復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下鉆探施工技術(shù)的實(shí)踐分析

摘要：陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司在五礦花河峪實(shí)施了大口徑瓦斯管路鉆孔工程，旨在泄壓抽采煤層瓦斯并加快礦井掘進(jìn)。面對復(fù)雜地質(zhì)條件，如地層硬度變化大，公司采用了先進(jìn)鉆探技術(shù)。，通過SPS-2000等鉆機(jī)與優(yōu)化鉆具組合，結(jié)合特定鉆井液材料，有效應(yīng)對了地質(zhì)挑戰(zhàn)。實(shí)踐表明，這些技術(shù)提高了鉆探效率與穩(wěn)定性，為類似工程提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境 鉆探施工技術(shù) 大口徑鉆孔 鉆井液性能

Practice Analysis of Drilling Construction Technology in Complex Geological Environment

GAO Guanqiang TIAN Hequan^*

Institute of Resources and Environmental Survey of Henan Province， Zhengzhou， He’nan Province， 451150 China

Abstract： Yangquan Xinyu Geotechnical Engineering Co.， Ltd. implemented a large-diameter gas pipeline drilling project in Huaheyu， Wumaohe Wukuang， Yushan， aiming to relieve pressuredepressurize and extract coal seam gas and accelerate mine excavationtunneling. Faced with complex geological conditions， such as large variations in formationsignificant changes inatum hardness， the company adopted advanced drilling technologies. Through using drilling machines such as SPS-2000 and optimized drilling tool combinations， combined with specific drilling fluid materials， it to effectively addressed geological challenges. Practice has shown that these technologies have improved drilling efficiency and stability， providing valuable experience for similar projects.

Key Wwords： Complex geological environment; DriIlling construction technology; Large-diameter drilling; Drilling fluid performance

在當(dāng)今礦產(chǎn)資源開發(fā)的浪潮中，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的鉆探施工無疑成為了一項(xiàng)技術(shù)難題。地質(zhì)構(gòu)造的多樣性、巖層的非均質(zhì)性以及與地下水的復(fù)雜分布，都極大地增加了鉆探作業(yè)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。為了確保礦產(chǎn)資源的安全、高效開采，行業(yè)必須不斷尋求并采用先進(jìn)的鉆探技術(shù)。陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司在瓦斯管路鉆孔項(xiàng)目中，面對復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，勇于探索，敢于創(chuàng)新。該項(xiàng)目不僅要求精確控制鉆孔軌跡，還需要應(yīng)對地層硬度變化、煤層氣壓力等諸多挑戰(zhàn)。通過實(shí)踐，陽泉新宇巖土工程積累了一系列在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行鉆探施工的成功經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)對于行業(yè)內(nèi)其他企業(yè)在面對類似地質(zhì)條件時(shí)，具有重要的指導(dǎo)意義。本文將深入挖掘該項(xiàng)目的施工工藝與技術(shù)實(shí)踐，為礦產(chǎn)資源開發(fā)領(lǐng)域的鉆探技術(shù)提供新的思路和借鑒。

1 工程背景與地質(zhì)條件分析

1.1工程概況

五礦花河峪瓦斯管路大口徑鉆孔工程具有重大意義，其的核心目標(biāo)是利用新型鉆井設(shè)備施工瓦斯管路鉆孔，為以達(dá)成陽煤集團(tuán)五礦煤層瓦斯的壓力釋放與抽采目標(biāo)，進(jìn)而減少作業(yè)面的初始瓦斯?jié)舛?，在保障安全的基礎(chǔ)上，加快礦井的開挖速度。同時(shí)，通過地質(zhì)鉆探、錄井、測井等作業(yè)，獲取實(shí)測地質(zhì)資料，進(jìn)一步掌握該地區(qū)地層巖性的厚度、埋深及與可鉆性程度，為后續(xù)采煤作業(yè)和地質(zhì)研究提供堅(jiān)實(shí)支撐。

