(彭步涛)绳索取芯煤田钻探深孔施工综述课件

绳索取心煤田钻探

深孔施工综述彭

步

涛二0一二年十月内容摘要：

该文简要介绍绳索取心煤田深孔施工情况，针对施工中遇到的孔壁不稳定、漏失、坍塌、粘附卡钻等问题，进行了积极探索，并取得一定的成效；该队施工范围广，不但将绳钻深孔技术推广应用于南方煤田，而且在新疆、甘肃、内蒙等省区进行了成功的实践。

关键词：绳索取心钻探深孔1、基本情况介绍1.1单位基本情况福建省121地质大队（原福建省121煤田地质勘探队）1953年组建于山东淄博，1968年响应国家扭转“北煤南运”的号召，南迁福建龙岩，隶属于福建省煤田地质局。现有职工800余人，各类工程技术人员180人，其中：教授级高工4人，高级工程师45人，工程师67人，注册安全工程师15人。具有二项甲级（固体矿产勘查、钻探工程施工），三项乙级（气体矿产勘查、地球物理勘查、地质实验测试）、5项丙级（水文地质、工程地质、环境地质勘查、地质灾害危险性评估、地质灾害防治工程勘查）等勘查资质。

1、基本情况介绍建队近60年来，为国家找矿事业作出了突出贡献。新发现33处煤炭资源赋存地，提交各类最终地质报告60多件。1991年被国家四部委命名为“全国地质勘查功勋单位”。2007年被国土资源部授予“全国地质勘查行业先进单位”连续四届被福建省委、省政府授予“文明单位”等荣誉称号2011年被全总授予“全国模范职工之家”。2012年被评为“全国地勘行业模范地勘单位”1、基本情况介绍1.2绳索取芯钻探深孔施工情况上世纪80年代中期，我队就积极开展绳索取芯金刚石钻进工艺技术，到89年就全部推广到各生产机台，经过多年的实践应用，不断完善和发展，积累了丰富的施工经验。为认真贯彻《国务院关于加强地质工作的决定》精神，从2006年开始我队组织力量开展绳索取芯深孔施工技术研究，积极应用国内最新科技成果，研究解决深孔施工中遇到的一些施工难题。到目前为止，已在福建、江西、云南、贵州、四川、新疆、甘肃、内蒙、山西等省区承揽施工多个深部找煤勘查项目，全队拥有成建制钻机40台，年施工能力20万米，钻机类型以立轴液压钻机和动力头全液压钻机为主，其中：立轴液压钻机（XY—6B、XY—5）32台，动力头全液压钻机6台，能满足孔深1500～2000米深孔施工。

2007年～2012年6月，全队结束钻孔727个，实现钻探进尺59万米（不含外协钻机），其中：超过千米的深孔达189个，累计完成钻探进尺22.5万米，超过1200米的孔87个，超过1500米的孔10个，最大终孔孔深1650.10米，深孔累计完成钻探工程量见表1：近几年完成钻探工程量及施工钻孔一览表表1目前，我队正在施工的甘肃金川集团的深部探测2000米钻孔1个，进展顺利。1、基本情况介绍2、深孔施工设备机具配备2.1主要设备和工具2.1.1钻机XY—6B、XY—5型立轴岩芯钻机或DF—5型全液压动力头钻机。2.1.2动力机：100～150KW柴油发电机组。2.1.3钻塔：ZT17米四角铁塔承载能力35吨以上。2.1.4泥浆泵：BW—250或BW—320型泵。2.1.5附属设备：SJ—3000型取芯绞车，SQ114/8型液压动力钳，BS75—T型木马夹持器、JSN—ZC型泥浆除砂器、自制泥浆搅拌机、NY—1型泥浆性能测试仪等。2.2主要钻具、管材2.2.1选用S75A、CNH、JS75型绳索取芯钻具，每台钻机配备1500～2000m。2.2.2选用S95A或SJ96钻具每台钻机配备500～1200m。2.2.3φ50或φ60正、反丝普通钻杆，每个项目（或矿区）配1000～1500m。2.2.4各类技术套管根据实际情况按需要配备。3、深孔施工关键技术措施3.1钻孔结构的设计和选择钻孔结构的设计要以解决上部不稳定地层（漏失、破碎、坍塌、缩径……）施工难题为基础，为深部正常钻进创造条件为前提，确定钻孔结构：一般情况下，客观条件好，地层简单，需1～2层技术套管，客观条件复杂则需3～5层甚至更多，将上部复杂层隔离，为下部施工创造条件是很重要的，因此，设计好钻孔结构、下好各层技术套管是做好深部施工的关键技术。3.2操作参数的选择⑴转速的选择:正常钻进采用500-730r/min钻进，在孔深超过1000米后为保证孔内安全转速适当降低，选用490r/min或360r/min钻进。⑵压力的选择：10～15KN。⑶泵量的选择：采用57l/min或90l/min。3.3冲洗液的选择根据不同的客观条件选择不同类型的冲洗液体系(1)在非煤系完整地层或灰岩漏失地层选用无粘土冲洗液体系，主要有“PHP—GSP广谱护壁剂—润滑剂”无粘土冲洗液。该体系具有较好的携带和悬浮岩屑的能力，有较好的润滑性，具有一定的护壁能力。(2)在煤系地层，选用“钠土粉—磺化沥青—GSP广谱护壁剂—润滑剂”低固相冲洗液。该体系具有较好的防坍塌护壁效果，是预防煤系地层或不稳定地层坍塌的手段之一。

