王建民

（安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

淮北花溝井田復雜地層鉆探技術研究

王建民

（安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

復雜地層鉆探技術是當前地質鉆探的一個重點和難點。本文首先對淮北煤田花溝井田的復雜地質情況和地層鉆進特性進行了介紹，然后分析了花溝井田鉆探施工中所遇到的漏失、孔壁坍塌、卡鉆等技術難題，并針對存在的技術難題提出了適合的施工工藝、泥漿工藝和保證鉆探質量的技術措施，最后對取得的效果進行了總結。通過對花溝井田復雜地層鉆探相關問題的探討，旨在為相關人員在復雜地層鉆探技術方面的研究和實踐提供一定的思路。

花溝井田；復雜地層；鉆孔；鉆探技術

0 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，國內對資源的需求量也日益增長，礦產資源的淺層鉆探越來越少，資源勘探迅速向深層發(fā)展。復雜地層的鉆孔鉆探需求因此而日益增多。鉆探是一類風險性高、隱蔽性強的工作，在鉆探的期間容易出現(xiàn)縮徑、坍塌等孔內事故。而鉆孔鉆探處于地層復雜多變的隱蔽空間，且孔內事故常出現(xiàn)在較深的位置，無法展開直接觀察，僅可憑借經驗展開判斷、評估，且目前我國的勘探技術和勘探設備遠落后于國際水平，阻礙了國內鉆探行業(yè)的發(fā)展。

復雜地層鉆探技術是當前地質鉆探的一個重點和難點。設備的作業(yè)能力、鉆進工藝和鉆進參數(shù)的選擇、泥漿護壁技術、孔內事故的預防與處理等，都是復雜地層鉆孔鉆探的關鍵問題。位于安徽省渦陽縣境內的花溝井田，其復雜的地層特性，對井田內的煤層鉆探提出了挑戰(zhàn)，在鉆探的過程中，施工隊伍遇到了漏失、孔壁坍塌、卡鉆等技術難題，通過對淮北花溝井田的地質狀況的分析和合理的施工設計，淮北花溝井田的鉆探取得了良好的鉆探效果。本文將首先對淮北花溝井田的地質狀況進行描述，然后分析了鉆孔施工中遇到的技術難題，然后對鉆孔過程中應用的施工方法和技術措施進行了詳細介紹，并對取得的效果進行了總結，為復雜地層鉆孔鉆探的研究人員和施工人員提供有益的理論和實踐借鑒。

1 地層概述與地質要求

1.1 地層概述和地質要求

淮北煤田花溝井田位于安徽省渦陽縣境內，屬于淮河水系，地下水和地表水豐富；地勢較為平坦，東南低、西北高，地面海拔標高在30.10 m～32.70m之間；地處于南北向和東西向大斷裂交匯帶附近，地震基本烈度值為Ⅶ，曾有小地震發(fā)生，無災害性大震。

區(qū)域內地層發(fā)育較為齊全，鉆孔穿過地層由老至新依次為：二疊系、三疊系、第四系。其中，二疊系主要由陸相和三角洲平原相的碎屑巖和煤組成，厚度約700m，巖石可鉆性 4～7 級，部分 8 級；老第三系巖性以紅層為主，平均厚度約 121.5m，半固結紫紅色含泥、含礫粉砂巖，膠結性差，巖石可鉆性 3～4 級；第四系巖性以粘土、砂、砂質粘土為主，厚度約 630m，下部有厚約 15m的礫石層。該區(qū)二疊系含煤地層自上而下編號2、3（上石盒子組）；4、5、7、8（下石盒子組）；10、11（山西組）?？辈閰^(qū)的巖漿活動強烈，多個鉆孔揭露巖漿巖，巖性主要為輝綠巖。

1.2 地質因素對鉆探的影響

地層的結構、巖石力學因素、巖體的構造、礦物成分、地下水等各種地質因素會對復雜地層的鉆探產生重要影響。各巖性單元的分布和構造、巖石的種類、硬度等，會直接影響到鉆孔的速度和取芯率等，對鉆探工藝的設計和鉆井液的選配具有重要的參考意義。復雜地層地質因素對鉆探的影響，見表1所示。

表1 地質因素對鉆探的影響

2 施工中所遇到的技術難題

在花溝井田鉆孔的施工中主要遇到漏失、孔壁坍塌、卡鉆、巖煤芯采取率低、鉆效低、成本高等問題，具體如下：

（1）漏失?；暇锏牡貙又校[粉砂巖、砂、礫石層等具有良好的滲透性，容易發(fā)生滲透性漏失。滲透性漏失速度較慢、漏失量較小，但是漏失有可能引起孔壁坍塌以及卡鉆等事故，因此需要引起足夠重視，在鉆探的過程中，遇到漏失層，可以適當調整泥漿的粘度，提起鉆柱靜置一段時間即可。

