福建煤田深孔钻探施工技术探讨

闫国民

(福建省121地质大队，福建 龙岩364021)

1 福建煤田深孔施工的主要特点及其复杂性

福建煤田复杂地层钻探施工难度较大，地质构造复杂，断层发育，岩层极其破碎且较松软，泥岩受挤压破碎为薄片状或烂泥状，从而导致孔壁极易坍塌。坍塌严重地层主要在童子岩组地层的煤系地层内。童子岩组地层与下伏地层文笔山组(P1w)呈整合接触;与上覆地层翠屏山组(P2cp)呈断层接触(F8)。在该段地层内煤层较多，以某矿区内ZK902号孔为例，在上部450～700 m内，可采煤层就超过13层，且多为粉煤。

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: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;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。福建龙永煤田翠屏山砂岩破碎带地层，挤压揉皱、岩心破碎且地层倾角较大，保持孔壁稳定是提高钻探效率的主要技术措施。

(3)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＞10级，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。

(4)深孔施工技术要求高，难度大。

2 钻探设备机具选择

根据钻孔设计孔深、矿区地层等要求，结合实际情况，主要配备设备机具如下。

钻机:XY－6B、XY－5型立轴岩心钻机;

动力机:100～150 kW柴油发电机组;

钻塔:17 m四角铁塔承载能力35 t以上;

泥浆泵:BW－250型或BW－320型;

附属设备:SJ－3000型绳索取心绞车，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。

主要钻具及管材为:S75A、CNH、JS75型绳索取心钻杆，每台钻机配备1500～2000 m;S95A或SJ96绳索取心钻杆，每台钻机配备500～1200 m;50或60 mm正、反丝普通钻杆，每个项目(或矿区)配1000～1500 m。

3 复杂地层施工的主要钻孔结构

以翠屏山组地层为例，且有表土层和风化层，钻孔深度较深，则要下2～3层套管，即用130 mm开孔钻进5～10 m，下入127 mm孔口管隔离孔口表土层和风化层;再用110 mm硬质合金钻进，尽量穿过上部裂隙破碎地层，如果遇岩石坚硬不进尺，即可下入108 mm套管;换用S95绳索取心钻进，尽量穿过翠屏山组地层，此时可下入89 mm套管;换S75+2绳索取心钻进至终孔。若钻孔深部遇复杂地层，则可用71 mm钻杆为套管换S59钻具钻进至终孔。其钻孔结构如图1所示。

图1 130 mm开孔的钻孔结构

钻孔较深，钻孔上部地层较复杂，如有老硐、喀斯特溶洞等，此种情况的钻孔结构必须采用150 mm开孔，下入5～10 m146 mm孔口管;换用130 mm钻进穿过上部破碎地层，下入127 mm套管(提上146 mm套管，下接146/127 mm异径接头);换用110 mm钻进，穿过老硐或溶洞后，下入108 mm套管;换用S95绳索取心钻进，穿过煤系地层的破碎带或漏失地层后，下入89 mm套管;换用S75绳索取心钻进至终孔。若钻孔深部又遇到较复杂地层，难以进尺时，则可再利用71 mm钻杆为套管，换用S59绳索取心钻具钻进至终孔。其钻孔结构如图2所示。

图2 150 mm开孔的钻孔结构

4 冲洗液排岩粉及护壁防塌

该地区使用的冲洗液配方及性能参数见表1。

Ⅰ号配方:适用于上部覆盖层及风化层，岩石破碎胶结性差，穿过后下套管隔离;

表1 低固相冲洗液的配方及性能指标

Ⅱ号配方:适用于钻进水敏性地层，护壁效果较好;

Ⅲ号配方:适用于钻进构造破碎带、风化胶结性差及厚煤层等易塌地层，防塌护壁效果较好;

Ⅳ号配方:一般用于中等坍塌地层、掉块地层，携岩性能好，利于保持孔内干净;

Ⅴ号配方:适用于岩性极其破碎、孔内坍塌极其严重的煤系地层，此泥浆方案有很好的护壁防坍塌效果，是钻进复杂地层的主要护壁措施。

在钻进过程中，膨润土和泥浆处理剂将被岩屑及孔壁吸附而消耗，需要不断补充，以保持良好的泥浆性能。

5 钻探施工工艺

5．1 局部易坍塌孔段治理技术措施

治理此类问题主要采取的措施是:反复冲孔捞砂，边捞砂边单管钻进，穿过局部坍塌层。以悠远矿区ZK203孔和ZK201孔为例，地层复杂为泥岩和粉砂岩互层段，岩心极其破碎，靠泥浆难以维持孔壁稳定，时常出现抱钻、憋泵、卡钻等孔内异常情况，使得绳索取心钻进难以进行，故采用边捞砂边单管钻进的技术方案，即:SP77A钻杆配合SP95A捞砂管单管取心钻进(捞砂管长5.63 m，其中取心短管长0.64 m)。为防止钻具扭断，采用“轻压慢转”，虽然进尺较慢，但顺利地穿过了局部易坍塌孔段，避免了孔内事故扩大化。该段地层主要钻进参数为:转速175 r/min、钻压5～8 kN、泵量90 L/min。

5．2 孔壁不稳且裂隙漏水地层的护壁措施

(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。如福建龙永煤田悠远矿区303号孔，孔深1302.30～1354.38 m，龙永煤田红林坪矿区11－4号孔，孔深865.40～890.50 m，龙永煤田东门矿区17－1号孔，孔深 910.36～938.51 m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 mm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)适当增大钻孔口径，有利于孔壁的稳定。