(3)在水敏性不稳定地层选用“LBM增效粉（或优质钠土粉）—包被剂—接枝淀粉—铵盐—改性沥青—润滑剂”冲洗液该体系具有低粘度、低失水量、低密度、润滑剂好、粘附系数低的特点，，适应于复杂易坍塌地层，特别是预防粘附卡钻事故效果较好。3、深孔施工关键技术措施3.4适当增加钻头直径和工作层高度适当增加钻头外径，能降低冲洗液对孔壁的冲刷，保持孔壁的稳定，减轻水泵负荷，对复杂矿区深孔施工很有意义。目前我队所选用的钻头直径由原来的75mm，增加到77mm、79mm或81mm，应用S75A钻具的钻头外径多数采用79mm，根据客观条件的不同也不同程度地采用77mm或81mm，钻头外径加大后钻进泵压明显降低（见表２）。

3、深孔施工关键技术措施

钻头外径加大后工作泵压明显降低表２图１：水泵曲轴扭断照片

增加金刚石钻头的工作层高度，提高钻头寿命，延长工作时间，有利于提高台月效率。如采用高胎体金刚石钻头，使工作层厚度由4.5mm增加到12～16mm，钻头寿命大幅度提高，如在福建龙永煤田由68m/个提高到165m/个；在新疆伊梨煤田钻头单个进尺达到千米以上，最高寿命达1954米，实现了1个钻头施工1个钻孔的理想目标。3.5液动潜孔锤技术

针对硬岩钻进效率低、破碎地层岩芯采取率低、易卡钻的情况，推广应用SYZX75型液动潜孔锤技术（见表3）3、深孔施工关键技术措施表3甘肃德勒诺尔矿区应用SYZX75型液动锤情况对比表

