礦井復雜地質條件下軟巖層鉆進技術研究

陳鐵軍

（冀中能源股份有限公司葛泉礦，河北 邢臺 054107）

軟巖層是巖石經過復雜的地質作用和自然因素影響而形成的，軟巖具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和觸變性，因此在此類地質巖層鉆進過程中，因其自身原因沖洗液護壁困難，因機械破碎原因巖屑過多，容易引起埋鉆、塌孔、鉆孔縮徑卡鉆、抱鉆等鉆孔事故，造成鉆頭壽命低，巖芯采取率低，易導致事故頻發，嚴重影響鉆探施工正常鉆進。

1 軟巖物理力學性質

軟巖物理力學性質指軟巖在水作用下表現出來的性質，對巖體有突出影響的主要包括可塑性、膨脹性、易擾動性。軟巖層在鉆探過程當中比較容易發生鉆孔事故，主要是與軟巖的可塑性、膨脹性、易擾動性密不可分。

1.1 軟巖的可塑性

軟巖的可塑性是指由軟巖中泥質成分的親水性和結構造面擴容共同引起的，與黏土礦物成分吸水軟化有較大關系。軟巖可塑性的變形機制比較復雜，與軟巖結構面擴容機制和黏土礦物吸水軟化機制同時存在。

1.2 軟巖的膨脹性

軟巖的膨脹性是軟巖遇水發生體積增大稱為軟巖的膨脹性。主要以吸水膨脹變形為主，根據產生膨脹機理可分為內部膨脹性、外部膨脹性和應力擴充膨脹性。

1.3 軟巖的易擾動性

由于泥巖構造主要由黏土礦物組成，其次為碎屑礦物和有機質礦物，由于質地松軟、裂隙發育，遇水極易吸水膨脹，對加載、卸載、振動較為敏感，具有遇水吸水膨脹軟化特點。

1.4 軟巖的可鉆性

在軟巖地層鉆探過程中，因其本身含黏土礦物較多，且質地松軟，鉆進過程中極易遇水膨脹變軟，極易造成鉆孔縮徑，引起卡鉆或鉆桿折斷事故；另外，由于巖層較軟，易造成堵鉆頭、造成鉆頭磨損率高，鉆頭壽命大大降低，進而引發事故，影響正常鉆探施工。

2 軟巖鉆進效率低的原因分析

1.一般情況下，鉆孔施工在鉆進軟巖時，一旦鉆頭進入巖層內，由于其硬度低、堅固系數低、泥質黏土含量大、粘度較大，鉆頭在切割、破碎、攪拌過程中分離出來的粘稠膠質泥巖與部分砂巖易沉積孔底，由于其隙度較小，粘度大，細小顆粒巖粉結構被水沖散后，又很快沉淀、固結，在鉆進過程中，若供水水壓和水量不足以順暢排碴時，就極易發生埋鉆事故，造成巖粉抱死鉆桿，無法轉動、起拔，發現鉆探事故，嚴重影響正常鉆進施工[1]。

2.鉆孔在鉆進砂質泥巖時，由于砂質泥巖的主要成分為砂質顆粒，其膠結物為黏土，鉆進過程中，鉆頭旋轉切割破碎泥巖，產生大量的砂質顆粒巖粉，鉆孔下斜角度較大時，孔底巖粉難以順暢排出，造成大量砂質顆粒巖粉持續不斷地圍繞在鉆桿周圍，逐漸將鉆桿和鉆頭埋死抱緊，當鉆桿所承受摩擦力大于鉆機的扭矩時，發生鉆桿、鉆頭無法旋轉、退進，就發生埋鉆事故。

3.在地質構造帶、背向斜軸部等原巖應力集中區域，鉆孔鉆進軟巖時，因鉆孔的切割、破碎改變了鉆孔周圍巖層的應力平衡狀態，巖層應力的重新分布而在鉆孔壁周圍形成高應力集中區，鉆進過程中孔壁應力平衡狀態不平衡造成孔壁崩裂，引發鉆孔塌孔，鉆孔堵塞，造成鉆孔返水、排碴困難，鉆桿扭矩變大、鉆機負荷變大，鉆孔不能正常施工，也是影響鉆孔施工效率的重要因素之一。