工地位于山西省陽泉市平定縣冶西鎮(zhèn)的陽煤五礦花河峪風(fēng)井工業(yè)區(qū)范圍內(nèi)，計(jì)劃設(shè)置2個(gè)大尺寸瓦斯抽采管道鉆孔，兩鉆孔之間的距離大約為7 m。該區(qū)域地處太行山脈北段西側(cè)，、廟梁與及綠巖腦分水嶺以南，地勢北高南低，桃河流經(jīng)南部，這樣的地理位置和地形條件為工程施工帶來了諸多挑戰(zhàn)，對鉆探施工技術(shù)提出了更高要求。

1.2地質(zhì)條件分析

施工區(qū)域出露的地層按從老到新順序，依次有奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O?f）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C?b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C?t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P?s）（P?s）、二疊系下統(tǒng)下石盒組（P?x）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P?s）、第四系中上更新統(tǒng)（Q₂₊₃）與以及全新統(tǒng)（Q?）。各層地層巖性區(qū)別大，可鉆性等級不一樣，給鉆探施工帶來不小難題。

（1）奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O?f）在施工區(qū)域沒有直接露出地面，不過。但是，依據(jù)鉆孔資料，它的巖性是深灰色、灰色、青灰色的厚層狀石灰?guī)r，頂部因鐵質(zhì)侵染而常呈褐紅色，里面有黃鐵礦晶體，裂隙被方解石脈填充。，揭露厚度為30.00 m[ 1]"，一般厚度超100 m^[1]。

（2）石炭系上統(tǒng)太原組（C?t）在施工區(qū)域東南部有少量出露，和下伏的本溪組是連續(xù)沉積。這一組地層的厚度在113.71～137.77 m之間，平均厚度為是125.53 m，厚度從東向西逐漸減小。巖性繁雜，有灰黑色泥巖、深灰-灰黑色粉砂巖、灰白-深灰色砂巖、深灰色石灰?guī)r以及和煤層。該組含有8～12層煤，其中，15號煤層在整個(gè)區(qū)域都能開采，是主要可采煤層；14號煤層大部分區(qū)域可采；9號煤層通常有1層炭質(zhì)泥巖夾矸，多數(shù)煤層出現(xiàn)分叉，可采范圍小，屬于不可采煤層；其他煤層都不可采。在鉆進(jìn)這一地層時(shí)，要留意防止垮塌、滲漏，以及做好煤層防塌工作，保障施工安全。

（3）二疊系下統(tǒng)山西組（P?s）作為主要含煤建造之一，二疊系下統(tǒng)山西組在太原組之上連續(xù)沉積。其巖性涵蓋深灰、灰黑色泥巖，還有砂巖、灰色不同粒級砂巖與以及煤層。在施工區(qū)域東部邊緣，有少量二疊系下統(tǒng)山西組出露。該組沉積厚度處于73.04～102.75 m范圍，平均厚度達(dá)86.43 m。當(dāng)鉆孔鉆遇這一地層，要留意泥巖掉塊情況，還要做好煤層防塌工作，避免意外狀況出現(xiàn)。

（4）陸相沉積的二疊系下統(tǒng)下石盒組（P?x），在施工區(qū)域中部和及南部廣泛出露，與下伏山西組呈連續(xù)沉積狀態(tài)。它的沉積厚度在149.25～169.90 m，平均為160.08 m。施工鉆遇此地層時(shí)，關(guān)鍵是抑制地層造漿，防止泥巖因水化膨脹而坍塌，以及避免因巖性破碎而致使泥頁巖剝落，以免對鉆進(jìn)效率造成影響^[2]。

（5）二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P?s）廣泛出露于施工區(qū)域大部，殘留厚度168.10 m以上。鉆遇時(shí)，同樣需要抑制地層造漿，防止泥巖坍塌和剝落，確保鉆孔穩(wěn)定。

（6）第四系中上更新統(tǒng)（Q₂₊₃）和全新統(tǒng)（Q?）廣泛出露于施工區(qū)域，主要由風(fēng)成黃土、砂土、礫石等沖洪積層組成，厚度分別為0～-12.70 m和0～-5.00 m，與下伏地層呈角度不整合接觸。鉆遇這兩層時(shí)，需要防止地層漏失及和坍塌，確保施工安全^[3]。