该技术己在甘肃德勒诺尔铁矿、江西德兴铜矿、田心铁矿、四川米易白马钒钛磁铁矿、福建龙永煤田等得到推广应用，应用液动潜孔锤技术使台月效率提高47%，时效提高46.6%，回次进尺提高180%，钻头寿命延长21%，钻探直接成本下降32%。3.6粉煤取心技术(1)选用侧喷（或底喷）钻头，减少冲洗液对煤心的冲刷。(2)调整卡簧座与钻头内台阶间隙达1-2mm。(3)适当降低转速，选用360n/min或260n/min。3.7侧钻绕障技术深孔施工因烧钻、抱钻、卡钻出现的孔内事故处理起来难度是很大的，对于少数难以处理（在超孔断事故头不容易找到或烧钻等事故）的事故，可以先用是水泥封闭事故头，从旁边偏斜，绕开事故头，向下继续钻进。3、深孔施工关键技术措施4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍4.1煤田深孔施工的主要特点及其复杂性由于施工区域较广，客观条件差异较大，所遇到的施工难度也有所不同，归纳起来主要有以下几个特点：（1）钻孔漏失严重为主要特点。如：西南地区（云、贵、川）的石灰岩溶洞发育，多数钻孔都遇到大小不一的溶洞，最大溶洞达20米；福建龙永煤田翠屏山组断层破碎带或砂岩裂隙发育，并有地下水活动；新疆伊犁煤田的火烧区、老矿区的采空区……；解决钻孔漏失是维持正常钻进的基本条件。（2）孔壁稳定性差，岩石松散、破碎，遇水膨胀、钻孔缩径，孔壁坍塌是非常常见的。如：云南、贵州、新疆、江西等省区的泥页岩、分煤层，福建龙永煤田翠屏山砂岩破碎带……，保持孔壁稳定是提高钻探效率的主要技术措施。（3）新疆、甘肃、内蒙等省区砂岩渗水性强，个别矿区覆盖层厚，易出现粘附卡钻事故。（4）硬岩钻进效率低。主要在福建的龙永煤田翠屏山组底部最为突出，属硅质胶结的石英砂岩、石英角砾岩、燧石等，岩石硬度在X以上，属硬岩“打滑”地层，采用一般金刚石钻头钻进其效果差，效率低。（5）粉煤取心难度大。如：云南的富煤三矿、四矿的7煤、9煤，杉树林矿区，江西梅山矿区B3、B4煤，贵州的楼下、晴隆矿区等多属粉煤，对取煤工具、操作参数要求高，若操作不当往往造成采取率达不到要求，使钻孔降级。（6）深孔施工技术要求高，难度大。典型深孔一揽表表4典型深孔一揽表续表44.2福建、江西煤田勘探施工主要施工难点:孔壁不稳定，坍塌掉块严重、地层裂隙漏水岩石较硬、时效低。主要措施；（1）护壁技术①套管隔离。充分发挥技术套管的隔离作用，将不稳定地层隔离，该措施主要应用于上部复杂地层。②应用优质防塌冲洗液。如福建龙永煤悠远矿区303号孔,孔深1302.30～1354.38米，龙永煤田红林坪矿区11～4号孔，孔深865.40～890.50米，龙永煤田东门矿区17～1号孔，孔深910.36～938.51米，江西梅山南矿区36～4号孔，孔深1002.23～1015.10米等在施工过程中不同程度地出现孔壁坍塌，应用钠土粉改性沥青--防塌剂冲洗液体系进行处理，对于颗粒较粗的孔段，应使用50钻具进行排粉护壁。③水泥造壁。在施工过程中也有少数钻孔因严重坍塌用水泥封闭方法处理。④适当增加钻孔口径，有利于孔壁的稳定。4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍（2）钻孔漏失处理①套管隔离。上部灰岩溶硐、裂隙、采定区…等严重漏失地层采用技术套管隔离处理。②钻孔孔长段渗漏。采用GLA型随钻堵漏剂（0.3～2%）加入冲洗液中循环，在云南飞仙关地层，甘肃陇东煤田效果明显。③裂隙漏失。采用“综合惰性材料+801堵漏剂+稠泥浆”配成的堵漏浆液，进行灌孔堵漏效果明显。

如：龙永煤田东门地矿区1705号孔在孔深781.03～785.38m遇一砂岩裂隙，漏失量达2.8m3/h，在穿过漏失层后将钻具提到漏失孔段下部（不带内管总成）将“惰性材料(剧沬、棉籽壳、花生壳…)、801堵漏剂、稠泥浆”按一定比例配成堵漏浆液倒进钻杆内，然后对上立轴开泵送水，依靠水泵的压力将堵漏液一部分压入漏失层进行堵漏，另一部分返到地面，使漏失时减少到0.56m2/h。该方法操简单、成本低、效果好，深受一线职工欢迎。4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍图2：翠屏山砂岩裂隙漏水地层④对于裂隙较大上述办法无效时采用水泥浆封孔堵漏。(3)采用侧钻绕障技术处理复杂深孔事故。深孔复杂孔内事故处理难度大（特别是烧钻、抱钻、卡钻事故），用传统的处理方式强行处理，受设备能力、钻具强度的限制，很容易引发设备故障或新的孔内事故，经过几年的实践，采用侧钻绕障技术处理复杂深孔事故是一种较好的技术措施。如：在江西梅山矿区ZK3001号孔，在孔深1116.72m处发生断钻杆事故，事故处理到孔深1111.30m时,因孔壁坍塌找不到事故头，在事故头上方用水泥浆封闭约50m，在1092m处遂步避开事故头造斜成功,直到1138.32m顺利终孔。

4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍图3：梅山矿区3001号孔水泥造斜照片4.3云、贵、川煤田勘探施工施工难度点：上部石灰岩溶硐发育，多数钻孔遇到大小不一的溶硐，最大超过20m，个别主要可采煤层为粉煤,取心难度大。主要措施（1）上部灰岩溶硐的治理合理设计钻孔结构，该地区多数矿区选择3-5层技术套管，将上部来稳定地层隔离为下部正常施工创造条件有。云南富煤四矿4505号孔深下套管子4层φ89技术套管为1067.06m（见图4）。对于较大的溶硐（大于5米）需要2层以上的套管进行隔离。（2）粉煤采取采用3.5措施（见图5）.4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍（3）破碎带的处理在四川米易白马及及坪钒钛磁铁矿区1503号孔，在孔深866.27m时发生卡钻事故，在处理孔深853.92m时找不到事故头，由于破碎、坍塌找不到事故头最后用水泥浆事故头上部40～50m处封闭，封孔48小时后用φ50钻具透水泥，在孔深841.0m处造斜成功，将事故头避开向下钻进，至1022.23m钻孔结束。4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍4.4

