復雜地質環境下鉆探施工技術的實踐分析

摘要：陽泉新宇巖土工程有限責任公司在五礦花河峪實施了大口徑瓦斯管路鉆孔工程，旨在泄壓抽采煤層瓦斯并加快礦井掘進。面對復雜地質條件，如地層硬度變化大，公司采用了先進鉆探技術。，通過SPS-2000等鉆機與優化鉆具組合，結合特定鉆井液材料，有效應對了地質挑戰。實踐表明，這些技術提高了鉆探效率與穩定性，為類似工程提供了寶貴經驗。

關鍵詞：復雜地質環境 鉆探施工技術 大口徑鉆孔 鉆井液性能

Practice Analysis of Drilling Construction Technology in Complex Geological Environment

GAO Guanqiang TIAN Hequan^*

Institute of Resources and Environmental Survey of Henan Province， Zhengzhou， He’nan Province， 451150 China

Abstract： Yangquan Xinyu Geotechnical Engineering Co.， Ltd. implemented a large-diameter gas pipeline drilling project in Huaheyu， Wumaohe Wukuang， Yushan， aiming to relieve pressuredepressurize and extract coal seam gas and accelerate mine excavationtunneling. Faced with complex geological conditions， such as large variations in formationsignificant changes inatum hardness， the company adopted advanced drilling technologies. Through using drilling machines such as SPS-2000 and optimized drilling tool combinations， combined with specific drilling fluid materials， it to effectively addressed geological challenges. Practice has shown that these technologies have improved drilling efficiency and stability， providing valuable experience for similar projects.

Key Wwords： Complex geological environment; DriIlling construction technology; Large-diameter drilling; Drilling fluid performance

在當今礦產資源開發的浪潮中，復雜地質環境下的鉆探施工無疑成為了一項技術難題。地質構造的多樣性、巖層的非均質性以及與地下水的復雜分布，都極大地增加了鉆探作業的難度和風險。為了確保礦產資源的安全、高效開采，行業必須不斷尋求并采用先進的鉆探技術。陽泉新宇巖土工程有限責任公司在瓦斯管路鉆孔項目中，面對復雜多變的地質條件，勇于探索，敢于創新。該項目不僅要求精確控制鉆孔軌跡，還需要應對地層硬度變化、煤層氣壓力等諸多挑戰。通過實踐，陽泉新宇巖土工程積累了一系列在復雜地質環境下進行鉆探施工的成功經驗。這些經驗對于行業內其他企業在面對類似地質條件時，具有重要的指導意義。本文將深入挖掘該項目的施工工藝與技術實踐，為礦產資源開發領域的鉆探技術提供新的思路和借鑒。

1 工程背景與地質條件分析

1.1工程概況

五礦花河峪瓦斯管路大口徑鉆孔工程具有重大意義，其的核心目標是利用新型鉆井設備施工瓦斯管路鉆孔，為以達成陽煤集團五礦煤層瓦斯的壓力釋放與抽采目標，進而減少作業面的初始瓦斯濃度，在保障安全的基礎上，加快礦井的開挖速度。同時，通過地質鉆探、錄井、測井等作業，獲取實測地質資料，進一步掌握該地區地層巖性的厚度、埋深及與可鉆性程度，為后續采煤作業和地質研究提供堅實支撐。

工地位于山西省陽泉市平定縣冶西鎮的陽煤五礦花河峪風井工業區范圍內，計劃設置2個大尺寸瓦斯抽采管道鉆孔，兩鉆孔之間的距離大約為7 m。該區域地處太行山脈北段西側，、廟梁與及綠巖腦分水嶺以南，地勢北高南低，桃河流經南部，這樣的地理位置和地形條件為工程施工帶來了諸多挑戰，對鉆探施工技術提出了更高要求。

1.2地質條件分析

施工區域出露的地層按從老到新順序，依次有奧陶系中統峰峰組（O?f）、石炭系中統本溪組（C?b）、石炭系上統太原組（C?t）、二疊系下統山西組（P?s）（P?s）、二疊系下統下石盒組（P?x）、二疊系上統上石盒子組（P?s）、第四系中上更新統（Q₂₊₃）與以及全新統（Q?）。各層地層巖性區別大，可鉆性等級不一樣，給鉆探施工帶來不小難題。

（1）奧陶系中統峰峰組（O?f）在施工區域沒有直接露出地面，不過。但是，依據鉆孔資料，它的巖性是深灰色、灰色、青灰色的厚層狀石灰巖，頂部因鐵質侵染而常呈褐紅色，里面有黃鐵礦晶體，裂隙被方解石脈填充。，揭露厚度為30.00 m[ 1]"，一般厚度超100 m^[1]。