4.鉆孔鉆進軟巖過程中，容易造成堵鉆頭、鉆桿、縮徑卡鉆等現象，以致引發鉆孔卡鉆、斷鉆、掉鉆具、鉆頭等鉆探事故，處理鉆探事故需要人力、物力、財力，使鉆探成本增加、效率降低，還有可能造成廢孔，使鉆探施工承受較大的經濟損失。

3 軟巖鉆進過程中主要存在的問題

由于軟巖黏土基質含量較高，膠結程度較差，吸水時往往具有膨脹性和易溶性，因此在鉆進過程中會給沖洗液維護、孔壁不穩定、塌孔等帶來各種問題。

1.軟巖鉆進沖洗液控制難：由于軟巖的黏土礦物含量較高，膠結程度較差，吸水極易膨脹，水化分散能力強，造成沖洗液的流變性難于控制。在鉆進過程中，隨著軟巖中黏土礦物不斷被水化分散，沖洗液的黏度逐漸增加，過高黏度的沖洗液的流動性較差，給凈化工作帶來極大影響，造成濾失量損失大，難以控制。

2.鉆孔揭露軟巖時，軟巖遇水吸水體積增大膨脹，鉆進過程中鉆孔上部孔徑變小，造成鉆孔縮徑現象，鉆孔提鉆時阻力變大，提鉆困難。

3.軟巖鉆進過程中由于巖層硬度小，鉆進速度快，巖粉不能及時排出，造成鉆頭、鉆具、鉆桿淤堵，鉆進過程中鉆頭切割破碎巖能力大大降低，鉆進速度減緩，影響鉆探正常進尺[2]。

4 針對軟巖鉆進效率低的應對措施

1.機臺必須配備鉆探經驗豐富的高素質人員操作鉆機，并嚴格遵守有關鉆探操作規程，施工前檢修保養鉆機到位，保證鉆機等設備處于完好狀態，確保鉆機正常運轉。

2.合適的鉆孔結構。

（1）鉆孔結構：開孔前必須詳細了解設計及周邊巖層地質情況，如周邊已有施工的鉆孔，則應對已鉆出的巖芯進行詳細的分析，設計出合理的鉆孔結構。一般應選用直徑133mm 開孔鉆具，穿過覆蓋層后下入直徑127mm 套管（套管底部可用水泥固結，以防止套管下沉），再改用直徑113mm 鉆進至能完全坐穩套管后下入直徑108mm 套管，再改用直徑94mm 鉆具鉆進，可暫時不下入直徑89mm 套管，以防止擴孔難以起拔，但直徑94mm鉆具需盡可能深，再改直徑75mm取芯鉆進。

（2）軟巖鉆進鉆頭的合理選擇：由軟巖地層巖石硬度低、強度小，可在小的軸向壓力下切入巖石，當切入深度較大時，巖粉的碎屑顆粒也較大，但容易破碎成小顆粒；鉆速很快，單位時間內產生的巖粉量較大，要求鉆頭、鉆桿通水量較大，鉆孔容易排粉；排粉困難時應適當加大鉆頭外徑，提高排粉能力；軟巖層黏土基質含量較高，黏結性大，軟巖遇水吸水體積增大膨脹，鉆進過程中鉆孔上部孔徑變小，容易出現鉆孔縮徑現象，造成鉆孔提鉆時阻力變大，不容易提鉆，因此，針對此種地質構造層，在鉆頭選擇上，應選用質地較好的硬質合金鉆頭進行作業。同時，為了增加鉆孔水量和水壓，保證正常排粉，最好選取硬質合金鉆頭上加大鉆頭出刃和帶筋骨的鉆頭鉆探。

（3）合適的鉆具組合：因軟巖具有較強的塑性變形，鉆具在鉆進作業高速旋轉中易與地層巖壁摩擦力，因此，針對軟巖地層鉆進問題，要提前準備和計劃鉆具組合，以簡化、高效的原則搭配鉆具，在預防卡鉆的同時，減少施工浪費，節約成本。