（2）孔壁坍塌。地層應力或者破碎帶地層、水敏性地層均可以引起孔壁坍塌失穩(wěn)?；暇锲扑閹z結性差、井田沖積層厚，砂層、礫石層松散，地層被鉆開后，地層壓力向空中集中釋放，使得在鉆探中，極易發(fā)生孔徑變化、巖層坍塌等復雜情況。

（3）卡鉆。在鉆探的過程中，卡鉆是常見的孔內事故。引起卡鉆的原因有多種?；暇镉休^厚的礫石層，在鉆孔的過程中，礫石掉塊經常造成卡鉆；鉆進破碎帶時，容易因井壁坍塌而造成埋鉆。因此，在鉆進的之前，要特別注意鉆井液的選取，在鉆進的過程中，可以根據(jù)不同地層適當調整泥漿的濃度，保證鉆進的順利進行。

（4）巖煤芯采取率低，鉆效低。在花溝井田這一復雜地層的鉆探中，前期施工過程中，巖煤芯的采取率低，鉆效低，使得鉆孔的效果不是很好，鉆探的成本較高。通過進一步的改進鉆探技術、合理選配泥漿、選擇合適的鉆具等措施，使問題得到解決。

3 施工方法和技術措施

3.1 施工工藝

3.1.1 鉆進方法

綜合花溝井田復雜地層的巖石力學特性、巖體構造、礦物成分、地下水等各種地質因素的影響，結合井田鉆探設備的選取以及孔壁護壁等因素，選擇鉆孔取芯的鉆進方法。通過鉆孔取芯，可以充分了解花溝井田煤層的埋藏深度、分布規(guī)律、煤層結構、煤層厚度、煤質牌號等情況。開孔采用φ110mm硬質合金鉆進，從基巖界面上部20m取芯鉆進，基巖采用φ91mm硬質合金或金剛石復合片鉆頭取芯鉆進。

3.1.2 鉆井設備及鉆具

鉆井設備選用TXB-1600鉆機、6135柴油機（95kw）、NBB-250/60泥漿泵、22m四角鉆塔、除砂器等。

鉆具組合：①無心鉆進選擇無芯鉆頭（φ110mm～ φ91mm）+鉆鋌（φ68mm、5立根）+鉆桿（φ50mm）+六方立軸；②取芯鉆進選擇取芯鉆頭（φ110mm～ φ91mm）+取芯管（φ89mm ）+鉆鋌（φ68mm、5立根）+鉆桿（φ50mm）+六方立軸。

3.1.3 鉆進參數(shù)

合理尋求鉆壓、轉速和泵量等鉆進過程中的鉆進規(guī)程參數(shù)，是保證鉆孔經濟效益的重要保證。在鉆進的過程中，需要根據(jù)花溝井田地層的變化，合理的選擇鉆進參數(shù)，見表2。注意，當?shù)貙佑捎沧冘洉r，要適當減壓鉆進，當?shù)貙佑绍涀冇矔r，需要適當減壓鉆進20公分至半米后逐漸加壓鉆進，以預防鉆孔偏斜。

表2 不同地層鉆進規(guī)程參數(shù)表

3.2 泥漿工藝

花溝井田作為復雜地層，在鉆進的過程中不出現(xiàn)不同程度的漏失、縮徑、孔壁坍塌、卡鉆等問題，本井田存在多種不同類型的復雜地層（復雜地層的類型見表3）。

表3 復雜地層類型

在鉆進的過程中，選擇合適的泥漿護壁對復雜地層鉆孔的成功具有十分重要的作用。在對泥漿的設計過程中，首先按照鉆進技術對泥漿的要求，然后結合花溝井田復雜定的特點，設計合適的泥漿進行護壁。在花溝井田鉆孔的施工中要重點防止孔壁失穩(wěn)坍塌，同時注意鉆進紅層孔段地層造漿，會使泥漿變稠。因此，為了保證鉆孔順利進行，首先對地層壓力進行分析預測，合理設計鉆井泥漿，具體方法有漏失試驗法和密度調整法，同時在實際的施工中根據(jù)不同的巖層適當?shù)恼{整泥漿的濃度。

在具體的鉆進中，主要選用PHP-HPAN （聚丙烯腈-聚丙烯酰胺）低固相泥漿，加入KHm（腐植酸鉀）處理劑。PHP-HPAN低固相泥漿粘度低、流變性好、失水量小，護壁能力強，同時加入KHm可有效防止孔壁坍塌。泥漿配方：膨潤土粉 4%～6%+純堿（Na2CO3）0.4%～0.5%+聚丙烯腈（HPAN）2%+聚丙烯酰胺（PHP）0.2%+腐植酸鉀（KHm）2%～4%。泥漿現(xiàn)場配置，并達到18～ 23S的粘度、1. 03～1. 09g/cm3的比重、小于4%的含砂量，失水量控制在12～15ml/30min，PH值控制在8～9之間。

