中孔壁應(yīng)力平衡狀態(tài)不平衡造成孔壁崩裂，引發(fā)鉆孔塌孔，鉆孔堵塞，造成鉆孔返水、排碴困難，鉆桿扭矩變大、鉆機(jī)負(fù)荷變大，鉆孔不能正常施工，也是影響鉆孔施工效率的重要因素之一。

4.鉆孔鉆進(jìn)軟巖過程中，容易造成堵鉆頭、鉆桿、縮徑卡鉆等現(xiàn)象，以致引發(fā)鉆孔卡鉆、斷鉆、掉鉆具、鉆頭等鉆探事故，處理鉆探事故需要人力、物力、財(cái)力，使鉆探成本增加、效率降低，還有可能造成廢孔，使鉆探施工承受較大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 軟巖鉆進(jìn)過程中主要存在的問題

由于軟巖黏土基質(zhì)含量較高，膠結(jié)程度較差，吸水時(shí)往往具有膨脹性和易溶性，因此在鉆進(jìn)過程中會給沖洗液維護(hù)、孔壁不穩(wěn)定、塌孔等帶來各種問題。

1.軟巖鉆進(jìn)沖洗液控制難：由于軟巖的黏土礦物含量較高，膠結(jié)程度較差，吸水極易膨脹，水化分散能力強(qiáng)，造成沖洗液的流變性難于控制。在鉆進(jìn)過程中，隨著軟巖中黏土礦物不斷被水化分散，沖洗液的黏度逐漸增加，過高黏度的沖洗液的流動性較差，給凈化工作帶來極大影響，造成濾失量損失大，難以控制。

2.鉆孔揭露軟巖時(shí)，軟巖遇水吸水體積增大膨脹，鉆進(jìn)過程中鉆孔上部孔徑變小，造成鉆孔縮徑現(xiàn)象，鉆孔提鉆時(shí)阻力變大，提鉆困難。

3.軟巖鉆進(jìn)過程中由于巖層硬度小，鉆進(jìn)速度快，巖粉不能及時(shí)排出，造成鉆頭、鉆具、鉆桿淤堵，鉆進(jìn)過程中鉆頭切割破碎巖能力大大降低，鉆進(jìn)速度減緩，影響鉆探正常進(jìn)尺[2]。

4 針對軟巖鉆進(jìn)效率低的應(yīng)對措施

1.機(jī)臺必須配備鉆探經(jīng)驗(yàn)豐富的高素質(zhì)人員操作鉆機(jī)，并嚴(yán)格遵守有關(guān)鉆探操作規(guī)程，施工前檢修保養(yǎng)鉆機(jī)到位，保證鉆機(jī)等設(shè)備處于完好狀態(tài)，確保鉆機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.合適的鉆孔結(jié)構(gòu)。

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)：開孔前必須詳細(xì)了解設(shè)計(jì)及周邊巖層地質(zhì)情況，如周邊已有施工的鉆孔，則應(yīng)對已鉆出的巖芯進(jìn)行詳細(xì)的分析，設(shè)計(jì)出合理的鉆孔結(jié)構(gòu)。一般應(yīng)選用直徑133mm 開孔鉆具，穿過覆蓋層后下入直徑127mm 套管（套管底部可用水泥固結(jié)，以防止套管下沉），再改用直徑113mm 鉆進(jìn)至能完全坐穩(wěn)套管后下入直徑108mm 套管，再改用直徑94mm 鉆具鉆進(jìn)，可暫時(shí)不下入直徑89mm 套管，以防止擴(kuò)孔難以起拔，但直徑94mm鉆具需盡可能深，再改直徑75mm取芯鉆進(jìn)。

（2）軟巖鉆進(jìn)鉆頭的合理選擇：由軟巖地層巖石硬度低、強(qiáng)度小，可在小的軸向壓力下切入巖石，當(dāng)切入深度較大時(shí)，巖粉的碎屑顆粒也較大，但容易破碎成小顆粒；鉆速很快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的巖粉量較大，要求鉆頭、鉆桿通水量較大，鉆孔容易排粉；排粉困難時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大鉆頭外徑，提高排粉能力；軟巖層黏土基質(zhì)含量較高，黏結(jié)性大，軟巖遇水吸水體積增大膨脹，鉆進(jìn)過程中鉆孔上部孔徑變小，容易出現(xiàn)鉆孔縮徑現(xiàn)象，造成鉆孔提鉆時(shí)阻力變大，不容易提鉆，因此，針對此種地質(zhì)構(gòu)造層，在鉆頭選擇上，應(yīng)選用質(zhì)地較好的硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行作業(yè)。同時(shí)，為了增加鉆孔水量和水壓，保證正常排粉，最好選取硬質(zhì)合金鉆頭上加大鉆頭出刃和帶筋骨的鉆頭鉆探。

（3）合適的鉆具組合：因軟巖具有較強(qiáng)的塑性變形，鉆具在鉆進(jìn)作業(yè)高速旋轉(zhuǎn)中易與地層巖壁摩擦力，因此，針對軟巖地層鉆進(jìn)問題，要提前準(zhǔn)備和計(jì)劃鉆具組合，以簡化、高效的原則搭配鉆具，在預(yù)防卡鉆的同時(shí)，減少施工浪費(fèi)，節(jié)約成本。