（4）軟巖淺孔鉆進時，應采用光桿鉆桿施工，并配以風水混合聯合排碴方式，其工藝流程為鉆進－切割－破碎－風水混合－孔底排碴。風水混合排碴方式要能隨時控制孔內排碴的干濕程度，保證巖粉排碴通暢，不會造成埋鉆卡鉆事故。

（5）軟巖深孔鉆進時，應采用螺紋鉆桿鉆進，水力排碴方式進行鉆探施工，鉆孔內的巖粉在水量水壓的作用下，通過螺旋鉆桿旋轉，將鉆孔內混合巖粉的水流沿孔壁旋轉擠壓，當鉆孔供水水壓壓力大于孔內水壓時，在孔內形成較為明顯的瞬時激流和脈沖水流，通過鉆孔水攜帶鉆孔巖粉碎屑，將孔內的巖粉碎屑有效地排出，達到防止鉆孔內巖粉沉淀，發生抱鉆、埋鉆的目的。螺紋鉆桿在鉆進過程中通過自身的螺旋曲面旋轉，持續不斷地對鉆孔內巖粉顆粒進行破碎、切割、攪拌，能夠將孔內的巖粉與鉆孔供水充分混合，保證鉆孔的排碴順暢。采用攜帶導向等鉆具鉆進方法時，使用靜水壓排碴，要保證靜水壓力必須大于2MPa，并且在鉆孔鉆進過程中要根據巖層的軟硬程度控制好鉆機的鉆進速度和給進壓力。鉆機的給進壓力極限是固定的，鉆機在旋轉過程中，旋轉壓力可以在13MPa～15MPa，旋轉壓力過大時，容易出現卡鉆事故，正常鉆進時的壓力要比最大壓力小4MPa～5MPa，防止卡鉆事故發生。

3.采取護壁堵漏的辦法可有效應對軟巖巖層中的鉆孔問題。在鉆孔施工過程中，為了應對復雜地層，可有效采取護壁堵漏的方法。護壁也叫護孔，主要是解決孔壁的穩定問題；堵漏主要是解決孔內沖洗液的漏失問題。護壁堵漏是治理解決復雜地層鉆進的有效手段，是預防孔內事故的重要措施。

4.正確使用套管。為保證孔口安裝大閥門控制疏放鉆孔水量，方便鉆孔進行注漿，要依據孔口水壓計算，孔內下入套管的深度，有效預防鉆孔出水。此外，套管是一種有效、可靠、速度快的護壁堵漏方法。在施工過程中，鉆桿旋轉對孔壁進行碰撞敲擊，單純依靠沖洗液護壁，很難保證孔壁長時間穩定，因此下入套管是最穩固的方法，下入套管時，可在套管底部擰緊合金鉆頭或薄壁金剛石鉆頭，合金鉆頭的鋼體外徑與套管接箍絲扣匹配，保證連接牢固，在遇到孔內塌孔或孔底巖粉碎碴較多下管不順利時可大大增加下管成功率[3]。

5.靈活應用壓力平衡鉆進的方法。壓力平衡鉆進法是根據地層特點，現場條件及鉆孔失平衡的具體原因，抓住失去平衡的主要因素，采取相應措施，通過改變沖洗液的比重，提鉆回灌，增大環裝間隙，控制提下鉆速度等進行人為的調整，暫時恢復壓力平衡狀態，保證安全，是維護正常鉆進的一種方法。這種方法不需要什么材料，也不需要設備，簡單易行，只要用的及時、正確，有時在地質條件較為復雜，采用其他方法難以實施的情況下也能取得奇效，立即使鉆機轉危為安，恢復正常鉆進，收到意想不到的效果。即使是清水施工的鉆孔，堅持回灌或使鉆頭由不返水變為返水，也能解決深部鉆孔輕度的坍塌問題。