新疆煤田深孔勘探施工施工难点：伊犁煤田吉伦台一塘坝矿区侏罗系中统西山窑组中粗灰白色砂岩江河组灰色粉砂岩渗水性较强，由于钻具与孔壁的可挂间隙较少，应用低固相不分散冲洗液容易出现粘附卡钻事，给施工带来较大的障碍，事故直接损失百万以上（见表5）。表5新疆伊犁尼勒克吉伦台-塘坝煤田钻探施工中粘附卡钻一览表4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍主要措施（1）预防措施①选用“PHP-GPS广谱护壁剂-润滑剂“无粘土冲洗液体系，该体系有利于防止出现粘附卡钻，但在煤系地层不利于孔壁的稳定应用较少。②选用“钠土粉-包被剂-接枝淀粉-改性沥青-水解聚丙烯脯铵盐-润滑剂”冲洗液体系，该体系具有比重低、失水量低、泥皮薄、切力低、粘度低、粘附系数低等特点，在后来的施工中应用该体系没有出现粘附卡钻事故。③适当增加钻头外径，有利于预防粘附卡钻。④加强对冲洗液固相总量的控制，现场配备除砂器。(2)处理粘附卡钻措施出现粘附卡钻后采用“清水+润滑剂”或清水+NaOH溶液+润滑剂“配成的溶液进行冲洗液进行冲刷解卡。如：新疆库东县提克买克煤矿区ZK302号孔在孔深735m、980m、1223.83m、1334.88m（终孔电测）发生4次粘附卡钻事故，应用”NaOH水溶液+润滑剂”配成解卡液，选择用92～150L/min泵量,冲孔5～66个小时，成功地解决了卡钻事故（见图6）。4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍图6：新疆提克买克煤矿区ZK302号孔砂岩照片图6：新疆提克买克煤矿区ZK302号孔砂岩照片4.5甘肃陇东煤田高平矿区4410号钻孔施工情况施工难点：第四系覆盖层260m，造浆严重，技术套管起拔困难，成本高。420～465m洛河组红色砂岩，吸水性强，容易出现粘附卡钻事故，部分孔段破碎漏失。主要措施（1）选用“PHP-GPS广谱护壁剂-包被剂-GlA型随钻堵漏剂”无粘土冲洗液，强化对冲洗液的净化和管理，防止孔壁的水化和坍塌。（2）选用肋骨复合片钻头快速穿过覆盖层，及时下入φ108技术套管170.51m、φ89技术套管426.30m。（3）采用“综合惰性材料+GLA型堵漏剂+稠泥浆”配成的堵漏浆液进行灌孔堵漏；对于长孔段吸水渗漏地层采用GLA随钻堵漏剂按0.2～0.5%的比例加入泥浆中进行循环堵漏。（4）采用“PHP-GSP广谱护壁剂-润滑剂”无粘土冲洗液，应用CNH型绳索取心钻具钻进，预防粘附卡钻事故。4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍图7：陇东煤田高平矿区4410号孔洛河组砂岩取得的效果（1）终孔深1519.47m，从2011年7月10日至11月25日用时137天，台月效率335.32米/月，造成效率低的主要原因是等水时间较长。（2）钻孔质量高。该孔岩心采取率95%以上，煤心采取率达98%，终孔孔斜1°45′;做为样板工程将岩煤心全部保存。（3）管材丢失较多。该孔因拔不起来技术套管达400m，其中：φ108套管144m，φ89套管256m，达3.7万元，增加了施工成本。在总结该孔施工经验的基础上，对相关技术措施进行改进，一是增加了钻头外径，应用CNH钻具由77mm加大到81mm；应用S95A钻具由于95mm加大到98mm。二是应用PVC塑料套管，降低施工成本。三是加强施工工艺研究，解决技术难题。经过努力，顺利地将绳钻工工艺应用于甘肃陇东煤田，承揽和施工了一批煤层气参数孔。4.典型矿区（钻孔）施工案例介绍5、为深孔技术的应用提供人才和制度保障。5.1完善各项管理制度，钻探生产管理实现制度化、规范化。（1）出台了《绳索取心钻探施工规程》、《设备管理办法》、《全液