2 鉆探施工工藝與技術(shù)實(shí)踐

2.1施工設(shè)備與鉆具組合

該工程采用了多種先進(jìn)施工設(shè)備，以滿足不同施工階段需求。（1）引導(dǎo)孔施工主要依賴SPS-2000鉆機(jī)和GYD-20L全液壓多功能鉆機(jī)。SPS-2000鉆機(jī)：，張家口2012年生產(chǎn)，額定功率為720 KkN，適應(yīng)多地層鉆進(jìn)；GYD-20L鉆機(jī)：，連云港2011年生產(chǎn)，額定功率為1 000 kKN，其多功能特性在引導(dǎo)孔和及擴(kuò)孔中均發(fā)揮重要作用。（2）擴(kuò)孔施工則選用濟(jì)寧2016年生產(chǎn)的BMC-500反井鉆機(jī)，功率為178.5 kwW，適用于大口徑擴(kuò)孔。

在配套設(shè)備方面，上海生產(chǎn)的12V135柴油機(jī)（180 kKW）提供動(dòng)力，NJB-300/6-12型注漿泵（45 KkW）用于固井，青州QZ3NB-500型鉆井泵（390 KkW）與石家莊TBW1200A泥漿泵（110 kKW）負(fù)責(zé)輸送鉆井液，鄭州WD-20發(fā)電機(jī)（20K kW）保障電力供應(yīng)。

檢測儀器配備齊全，包括北京生產(chǎn)的無線隨鉆測斜儀（SQMWD-Y和YST-48R）、南京拉力計(jì)、開封壓力表、泰安測斜絞車/及北京六合單點(diǎn)和多點(diǎn)測斜儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆孔參數(shù)，確保施工質(zhì)量和安全^[4]。

鉆具組合用于引導(dǎo)孔復(fù)合鉆進(jìn)，由以下部件構(gòu)成：Φ[ 2]"215.9 mm的鉆頭，搭配Φ159 mm單彎螺桿，接著是Φ212 mm扶正器，隨后連接Φ159 mm定向接頭，再加上Φ159 mm無磁鉆鋌，然后是10根Φ159 mm鉆鋌，之后接上Φ127 mm鉆桿，最后是Φ108 mm方鉆桿，以此確保鉆孔的垂直度與穩(wěn)定性。?

1#鉆孔的擴(kuò)孔鉆具組合，會(huì)依據(jù)孔徑的增大而作做出相應(yīng)調(diào)整。在一級擴(kuò)孔作業(yè)時(shí)，使用的是Φ600 mm擴(kuò)孔鉆頭，配合穩(wěn)定鉆桿、普通鉆桿以及和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。；二級擴(kuò)孔所采用的鉆具，是Φ940 mm擴(kuò)孔鉆頭，同樣連接穩(wěn)定鉆桿、普通鉆桿和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。；至于三級擴(kuò)孔，選用的則是Φ1 400 mm擴(kuò)孔鉆頭，與穩(wěn)定鉆桿、普通鉆桿、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)相組合。鉆頭結(jié)構(gòu)和性能隨孔徑調(diào)整。

2#鉆孔擴(kuò)孔鉆具組合為“Φ1 200 mm擴(kuò)孔鉆頭+Φ159 mm鉆鋌+Φ127 mm鉆桿”，。根據(jù)鉆孔特點(diǎn)設(shè)計(jì)，鉆鋌增加重量和剛性，提高擴(kuò)孔效率和穩(wěn)定性，；鉆桿保證連接和動(dòng)力傳遞。

2.2施工工藝流程與技術(shù)參數(shù)