（2）石炭系上統太原組（C?t）在施工區域東南部有少量出露，和下伏的本溪組是連續沉積。這一組地層的厚度在113.71～137.77 m之間，平均厚度為是125.53 m，厚度從東向西逐漸減小。巖性繁雜，有灰黑色泥巖、深灰-灰黑色粉砂巖、灰白-深灰色砂巖、深灰色石灰巖以及和煤層。該組含有8～12層煤，其中，15號煤層在整個區域都能開采，是主要可采煤層；14號煤層大部分區域可采；9號煤層通常有1層炭質泥巖夾矸，多數煤層出現分叉，可采范圍小，屬于不可采煤層；其他煤層都不可采。在鉆進這一地層時，要留意防止垮塌、滲漏，以及做好煤層防塌工作，保障施工安全。

（3）二疊系下統山西組（P?s）作為主要含煤建造之一，二疊系下統山西組在太原組之上連續沉積。其巖性涵蓋深灰、灰黑色泥巖，還有砂巖、灰色不同粒級砂巖與以及煤層。在施工區域東部邊緣，有少量二疊系下統山西組出露。該組沉積厚度處于73.04～102.75 m范圍，平均厚度達86.43 m。當鉆孔鉆遇這一地層，要留意泥巖掉塊情況，還要做好煤層防塌工作，避免意外狀況出現。

（4）陸相沉積的二疊系下統下石盒組（P?x），在施工區域中部和及南部廣泛出露，與下伏山西組呈連續沉積狀態。它的沉積厚度在149.25～169.90 m，平均為160.08 m。施工鉆遇此地層時，關鍵是抑制地層造漿，防止泥巖因水化膨脹而坍塌，以及避免因巖性破碎而致使泥頁巖剝落，以免對鉆進效率造成影響^[2]。

（5）二疊系上統上石盒子組（P?s）廣泛出露于施工區域大部，殘留厚度168.10 m以上。鉆遇時，同樣需要抑制地層造漿，防止泥巖坍塌和剝落，確保鉆孔穩定。

（6）第四系中上更新統（Q₂₊₃）和全新統（Q?）廣泛出露于施工區域，主要由風成黃土、砂土、礫石等沖洪積層組成，厚度分別為0～-12.70 m和0～-5.00 m，與下伏地層呈角度不整合接觸。鉆遇這兩層時，需要防止地層漏失及和坍塌，確保施工安全^[3]。

2 鉆探施工工藝與技術實踐

2.1施工設備與鉆具組合

該工程采用了多種先進施工設備，以滿足不同施工階段需求。（1）引導孔施工主要依賴SPS-2000鉆機和GYD-20L全液壓多功能鉆機。SPS-2000鉆機：，張家口2012年生產，額定功率為720 KkN，適應多地層鉆進；GYD-20L鉆機：，連云港2011年生產，額定功率為1 000 kKN，其多功能特性在引導孔和及擴孔中均發揮重要作用。（2）擴孔施工則選用濟寧2016年生產的BMC-500反井鉆機，功率為178.5 kwW，適用于大口徑擴孔。

在配套設備方面，上海生產的12V135柴油機（180 kKW）提供動力，NJB-300/6-12型注漿泵（45 KkW）用于固井，青州QZ3NB-500型鉆井泵（390 KkW）與石家莊TBW1200A泥漿泵（110 kKW）負責輸送鉆井液，鄭州WD-20發電機（20K kW）保障電力供應。

檢測儀器配備齊全，包括北京生產的無線隨鉆測斜儀（SQMWD-Y和YST-48R）、南京拉力計、開封壓力表、泰安測斜絞車/及北京六合單點和多點測斜儀，實時監測鉆孔參數，確保施工質量和安全^[4]。

鉆具組合用于引導孔復合鉆進，由以下部件構成：Φ[ 2]"215.9 mm的鉆頭，搭配Φ159 mm單彎螺桿，接著是Φ212 mm扶正器，隨后連接Φ159 mm定向接頭，再加上Φ159 mm無磁鉆鋌，然后是10根Φ159 mm鉆鋌，之后接上Φ127 mm鉆桿，最后是Φ108 mm方鉆桿，以此確保鉆孔的垂直度與穩定性。?