（4）軟巖淺孔鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)采用光桿鉆桿施工，并配以風(fēng)水混合聯(lián)合排碴方式，其工藝流程為鉆進(jìn)－切割－破碎－風(fēng)水混合－孔底排碴。風(fēng)水混合排碴方式要能隨時(shí)控制孔內(nèi)排碴的干濕程度，保證巖粉排碴通暢，不會造成埋鉆卡鉆事故。

（5）軟巖深孔鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)采用螺紋鉆桿鉆進(jìn)，水力排碴方式進(jìn)行鉆探施工，鉆孔內(nèi)的巖粉在水量水壓的作用下，通過螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)，將鉆孔內(nèi)混合巖粉的水流沿孔壁旋轉(zhuǎn)擠壓，當(dāng)鉆孔供水水壓壓力大于孔內(nèi)水壓時(shí)，在孔內(nèi)形成較為明顯的瞬時(shí)激流和脈沖水流，通過鉆孔水?dāng)y帶鉆孔巖粉碎屑，將孔內(nèi)的巖粉碎屑有效地排出，達(dá)到防止鉆孔內(nèi)巖粉沉淀，發(fā)生抱鉆、埋鉆的目的。螺紋鉆桿在鉆進(jìn)過程中通過自身的螺旋曲面旋轉(zhuǎn)，持續(xù)不斷地對鉆孔內(nèi)巖粉顆粒進(jìn)行破碎、切割、攪拌，能夠?qū)⒖變?nèi)的巖粉與鉆孔供水充分混合，保證鉆孔的排碴順暢。采用攜帶導(dǎo)向等鉆具鉆進(jìn)方法時(shí)，使用靜水壓排碴，要保證靜水壓力必須大于2MPa，并且在鉆孔鉆進(jìn)過程中要根據(jù)巖層的軟硬程度控制好鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度和給進(jìn)壓力。鉆機(jī)的給進(jìn)壓力極限是固定的，鉆機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)壓力可以在13MPa～15MPa，旋轉(zhuǎn)壓力過大時(shí)，容易出現(xiàn)卡鉆事故，正常鉆進(jìn)時(shí)的壓力要比最大壓力小4MPa～5MPa，防止卡鉆事故發(fā)生。

3.采取護(hù)壁堵漏的辦法可有效應(yīng)對軟巖巖層中的鉆孔問題。在鉆孔施工過程中，為了應(yīng)對復(fù)雜地層，可有效采取護(hù)壁堵漏的方法。護(hù)壁也叫護(hù)孔，主要是解決孔壁的穩(wěn)定問題；堵漏主要是解決孔內(nèi)沖洗液的漏失問題。護(hù)壁堵漏是治理解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)的有效手段，是預(yù)防孔內(nèi)事故的重要措施。

4.正確使用套管。為保證孔口安裝大閥門控制疏放鉆孔水量，方便鉆孔進(jìn)行注漿，要依據(jù)孔口水壓計(jì)算，孔內(nèi)下入套管的深度，有效預(yù)防鉆孔出水。此外，套管是一種有效、可靠、速度快的護(hù)壁堵漏方法。在施工過程中，鉆桿旋轉(zhuǎn)對孔壁進(jìn)行碰撞敲擊，單純依靠沖洗液護(hù)壁，很難保證孔壁長時(shí)間穩(wěn)定，因此下入套管是最穩(wěn)固的方法，下入套管時(shí)，可在套管底部擰緊合金鉆頭或薄壁金剛石鉆頭，合金鉆頭的鋼體外徑與套管接箍絲扣匹配，保證連接牢固，在遇到孔內(nèi)塌孔或孔底巖粉碎碴較多下管不順利時(shí)可大大增加下管成功率[3]。

5.靈活應(yīng)用壓力平衡鉆進(jìn)的方法。壓力平衡鉆進(jìn)法是根據(jù)地層特點(diǎn)，現(xiàn)場條件及鉆孔失平衡的具體原因，抓住失去平衡的主要因素，采取相應(yīng)措施，通過改變沖洗液的比重，提鉆回灌，增大環(huán)裝間隙，控制提下鉆速度等進(jìn)行人為的調(diào)整，暫時(shí)恢復(fù)壓力平衡狀態(tài)，保證安全，是維護(hù)正常鉆進(jìn)的一種方法。這種方法不需要什么材料，也不需要設(shè)備，簡單易行，只要用的及時(shí)、正確，有時(shí)在地質(zhì)條件較為復(fù)雜，采用其他方法難以實(shí)施的情況下也能取得奇效，立即使鉆機(jī)轉(zhuǎn)危為安，恢復(fù)正常鉆進(jìn)，收到意想不到的效果。即使是清水施工的鉆孔，堅(jiān)持回灌或使鉆頭由不返水變?yōu)榉邓?，也能解決深部鉆孔輕度的坍塌問題。