3.3 技術措施

在淮北花溝井田復雜地層的鉆探中，主要采取的技術措施主要包括：保證巖心取芯率和煤心取芯率的技術措施、防止孔壁坍塌的技術措施和卡鉆事故處理的技術措施，詳細表述如下：

3.3.1 保證取芯率的措施

煤、巖芯的采取率是衡量鉆探工程質量的重要指標。由于花溝井田的地層較為松散和破碎，因此使用單管取芯有可能難易保證巖芯的采取率，此時可以使用三米左右的雙管取芯鉆具，在鉆進的過程中，同時要合理使用鉆進規(guī)程參數(shù)。

在鉆進的過程中，要嚴格執(zhí)行“三不打”和“見軟就起鉆，不準試試看”的制度。注意隨時觀察儀表的變化和機械的運轉；控制好煤層的層頂和底板。當遇到松軟易碎的煤層，可以使用雙管取芯，見煤后，可以采用干鉆法將巖芯取上，孔底若殘留巖芯，需要下專門的鉆具撈取干凈后才能下取煤器取芯。

3.3.2 防止孔壁坍塌的措施

鉆孔過程中，泥漿護壁是保證鉆孔取芯順利進行的重要一環(huán)。為了防止鉆孔過程中出現(xiàn)孔壁坍塌，首先對地層壓力進行分析預測，合理設計泥漿沖洗液的濃度；選用抑制性強的PHP-HPAN低固相泥漿，并加入KHm處理劑，注意泥漿失水量和泥皮厚度的控制，在鉆進的過程中，根據(jù)不同的地層合理調整泥漿的濃度，以保證孔內液壓，實現(xiàn)平衡鉆進，有效保護孔壁。

3.3.3 卡鉆事故處理的措施

在鉆進的過程中，不論任何情況下，一旦發(fā)生卡鉆，司鉆都要在合理的范圍內進行上提、下放或轉動活動鉆具，防治鉆具卡死，同時設法調整鉆井液性能，及時清除孔內巖石碎屑，保證孔眼潔凈。當上下活動鉆具無效時，在準確判別卡鉆類型的基礎上，根據(jù)不同的卡鉆采取上擊下打、泡油、倒扣、套銑、爆炸、側鉆新孔眼等方法處理。

4 鉆孔的施工情況與取得的效果

在鉆進的過程中，首先根據(jù)鉆進地層的結構特性和鉆進巖石的力學特征，采用合理的鉆具組合和鉆進規(guī)程參數(shù)，提高了煤芯采取率，保證了鉆進的效率；在保證經濟的條件下，合理的選用金剛石復合片，增加了純鉆進的時間，提高了鉆進的效率；在鉆孔的過程中，合理使用泥漿進行護壁，根據(jù)地層的變化適當?shù)恼{整沖洗液的密度，及時測定泥漿的性能，配置泥漿循環(huán)系統(tǒng)，對泥漿中的巖粉時常清理，并通過振動除砂器對砂礫進行清除，保證護壁泥漿的性能和鉆孔的清潔，保證了花溝井田復雜地層鉆孔鉆探施工的順利進行。

花溝井田復雜地層鉆孔鉆探的過程中，施工中前兩個孔出現(xiàn)了沖積層的坍塌和縮徑、礫石掉塊、卡鉆等情況，鉆探不理想，但經過全體工程人員的分析研究，通過對鉆探技術的優(yōu)化，最終改善了鉆探質量、提高了鉆探的效果。在花溝井田43個竣工的鉆孔中，特甲孔率達到了100%，其中特級孔39個，甲級孔4個。由此可見，花溝井田復雜地層鉆孔鉆探取得了良好的效果。

5 結束語

鉆探作為一類風險性高、隱蔽性強的工程，在復雜地層環(huán)境下，在鉆探期間很容易遇到漏失、縮徑、坍塌等各種各樣的問題，鉆探設備的作業(yè)能力、鉆進工藝和鉆進參數(shù)的選擇、泥漿護壁的技術、孔內事故的預防與處理等，都是復雜地層鉆孔鉆探的關鍵問題。復雜地層鉆探技術是當前地質鉆探的一個重點和難點，需要進一步的研究和總結。在淮北花溝井田復雜地層的鉆孔鉆探中，工程隊選用適當?shù)你@進方法，使用合適的泥漿進行護壁，采用合理的鉆具組合和鉆進規(guī)程參數(shù)，根據(jù)巖層的特性和類型選擇合理的選用金剛石復合片鉆頭和合適的沖洗液，并根據(jù)地層的變化適當?shù)恼{整沖洗液的密度，保證了花溝井田復雜地層鉆孔鉆探施工的順利進行，取得了良好的鉆探效果。本文對淮北花溝井田復雜地層鉆孔施工中遇到的技術難題、應用的施工方法和技術措施、取得的效果的較為詳細的介紹，可以為復雜地層鉆參考文獻：

探的相關研究和施工人員提供一定理論和實踐上的雙重借鑒。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.080

王建民（1967-），男，鉆探工程師，主要從事煤田地質勘探施工技術的應用與管理工作。