引導(dǎo)孔開孔施工嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)要求，采用輕壓吊打方式，控制鉆速約2 m/h，以確保開孔的精確與穩(wěn)定（如圖1所示）。鉆進(jìn)期間，利用無線隨鉆測斜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測井斜，一旦發(fā)現(xiàn)超限趨勢，立即調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)或鉆具組合，確保井身質(zhì)量，為擴(kuò)孔施工奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1#鉆孔施工分為引導(dǎo)孔和擴(kuò)孔兩階段。（1）引導(dǎo)孔使用215.9 mm鉆頭，于2020年5月19日開鉆，于6月7日達(dá)到497.60 m井深，歷時(shí)19d。隨后，進(jìn)行反拉鉆進(jìn)準(zhǔn)備。（2）于6月17日開始一級擴(kuò)孔，使用600 mm鉆頭，于28日完成。6月29日換用940 mm鉆頭進(jìn)行反井鉆進(jìn)，于8月7日反至地面，實(shí)際擴(kuò)孔鉆進(jìn)15 d（扣除維修時(shí)間）。于8月9日至24日，使用1 400 mm鉆頭完成最終擴(kuò)孔^[5]。

2#鉆孔施工與1#相似，但引導(dǎo)孔后僅進(jìn)行一次擴(kuò)孔，由215.9 mm直接擴(kuò)至1 200 mm，采用GYD-20L全液壓頂驅(qū)鉆機(jī)。引導(dǎo)孔于2020年10月2日開鉆，于11日達(dá)到497.30 m井深，歷時(shí)9d。于13日開始使用1 200 mm鉆頭擴(kuò)孔，于11月7日完成。

引導(dǎo)孔復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液密度控制在1.03～1.6 g/cm3、鉆壓40～60 kN、轉(zhuǎn)速43～103 r/min、排量20～25 L/s、泵壓4～8 MPa，以確保鉆進(jìn)效率和井身質(zhì)量；糾斜鉆進(jìn)時(shí)，調(diào)整鉆壓至20～40 kN、轉(zhuǎn)速43～64 r/min、排量15～20 L/s、泵壓3～6 MPa。

反井鉆機(jī)擴(kuò)孔時(shí)，開孔操作需謹(jǐn)慎。擴(kuò)孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具至滾刀接觸巖石，以最低轉(zhuǎn)速（5～9 r/min）旋轉(zhuǎn)并慢慢給進(jìn)，避免滾刀受損。系統(tǒng)壓力限制在21 MPa內(nèi)，根據(jù)巖石硬度調(diào)整鉆壓，硬巖適當(dāng)增加鉆壓，軟巖減少鉆壓，同時(shí)及時(shí)出渣，防止影響施工。

2.3鉆井液材料與性能優(yōu)化

引導(dǎo)孔鉆井液材料包括膨潤土、羧甲基纖維素（Carboxymethyl cellulose，CMC）、聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）、聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）、Na?CO?。其中：膨潤土增加粘度和切力，CMC調(diào)節(jié)粘度和失水性能，PAM絮凝降濾失，PAN增強(qiáng)抗溫性和抑制性，Na₂CO₃調(diào)節(jié)pH值。鉆井液體系為低固相，進(jìn)入山西組前性能指標(biāo)：密度1.03～1.12 g/cm3，馬氏漏斗粘度30～35 s，API失水＜8 mL，泥餅厚度0.2 mm，含砂量≤0.3 %，pH值8～8.5，初切/終切0～2/2～4 Pa，塑性粘度15～20 mPa·s，n值0.4～0.8，固相含量＜4 %。

在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)地層情況和施工要求，對鉆井液性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整。例如：在鉆遇易坍塌地層時(shí)，適當(dāng)增加鉆井液的粘度和切力，提高其抑制性，防止地層坍塌；在鉆遇漏失地層時(shí)，調(diào)整鉆井液的失水性能，加入堵漏材料，進(jìn)行漏失封堵。通過對鉆井液材料和性能的優(yōu)化，有效保障了鉆探施工的順利進(jìn)行，提高了施工質(zhì)量和效率。

3結(jié)語

綜上所述，本研究通過陽泉新宇巖土工程的實(shí)例，展示了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下鉆探施工技術(shù)的有效應(yīng)用。這些技術(shù)不僅提高了鉆探效率，還增強(qiáng)了施工穩(wěn)定性，為煤層瓦斯抽采與礦井掘進(jìn)提供了有力支持。研究成果具有顯著的理論與實(shí)踐價(jià)值，適用于類似地質(zhì)條件的鉆探工程。在未來，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化鉆探技術(shù)與鉆井液性能，以適應(yīng)更多復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。

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