5 鉆探事故的處理

5.1 孔內(nèi)事故處理

鉆桿連接方式一般采用平扣或錐扣絲扣的連接方式，當(dāng)鉆桿絲扣磨損到一定程度或鉆桿在旋轉(zhuǎn)扭矩較大，超過鉆桿所能承受的扭矩時(shí)，鉆桿絲扣或鉆桿有可能發(fā)生斷鉆，造成事故。鉆桿脫扣一般用正絲公錐進(jìn)行撈取，如果在斷鉆后未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，鉆桿斷鉆處可能會出現(xiàn)喇叭口或劈裂現(xiàn)象，采用公錐進(jìn)行撈取時(shí)，會在斷鉆頭處造成與孔壁夾死的現(xiàn)象，應(yīng)先磨掉斷鉆頭4cm 以上再撈取。當(dāng)孔內(nèi)巖層破碎塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重或孔底段巖粉碎屑較多時(shí)，先把公錐底部打眼四個(gè)作為出水口，使公錐下端作為一個(gè)切割、破碎的切削鉆具，通過提前送水沖洗掃孔，鉆進(jìn)過程中要輕壓慢進(jìn)，謹(jǐn)慎操作，控制好合適的鉆進(jìn)速度和給進(jìn)壓力，以防止損壞打撈鉆具或淤堵公錐的出水孔，通過如此反復(fù)掃孔到鉆桿事故頭處錐取；內(nèi)管的撈?。寒?dāng)孔內(nèi)斷鉆整套鉆具時(shí)，因鉆具外管孔徑較大，無法錐取外管，應(yīng)考慮撈取內(nèi)管總成，首先在下入鉆具前，磨掉上擴(kuò)孔器，使矛頭完全裸露在鉆具之外，然后把打撈器放在鉆具的鉆頭內(nèi)臺階上，讓鉆具內(nèi)的打撈器勾套事故鉆具裸露在孔內(nèi)的矛頭進(jìn)行撈取。

5.2 夾鉆、埋鉆事故的處理

當(dāng)遇到夾鉆、埋鉆事故時(shí)，首先要保證沖洗液的正常循環(huán)，鉆孔供水壓、水量充足，用最低檔回轉(zhuǎn)鉆具，上下起拔，盡量將孔內(nèi)的巖粉排出，減小鉆桿旋轉(zhuǎn)阻力，直到鉆孔返水變清、孔內(nèi)巖粉碎屑減少，鉆桿阻力變小時(shí)，再緩慢提升。嚴(yán)禁在鉆桿旋轉(zhuǎn)阻力較大時(shí)強(qiáng)行進(jìn)行硬拉強(qiáng)頂?shù)囊靶U操作行為，這樣只會造成折鉆斷鉆后果，無論是正扣絲錐還是反扣絲錐處理都非常困難。

5.3 縮徑卡鉆的原因及預(yù)防

1.鉆孔發(fā)生縮徑卡鉆多在含泥質(zhì)或黏土較多礦物的巖層，其被鉆孔揭露后吸水膨脹造成鉆孔縮徑變小，其預(yù)防方法是盡快鉆穿泥巖段地層，并下入套管，盡量減少鉆具在裸眼中暴露的時(shí)間。

2.選擇合適的沖洗液，其性能要優(yōu)良，濾失量要低，流動要好，粘切要適當(dāng)，降低有害固相含量，合理選用沖洗液密度。同時(shí)加強(qiáng)短起下鉆和長起下鉆是預(yù)防縮徑卡鉆的重要措施。

3.軟巖鉆進(jìn)過程中，要保證供水壓力和供水流量，確?？椎讕r粉沖洗干凈；在軟巖鉆進(jìn)過程中，要慢速鉆進(jìn)，穿過軟巖后，應(yīng)反復(fù)順孔，防止縮徑卡鉆；施工過程中發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)阻力增大，并有憋泵現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)停止給壓鉆進(jìn)，保證供水壓力及水量，使其能夠正常循環(huán)，方可正常鉆進(jìn)，禁止有異常時(shí)強(qiáng)行提拉鉆具，冒險(xiǎn)作業(yè)。

4.停止鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)將鉆具提離到軟巖上部一定高度，最好在軟巖頂上部位置，保證軟巖縮徑不卡鉆、巖粉沉淀不埋鉆，重新鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)先沖孔后鉆進(jìn)，緩慢鉆至孔底后方可正常鉆進(jìn)。

6 結(jié)語

復(fù)雜地質(zhì)條件下，在軟巖鉆進(jìn)過程中，合理選擇鉆具及鉆進(jìn)方法，孔內(nèi)下設(shè)套管護(hù)壁及注漿堵漏，鉆進(jìn)過程中的給進(jìn)壓力及給進(jìn)速度的有效控制，可有效避免鉆孔塌孔、卡鉆、埋鉆等事故的發(fā)生，對于提高復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖鉆探施工效率及質(zhì)量，降低工程成本具有十分重要的意義。綜上所述，軟巖巖層鉆孔問題不僅是解決好其他問題的前提和基礎(chǔ)，而且是影響施工效率、質(zhì)量的主要障礙，故應(yīng)采取應(yīng)對措施來解決此類問題。