5 鉆探事故的處理

5.1 孔內事故處理

鉆桿連接方式一般采用平扣或錐扣絲扣的連接方式，當鉆桿絲扣磨損到一定程度或鉆桿在旋轉扭矩較大，超過鉆桿所能承受的扭矩時，鉆桿絲扣或鉆桿有可能發生斷鉆，造成事故。鉆桿脫扣一般用正絲公錐進行撈取，如果在斷鉆后未及時發現，鉆桿斷鉆處可能會出現喇叭口或劈裂現象，采用公錐進行撈取時，會在斷鉆頭處造成與孔壁夾死的現象，應先磨掉斷鉆頭4cm 以上再撈取。當孔內巖層破碎塌孔現象嚴重或孔底段巖粉碎屑較多時，先把公錐底部打眼四個作為出水口，使公錐下端作為一個切割、破碎的切削鉆具，通過提前送水沖洗掃孔，鉆進過程中要輕壓慢進，謹慎操作，控制好合適的鉆進速度和給進壓力，以防止損壞打撈鉆具或淤堵公錐的出水孔，通過如此反復掃孔到鉆桿事故頭處錐取；內管的撈取：當孔內斷鉆整套鉆具時，因鉆具外管孔徑較大，無法錐取外管，應考慮撈取內管總成，首先在下入鉆具前，磨掉上擴孔器，使矛頭完全裸露在鉆具之外，然后把打撈器放在鉆具的鉆頭內臺階上，讓鉆具內的打撈器勾套事故鉆具裸露在孔內的矛頭進行撈取。

5.2 夾鉆、埋鉆事故的處理

當遇到夾鉆、埋鉆事故時，首先要保證沖洗液的正常循環，鉆孔供水壓、水量充足，用最低檔回轉鉆具，上下起拔，盡量將孔內的巖粉排出，減小鉆桿旋轉阻力，直到鉆孔返水變清、孔內巖粉碎屑減少，鉆桿阻力變小時，再緩慢提升。嚴禁在鉆桿旋轉阻力較大時強行進行硬拉強頂的野蠻操作行為，這樣只會造成折鉆斷鉆后果，無論是正扣絲錐還是反扣絲錐處理都非常困難。

5.3 縮徑卡鉆的原因及預防

1.鉆孔發生縮徑卡鉆多在含泥質或黏土較多礦物的巖層，其被鉆孔揭露后吸水膨脹造成鉆孔縮徑變小，其預防方法是盡快鉆穿泥巖段地層，并下入套管，盡量減少鉆具在裸眼中暴露的時間。

2.選擇合適的沖洗液，其性能要優良，濾失量要低，流動要好，粘切要適當，降低有害固相含量，合理選用沖洗液密度。同時加強短起下鉆和長起下鉆是預防縮徑卡鉆的重要措施。

3.軟巖鉆進過程中，要保證供水壓力和供水流量，確保孔底巖粉沖洗干凈；在軟巖鉆進過程中，要慢速鉆進，穿過軟巖后，應反復順孔，防止縮徑卡鉆；施工過程中發現回轉阻力增大，并有憋泵現象時，應停止給壓鉆進，保證供水壓力及水量，使其能夠正常循環，方可正常鉆進，禁止有異常時強行提拉鉆具，冒險作業。

4.停止鉆進時，應及時將鉆具提離到軟巖上部一定高度，最好在軟巖頂上部位置，保證軟巖縮徑不卡鉆、巖粉沉淀不埋鉆，重新鉆進時，應先沖孔后鉆進，緩慢鉆至孔底后方可正常鉆進。

6 結語

復雜地質條件下，在軟巖鉆進過程中，合理選擇鉆具及鉆進方法，孔內下設套管護壁及注漿堵漏，鉆進過程中的給進壓力及給進速度的有效控制，可有效避免鉆孔塌孔、卡鉆、埋鉆等事故的發生，對于提高復雜地質條件下軟巖鉆探施工效率及質量，降低工程成本具有十分重要的意義。綜上所述，軟巖巖層鉆孔問題不僅是解決好其他問題的前提和基礎，而且是影響施工效率、質量的主要障礙，故應采取應對措施來解決此類問題。