煤田鉆探若干技術(shù)問(wèn)題探討

彭萬(wàn)利

（河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，河北張家口075000）

煤田鉆探若干技術(shù)問(wèn)題探討

彭萬(wàn)利*

（河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，河北張家口075000）

在現(xiàn)有地質(zhì)鉆探裝備和技術(shù)的基礎(chǔ)上，論述了煤田地質(zhì)鉆探設(shè)備配套、液動(dòng)錘鉆探技術(shù)的應(yīng)用、空氣鉆探工藝的應(yīng)用、鉆井液配制等問(wèn)題，以期提高煤田地質(zhì)鉆探的質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

煤田鉆探；設(shè)備配套；液動(dòng)錘鉆探；空氣鉆探；鉆井液

近十多年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展和較大的提高，主要表現(xiàn)為繩索取芯鉆探技術(shù)和繩索取芯液動(dòng)錘鉆探技術(shù)的應(yīng)用日瑧成熟。在這一階段內(nèi)深孔鉆探使用的新型鉆機(jī)、繩索取芯鉆桿、繩索取芯液動(dòng)錘及其他附屬機(jī)具研制成功并得以應(yīng)用，從而提高了深孔鉆探效率、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成復(fù)雜地層條件下的煤田鉆探工程，促進(jìn)煤田鉆探技術(shù)水平的提高，借鑒已有的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，特提出如下一些建議供同行參考。

1　設(shè)備配套

為在中深孔、深孔內(nèi)實(shí)施繩索取芯鉆探工藝，目前施工單位使用的鉆機(jī)為液壓立軸式或液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)。使用液壓立軸式鉆機(jī)時(shí)動(dòng)力機(jī)有2種：一是柴油機(jī)（鉆機(jī)和泥漿泵均由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)），二是電動(dòng)機(jī)（鉆機(jī)、泥漿泵和繩索取芯絞車(chē)等均由同一臺(tái)發(fā)電機(jī)組供電）。液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)多由一臺(tái)柴油機(jī)為液壓泵組提供動(dòng)力。在鉆探施工中，當(dāng)停止鉆進(jìn)而用絞車(chē)提下內(nèi)管總成時(shí)，此時(shí)動(dòng)力消耗是比較小的，而用一臺(tái)遠(yuǎn)超過(guò)其需要的較大功率柴油機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)組為其提供動(dòng)力，顯然會(huì)造成較多的浪費(fèi)。因?yàn)椴裼偷南牧渴怯绊戙@探成本的主要因素之一，從節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本、減少?gòu)U氣排放的要求考慮，可對(duì)鉆探施工的動(dòng)力機(jī)械做出更為合理的配套安排。

（1）使用液壓立軸式鉆機(jī)時(shí)，鉆機(jī)的動(dòng)力機(jī)為柴油機(jī)，泥漿泵、繩索取芯絞車(chē)及其他機(jī)械的動(dòng)力機(jī)為電動(dòng)機(jī)，配備一臺(tái)發(fā)電機(jī)組為其供電。這樣，在停止鉆進(jìn)而用絞車(chē)提下內(nèi)管總成時(shí)，可將鉆機(jī)上的柴油機(jī)關(guān)停，只有發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，提下內(nèi)管、鉆井液攪拌和清潔等工序照常進(jìn)行；在停止鉆進(jìn)而提下鉆時(shí)，可將發(fā)電機(jī)組關(guān)停，只有鉆機(jī)上的柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此種配套方式不足之處是鉆機(jī)操作者要近距離承受柴油機(jī)的噪聲。

（2）使用液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)時(shí)，鉆機(jī)的動(dòng)力機(jī)為柴油機(jī)，泥漿泵、繩索取芯絞車(chē)、泥漿攪拌機(jī)、除砂器和離心除泥機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，配備一臺(tái)發(fā)電機(jī)組為其供電。鉆探現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組也是電焊機(jī)、電動(dòng)工具和夜間照明的電源。

（3）施工深孔時(shí)配備較高的鉆塔為好，可以減少提下鉆時(shí)間（同時(shí)減少柴油的消耗），減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度（尤其是使用液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)施工傾斜鉆孔時(shí)），有利于處理孔內(nèi)事故。但在吊車(chē)不能通達(dá)的地方，須由人工建拆鉆塔，現(xiàn)常用的塔高為23～24m四角鉆塔層間距稍大，塔角單節(jié)較重，對(duì)建塔人員的身高和體力有一定的要求，當(dāng)缺少符合要求的人員時(shí)，建塔會(huì)成為不易解決的問(wèn)題，因此建議探礦機(jī)械生產(chǎn)單位設(shè)計(jì)制造層間距較小且能提下21m長(zhǎng)立根的鉆塔。

