杏坑北煤勘區鉆探施工存在的問題及工藝技術研究

陳金照

（福建省121地質大隊，福建龍巖364021）

1 問題的提出

杏坑北煤勘區ZK403孔鉆探施工中存在的主要問題是：①巖層傾角大，部分孔段（如939.69～1046.55m）巖層的傾角為60°～70°，巖石裂隙發育，含豐富的菱鐵礦結核；②巖芯破碎，在孔深786.40～1204.44m等多處孔段巖性為泥巖、砂質泥巖、細砂巖等組成的構造破碎帶，巖芯破碎。鉆進時在鉆具敲擊和沖洗液的沖刷破壞下，鉆孔掉塊、坍塌，孔內的沉渣多，泵壓高、鉆具下不到底，孔內阻力大，造成鉆具折斷孔內事故等現象，曾采用水泥封孔，未能奏效，無法繼續施工，造成報廢了2個半截孔（933.27m、937.62m），計1870.99m，鉆探施工難度大。

2 地層概況

杏坑北礦區位于永定縣約45°方位，直距25km處，隸屬于龍巖市永定縣撫市鎮，礦區范圍東西寬2.1km，南北長3.0km，屬構造侵蝕、剝蝕類低山丘陵區，相對高差為+196.5m。鉆探施工的復雜地層主要是分布在中二疊統童子巖組（P2t），其巖性以灰黑色砂質泥巖、泥質砂巖、細砂巖和煤組成，共揭露童子巖組煤層30層，可采煤層6層，該段地層厚度約455m。

3 鉆探工藝技術應用研究

3.1 鉆具級配

針對杏坑北煤礦區的地層特點和前期施工鉆孔存在的問題，通過總結經驗教訓的基礎上，探索新的鉆具級配，增大鉆桿與孔壁的環狀間隙，減少復雜地層在鉆進中可能出現的剝落掉塊、坍塌和抱鉆事故。開孔為覆土層或松散的堆積層，采用?130mm口徑鉆進至完整的基巖后，下入?127mm的孔口管，使用?98mm口徑鉆進，如果?98mm鉆進時遇到復雜地層無法繼續施工時，可用?77mm鉆具作為備用口徑。

3.2 孔壁穩定的地層因素

杏坑北煤礦區施工遇到的主要問題是：①巖層傾角大，部分孔段（如939.69～1046.55m，）巖層的傾角為60°～70°，巖石裂隙發育，含豐富的菱鐵礦結核；②巖芯破碎，在孔深786.40～1204.44m等多處孔段巖性為泥巖、砂質泥巖、細砂巖等組成的構造破碎帶，巖芯破碎。鉆進過程在沖洗液的沖刷，以及上下鉆具等環空液流的作用下，造成孔壁掉塊、坍塌，鉆孔直徑擴大，形成大肚子的孔段，導致發生孔內事故，以致鉆孔報廢。

3.3 工藝技術因素

鉆孔出現復雜情況時，采取適當的技術措施，可以減輕或消除孔內的復雜情況。主要從以下幾個方面：

（1）裸眼時間。鉆孔施工周期越長，則孔壁浸泡時間越長，容易產生孔壁不穩定，特別是水敏地層，它的破壞有個變化過程，即需要一定的時間，裸眼浸泡時間越長，孔壁破壞越嚴重，越容易出現復雜問題。在不穩定地層中鉆進時，應盡量縮短鉆進周期，或者迅速穿過以后，下入套管護壁，這一措施已在淺部鉆進中廣泛應用。深孔施工時，孔內的溫度較高，將影響泥漿的性能，降低泥漿的護壁防塌效果。

（2）泥漿性能。采用符合地層需要的優質泥漿。①對破碎程度較大的巖層、膠結性差的厚粉煤層，可以使用極低失水量的低固相泥漿進行護孔鉆進，能夠有效地護住孔壁。②在吸水膨脹的泥巖、炭質泥巖層中鉆進時，采用有抑制性的鈣處理泥漿、鹽水泥漿或聚丙烯類的泥漿。③對于傾角較大不穩定地層，要求泥漿液柱壓力與地層壓力能保持相對的平衡，才能使低失水量泥漿在鉆進中取得良好的防塌效果。

（3）鉆進工藝。對于不穩定地層要及時回灌泥漿，下降鉆具時速度過大，會使孔內壓力瞬時劇增而導致漏失。根據實驗資料表明：鉆孔愈深，壓力波動愈大；當孔深一定時，升降鉆具愈快，鉆具與孔壁間隙愈小，泥漿粘度與切力愈大，則壓力波動也愈大。在杏坑北煤礦區施工，鉆進到孔深933.27m和937.62m時，鉆孔掉塊、坍塌，孔內的沉渣多，泵壓高、鉆具下不到底，孔內阻力大，造成鉆具折斷孔內事故等現象，曾多次使用水泥封孔未能奏效，無法繼續施工，造成報廢了2個半截孔。