1#鉆孔的擴孔鉆具組合，會依據孔徑的增大而作做出相應調整。在一級擴孔作業時，使用的是Φ600 mm擴孔鉆頭，配合穩定鉆桿、普通鉆桿以及和驅動馬達。；二級擴孔所采用的鉆具，是Φ940 mm擴孔鉆頭，同樣連接穩定鉆桿、普通鉆桿和驅動馬達。；至于三級擴孔，選用的則是Φ1 400 mm擴孔鉆頭，與穩定鉆桿、普通鉆桿、驅動馬達相組合。鉆頭結構和性能隨孔徑調整。

2#鉆孔擴孔鉆具組合為“Φ1 200 mm擴孔鉆頭+Φ159 mm鉆鋌+Φ127 mm鉆桿”，。根據鉆孔特點設計，鉆鋌增加重量和剛性，提高擴孔效率和穩定性，；鉆桿保證連接和動力傳遞。

2.2施工工藝流程與技術參數

引導孔開孔施工嚴格遵循設計要求，采用輕壓吊打方式，控制鉆速約2 m/h，以確保開孔的精確與穩定（如圖1所示）。鉆進期間，利用無線隨鉆測斜儀實時監測井斜，一旦發現超限趨勢，立即調整鉆進參數或鉆具組合，確保井身質量，為擴孔施工奠定堅實基礎。

1#鉆孔施工分為引導孔和擴孔兩階段。（1）引導孔使用215.9 mm鉆頭，于2020年5月19日開鉆，于6月7日達到497.60 m井深，歷時19d。隨后，進行反拉鉆進準備。（2）于6月17日開始一級擴孔，使用600 mm鉆頭，于28日完成。6月29日換用940 mm鉆頭進行反井鉆進，于8月7日反至地面，實際擴孔鉆進15 d（扣除維修時間）。于8月9日至24日，使用1 400 mm鉆頭完成最終擴孔^[5]。

2#鉆孔施工與1#相似，但引導孔后僅進行一次擴孔，由215.9 mm直接擴至1 200 mm，采用GYD-20L全液壓頂驅鉆機。引導孔于2020年10月2日開鉆，于11日達到497.30 m井深，歷時9d。于13日開始使用1 200 mm鉆頭擴孔，于11月7日完成。

引導孔復合鉆進時，鉆井液密度控制在1.03～1.6 g/cm3、鉆壓40～60 kN、轉速43～103 r/min、排量20～25 L/s、泵壓4～8 MPa，以確保鉆進效率和井身質量；糾斜鉆進時，調整鉆壓至20～40 kN、轉速43～64 r/min、排量15～20 L/s、泵壓3～6 MPa。

反井鉆機擴孔時，開孔操作需謹慎。擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具至滾刀接觸巖石，以最低轉速（5～9 r/min）旋轉并慢慢給進，避免滾刀受損。系統壓力限制在21 MPa內，根據巖石硬度調整鉆壓，硬巖適當增加鉆壓，軟巖減少鉆壓，同時及時出渣，防止影響施工。

2.3鉆井液材料與性能優化

引導孔鉆井液材料包括膨潤土、羧甲基纖維素（Carboxymethyl cellulose，CMC）、聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）、聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）、Na?CO?。其中：膨潤土增加粘度和切力，CMC調節粘度和失水性能，PAM絮凝降濾失，PAN增強抗溫性和抑制性，Na₂CO₃調節pH值。鉆井液體系為低固相，進入山西組前性能指標：密度1.03～1.12 g/cm3，馬氏漏斗粘度30～35 s，API失水＜8 mL，泥餅厚度0.2 mm，含砂量≤0.3 %，pH值8～8.5，初切/終切0～2/2～4 Pa，塑性粘度15～20 mPa·s，n值0.4～0.8，固相含量＜4 %。

在鉆進過程中，根據地層情況和施工要求，對鉆井液性能進行實時監測和調整。例如：在鉆遇易坍塌地層時，適當增加鉆井液的粘度和切力，提高其抑制性，防止地層坍塌；在鉆遇漏失地層時，調整鉆井液的失水性能，加入堵漏材料，進行漏失封堵。通過對鉆井液材料和性能的優化，有效保障了鉆探施工的順利進行，提高了施工質量和效率。

3結語

綜上所述，本研究通過陽泉新宇巖土工程的實例，展示了復雜地質環境下鉆探施工技術的有效應用。這些技術不僅提高了鉆探效率，還增強了施工穩定性，為煤層瓦斯抽采與礦井掘進提供了有力支持。研究成果具有顯著的理論與實踐價值，適用于類似地質條件的鉆探工程。在未來，應進一步優化鉆探技術與鉆井液性能，以適應更多復雜的地質環境。

參考文獻

[1]劉騫.復雜地質環境下礦山巖土工程勘查鉆探技術應用研究[J].世界有色金屬，2024（14）：136-138.

[2]張薇.破碎帶地層鉆探施工用化學堵漏劑的合成與應用[D].北京：中國地質大學（北京），2021.

[3]肖生龍.煤田地質鉆探中鉆孔漏失及堵漏問題的分析[J].內蒙古煤炭經濟，2024（11）：178-180.

[4]韓鵬.復雜地質環境下的石油勘探技術分析[J].天津化工，2024，38（3）：17-19.

[5]解保磊.淮南煤田新集煤礦水平多分支定向注漿防治水技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2021.