（4）SYZX96/75繩索取芯液動(dòng)錘在鉆進(jìn)深孔時(shí)亦可使用，按常用鉆具配備于各機(jī)臺(tái)。

（5）為順利實(shí)施繩索取芯液動(dòng)錘鉆進(jìn)，須配備泥漿清潔器（由除砂器和振動(dòng)篩構(gòu)成）和離心除泥機(jī)，使用固控設(shè)備，及時(shí)對(duì)鉆井液除砂除泥，可減少施工時(shí)費(fèi)漿排放，降低鉆探施工用水量，減輕對(duì)環(huán)境的污染。

（6）煤田鉆探現(xiàn)多為中深孔和深孔，由取芯直徑要求和地層的復(fù)雜程度決定了鉆桿應(yīng)以使用?89mm、?91mm和?71mm規(guī)格的為主。為實(shí)現(xiàn)較大的鉆深，要求鉆桿能承受較大的扭矩和拉力；為減輕鉆機(jī)的負(fù)荷和動(dòng)力消耗，要求鉆桿有較小的質(zhì)量。為滿(mǎn)足此要求，可使用不同鉆深能力的?89mm和?91mm鉆桿組成的鉆桿柱。對(duì)鉆桿的結(jié)構(gòu)提出如下要求：將鉆桿桿體兩端鐓粗并做調(diào)質(zhì)處理，?89mmí5mm鉆桿鐓粗部位的內(nèi)外徑分別為78mm和92mm，?91mm×5.5/5.8mm鉆桿鐓粗部位的內(nèi)外徑分別為78mm和93mm；?71mm× 5mm鉆桿鐓粗部分的內(nèi)徑為58mm，外徑分別為72mm 和73mm，每根鉆桿上部配母接頭，在鉆桿下部鐓粗部位加工與母接頭相連的公扣（不配公接頭），母接頭外表面鍍硬鉻，以增加其使用壽命并降低回轉(zhuǎn)時(shí)的阻力。

2　液動(dòng)錘鉆探技術(shù)的應(yīng)用

鉆探施工實(shí)踐表明，無(wú)論是實(shí)施單動(dòng)雙管液動(dòng)錘鉆進(jìn)，還是實(shí)施繩索取芯液動(dòng)錘鉆進(jìn)［1］，在提高純鉆進(jìn)小時(shí)效率和巖芯采取率、增加回次進(jìn)尺長(zhǎng)度、減輕鉆孔彎曲程度等方面取得了顯著的效果。為進(jìn)一步發(fā)揮液動(dòng)錘鉆進(jìn)的優(yōu)越性，提高煤田地質(zhì)鉆探的技術(shù)水平，在已有應(yīng)用的基礎(chǔ)上可擴(kuò)大其應(yīng)用面。

（1）覆蓋層內(nèi)鉆進(jìn)卵礫石層時(shí)，鉆進(jìn)速度低，鉆孔易偏斜，作為一種提高鉆進(jìn)時(shí)效并降低鉆孔彎曲程度的一項(xiàng)措施，可采用?91mm繩索取芯鉆桿+YS-89 或MTK-91液動(dòng)錘+?108mm或?127mm巖芯管+ ?113mm或?133mm單管金剛石鉆頭組成的鉆具，實(shí)施液動(dòng)錘鉆進(jìn)。

（2）在返水鉆孔內(nèi)使用N口徑繩索取芯液動(dòng)錘鉆具時(shí)，為降低鉆井液上返時(shí)形成的背壓，可使用接頭外徑不同的?71mm繩索取芯鉆桿組成的鉆桿柱，將接頭外徑為72mm的鉆桿置于下部，將接頭外徑為73mm的鉆桿置于上部并讓其處于?89mm套管內(nèi)。

（3）以往，粉狀煤層內(nèi)取芯鉆進(jìn)時(shí)多采用取煤器并限制回次進(jìn)尺的方法，作為保障煤心采取率的一項(xiàng)措施，可采用配有半合管［2］、隔水底噴鉆頭和攔卡簧［3-4］的繩索取芯液動(dòng)錘鉆具。

（4）在基巖內(nèi)的嚴(yán)重漏失地層及采空區(qū)內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)，配用具有干孔（無(wú)水位鉆孔）放送內(nèi)管總成功能的打撈器，實(shí)施繩索取芯液動(dòng)錘鉆探工藝，可在低轉(zhuǎn)速條件下提高鉆速，同時(shí)可解決常規(guī)繩索取芯鉆進(jìn)無(wú)泵壓顯示的問(wèn)題。