3.4 鉆進時造成的復雜因素的預防措施

繩索取芯金剛石鉆進，操作時應注意下列事項：

（1）提下鉆具時，應先打撈出內管總成，減少沖洗液的抽吸作用和壓力激動對孔壁的影響。

（2）合理控制提下鉆速度，降低沖洗液壓力激動。

（3）提升鉆具時，需要向孔內回灌一定量的沖洗液，避免沖洗液柱下降，造成地層壓力與孔內液柱之間的壓力差，使孔壁坍塌。

（4）遇到松軟破碎地層及厚煤層時，投放內管總成應避免大泵量壓送影響孔壁的穩定性。

（5）開關泵時，要逐漸加大或減少泵量。

（6）鉆進不穩定地層時，嚴格控制泵量，沖洗液上返速度應控制在0.5～1.5m/s。

3.5 防塌鉆井液

根據所施工的地層情況，選配適合地層特點的沖洗液，是減少孔內事故、提高鉆進效率的重要措施，選用無固相沖洗液和非分散低固相沖洗液在不同的地層中鉆進使用。

在該礦區施工中，鉆進遇到的復雜地層主要有：一是在孔深786.40～1046.55m孔段為泥巖、砂質泥巖、細砂巖等巖性組成的多層構造破碎帶，巖芯破碎，膠結性差的地層，巖石呈松散堆積狀態，在側壓力作用下，易產生掉塊、坍塌，孔底沉渣多，同時還存在著漏失現象；二是鉆進較厚的粉煤層，吸水后產生掉落剝離現象，淺灰色的泥巖、炭質泥巖、泥頁巖層易吸水后膨脹，產生縮徑現象；三是939.69～1046.55m，孔段巖層的傾角為55°～70°，巖層傾角大，巖石裂隙發育、部分巖芯較破碎，含豐富的菱鐵礦結核，鉆進時在鉆具敲擊和沖洗液的沖刷破壞下，產生鉆孔掉塊、坍塌，孔內的沉渣多、泵壓高，造成抱鉆、鉆具下不到底等現象。鉆進這些復雜地層，必須選用低失水量，以護壁為主的沖洗液，形成薄而堅韌的泥皮，且具有優良的護壁防塌性能的沖洗液。在巖層傾角較大的孔段，適當增加泥漿的粘度和比重，以平衡地層的壓力。經過現場摸索選用以下2種配方的沖洗液，較好地解決了這些問題，取得了良好的效果，見表1。

表1 防塌沖洗液配方與性能

表2 防塌沖洗液配方與性能

表1配方主要用于孔深786.40～939.69m淺灰色的泥巖層、泥頁巖、構造破碎地層、厚粉煤層等水敏性地層。表2配方主要用于孔深939.69～1046.55m，孔段巖層的傾角為55°～70°，巖層傾角大，巖石裂隙發育、部分巖芯較破碎，含豐富的菱鐵礦結核的巖層，也可以在表1的基礎上，加入適量的重晶石粉，提高泥漿的比重，平衡孔壁的側壓力，較好地解決了孔內掉塊、坍塌、沉渣多的問題，維持正常的鉆進施工。

3.6 鉆孔護壁措施

（1）水泥漿固孔護壁。在復雜地層鉆井中，水泥漿固孔護壁是處理鉆孔坍塌掉塊的重要措施之一，特別是在長孔段的構造破碎帶地層中鉆進效果較為突出。然而，在該孔931.71m處，巖層的傾角大（≥65°）封了2次水泥，未能取得成效。

（2）套管護壁。分析總結前面施工的2個報廢鉆孔的經驗教訓，在鉆孔結構的設計上，采用?98mm口徑作為主徑施工，預留了一級?77mm口徑。使用優質泥漿護壁打穿較破碎的巖層和傾角大的巖層，進入完整的地層后下?89mm的飛管311m到孔深1046.55m。

4 經濟效益

該孔從外協鉆機接手后9月27日開孔，終孔深度1360.76m，歷時55d。鉆月效為742.23m/鉆月；外協鉆機從4月4日開鉆至9月16日撤離，歷時6個月13d未能打到目的層。挽回大部分經濟損失，為今后施工類似的地層提供借鑒作用。

5 結論

（1）針對杳坑北煤勘區地層情況和前期鉆探施工中存在的問題分析研究，采取相應的鉆孔結構、調整泥漿性能參數、水泥封孔、技術套管等工藝技術措施，解決了復雜地層鉆探施工中存在的問題。

（2）使用上述不分散低固相泥在孔深786.40～1046.55m淺灰色的泥巖層、泥頁巖、構造破碎地層、粉煤層等水敏性地層使用，具有一定護壁防塌效果。

（3）在中深部巖層傾角較大的地層施工中，孔內存在的掉塊、坍塌現象，適當提高泥漿的粘度，并加入適量重晶石粉提高泥漿比重，維護和調整好鉆孔的壓力平衡關系，在很大程度上是可以保持孔壁穩定的。

（4）復雜地層鉆進使用水泥漿固孔護壁無效的情況下，可以使用套管隔離，能夠取得良好的效果。