3　空氣鉆探工藝的應(yīng)用

在嚴(yán)重漏失地層及采空區(qū)內(nèi)除了采用鉆井液頂漏鉆進(jìn)外，當(dāng)供水難度大、待水時(shí)間長(zhǎng)或水價(jià)較高時(shí)，可采用氣動(dòng)潛孔錘單動(dòng)雙管鉆探工藝。實(shí)施此鉆探工藝時(shí)，使用由?91mm繩索取芯鉆桿+90型氣動(dòng)沖擊器（其外徑為80mm）+?89mm/?73mm單動(dòng)雙管+普通雙管金剛石鉆頭組成的鉆具，選用壁厚為6mm的45MnMoB材質(zhì)的巖芯外管，巖芯內(nèi)管長(zhǎng)度不小于4.5m。選用供氣量為7～8m3/min、供氣壓力為4MPa的空氣壓縮機(jī)，其產(chǎn)生的壓縮空氣量可滿(mǎn)足沖擊器做功、冷卻鉆頭及排除孔底巖粉的要求。為減輕氣流對(duì)較軟或破碎巖芯的沖蝕、提高巖芯采取率，需使用底噴式金剛石鉆頭并配用相應(yīng)的卡簧座。鉆進(jìn)時(shí)在壓縮空氣內(nèi)壓入不大于10L/min的皂化油水溶液，以潤(rùn)滑沖擊器內(nèi)部的活動(dòng)件和巖芯，提高巖芯采取率，降低壓縮空氣的溫度，提高水接頭內(nèi)密封圈的使用壽命。在嚴(yán)重漏失地層內(nèi)實(shí)施空氣鉆探工藝時(shí)，孔口無(wú)上返物，鉆進(jìn)時(shí)需從鉆桿外向孔內(nèi)輸入潤(rùn)滑溶液，以降低鉆桿接頭與孔壁之間的摩擦系數(shù)并避免接頭因摩擦產(chǎn)生過(guò)高的溫度。

4　鉆井液的配制

（1）為順利實(shí)施繩索取芯鉆探及液動(dòng)錘鉆探工藝，宜配制使用無(wú)固相鉆井液［3，5］。對(duì)鉆井液的性能要求是同鉆進(jìn)地層相適應(yīng)的粘度、密度、盡可能低的濾失量及較好的流變性能。選用的鉆井液配制材料應(yīng)為易溶于水、多功能、價(jià)格適中，在常用添加劑中選擇PAC141（復(fù)合離子型聚丙烯酸鹽）、植物膠、磺化瀝青作為鉆井液的主要配制材料。PAC141具有降低濾失量和增粘作用，還能調(diào)節(jié)流型、改進(jìn)鉆井液的剪切稀釋性能，抗鹽可達(dá)到飽和［7］。植物膠能提高鉆井液的粘度、降低鉆井液的濾失量，能有效抑制鉆井液中的水向地層滲透，潤(rùn)滑減阻作用明顯，也能改進(jìn)鉆井液的剪切稀釋性能［8］。磺化瀝青在鉆井液中可阻止頁(yè)巖顆粒的水化分散，同時(shí)又能封堵孔壁中的孔隙，并可覆蓋在孔壁表面，還能降低濾失量、起到潤(rùn)滑減阻作用［7］。

（2）在砂巖、石灰?guī)r等遇水不坍塌的巖層內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)使用的無(wú)固相鉆井液用淡水和PAC141配制，控制鉆井液的粘度在16～18s之間。當(dāng)孔內(nèi)鉆井液不漏失或漏失量少時(shí)，在鉆井液內(nèi)加入皂化油，當(dāng)孔內(nèi)鉆井液嚴(yán)重漏失時(shí)，可不加皂化油。

（3）在完整的泥頁(yè)巖內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)使用的無(wú)固相鉆井液用淡水、PAC141和植物膠配制，控制鉆井液的粘度在19～21s之間。

（4）在斷層破碎帶、煤層和覆蓋層內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)使用的無(wú)固相鉆井液用淡水、PAC141、植物膠和磺化瀝青配制，控制鉆井液的粘度在25～28s之間。

（5）在涌水及瓦斯突出孔段內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)使用加入重晶石粉的低固相泥漿，粘度＞35s、濾失量＜10mL/30min、密度＞1.25kg/L；若提高鉆井液的密度不能解決問(wèn)題時(shí)，在鉆井液中加入PAC141，在較高密度的基礎(chǔ)上逐步提高鉆井液的粘度，以抑制涌水及瓦斯突出［2，6］。

5　結(jié)語(yǔ)

今后煤田地質(zhì)鉆探將以施工1000m上下深度的鉆孔為主，煤田地質(zhì)鉆探工作者多研究在不同地質(zhì)條件下充分應(yīng)用已有的技術(shù)和工藝，裝備設(shè)計(jì)制造者不斷改進(jìn)鉆探機(jī)具，可促使煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)水平再上一個(gè)臺(tái)階，達(dá)到更高的質(zhì)量、效率目標(biāo)，取得經(jīng)濟(jì)效益最大化。

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A

1004-5716（2016）07-0043-03

2015-07-02

彭萬(wàn)利（1963-），男（漢族），河北懷來(lái)人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)巖芯鉆探技術(shù)工作。