5．3 深孔厚煤层坍塌护壁排粉对策

悠远矿区302号孔主采煤 M3煤，在孔深1300.08 m见煤，煤厚5.30 m，该煤层以块煤夹2/5粉煤，穿过煤层后出现煤层严重坍塌，选用优质低固相泥浆，冲扫孔护壁和排除孔内岩、煤粉效果较理想，但当泥浆稍稠(粘度约27～28 s)，泵压均在7.5～8.5 MPa，水泵超负荷工作咔咔响声很大，同时出现水泵皮带轮轴花键打掉多次，一度无法正常钻进，只好用电焊焊死。后来采用改变水泵缸套、活塞，由80 mm缸套改用65 mm缸套，提高了水泵排水泵压，改善水泵工作负荷重的问题。同时选用多种泥浆处理剂，如植物胶、CMC、护壁剂、防塌剂、改性沥青，将泥浆固相含量减少30%，增加多种泥浆处理剂比例，提高了泥浆的流动性，降低了水泵排浆泵压，从而增大了孔口泥浆的流量，减少对孔壁和煤层的冲刷，逐步解决了厚煤层坍塌、护壁及孔内排粉问题。

5．4 涌水问题的处理方法

以龙永煤田东门地矿区ZK902号孔为例，该孔上部地层风化严重、松散，我们选用多路套管护壁。146 mm套管下到45.20 m，127 mm套管下到71.02 m，108 mm套管下到127.26 mm。换95 mm绳索取心钻进，当钻进到503 m时出现严重漏失，采用锯末和泥球堵漏，效果较理想。但该孔上部涌水较大，从127 mm和108 mm套管外涌流出约40 L/min的流水量，破坏了泥浆性能，造成泥浆粘度降低，携粉能力不足，转速开不上去，使得钻效明显下降。后来采用降低套管口，将127 mm和108 mm套管外涌水隔离引出，不流到泥浆池内，解决了涌水破坏泥浆性能的问题。

6 施工技术措施

6．1 钻孔纠斜技术

在红林坪矿区11－4号钻孔，180 m左右频繁出现断钻杆事故。通过事故原因排查及测斜数据表明:在120～180 m钻孔偏斜严重，局部偏斜达到15°，可见钻杆扭矩较大，是造成事故频繁的原因。为保障下一步施工的正常进行，综合考虑，决定在180～112 m和112～90 mm采用2步封孔法纠斜。取充盈系数为2.28。第一步，180～112 m水泥封孔，应用水泥33包;2天后的检测结果达到预期值;第二步，112～90 m封孔，应用水泥27包。为保障封孔质量，予以钻孔3天的凝固时间。0～9 m，采用150 mm口径透孔，并下入146 mm套管至9 m;9～73.5 m，采用130 mm口径透孔，并下入127 mm套管至73.5 m;73.5～197 m，采用110 mm口径透孔，并下入108 mm套管至197 m;197～197.5 m，采用95 mm口径，并下入89 mm套管197.50 m。经测斜数据表明，透孔纠斜成功，百米内顺利纠斜15°，为顺利成孔提供了有力的保障

6．2 钻杆内壁结泥皮问题

采用泥浆作冲洗液，钻杆内壁(钻杆柱上部，2～4个立根)结泥皮是绳索取心钻进的重要问题。由于钻杆内壁结泥皮，缩小了钻杆内径，直接阻碍打捞器和内管总成在钻杆柱内升降，造成捞取岩心失败。其主要原因是:泥浆中的固相颗粒和岩粉，在钻杆柱高速回转的离心力作用下，被抛向管壁，粘附在管壁上，并逐渐挤密压实，越积越厚，形成了坚韧的泥皮。在摸索中采取合理措施，有效地解决了施工问题。具体如下:(1)钻进时，选用无粘土冲洗液或低固相优质泥浆;(2)在钻探现场多配置一个泥浆搅拌机，保证处理剂搅拌均匀和泥浆清净;(3)改进泥浆循环系统，由于山地施工钻场面积有限，增加循环槽长度困难，可采用增加岩屑沉淀池数量的办法，设1个大沉淀池(6～9 m3)和3个小沉淀池(0.8 m3)，并做到勤清渣和及时更换泥浆;(4)采用除砂除泥器净化泥浆;(5)在保证纯钻速的条件下，尽量降低钻具转速;(6)现场施工中，结垢已经影响打捞时，在提钻前0.5 h采用稀释原浆的方法，使层流流动转换成紊流冲蚀，以减小垢层的厚度，增大流动通径，从而可有效抑制钻杆内壁结泥皮问题的发生。

6．3 小间隙引起的液压阻力问题

小间隙是指绳索取心钻杆与孔壁之间的间隙小(2～3.25 mm)，内管与钻杆内壁之间的间隙小(2.5～3 mm)。由此而引起的问题是冲洗液循环阻力大、泵压高，这不仅增加动力消耗，而且在钻杆柱和孔壁间产生过大压力，破坏孔壁的稳定，引起冲洗液的漏失和孔壁的坍塌掉块，上下钻具时，使孔内冲洗液产生压力波动式变化的压力“激动”，造成孔壁失稳而垮塌或地层被压裂而带来冲洗液漏失。

严格控制泵量，防止因冲洗液上返速度过快，剧烈冲刷孔壁。据有关资料介绍，冲洗液上返速度超过1.5 m/s后，动失水量增加，孔壁泥皮难以形成。因而钻进不稳定地层时，冲洗液上返速度应控制在0.5～1.5 m/s。［8］

7 结语

(1)福建煤田复杂地层地质构造复杂，断层发育，岩层极其破碎且较松软，页岩、泥岩、炭质泥岩、厚粉煤层等会吸水膨胀，孔壁失稳从而导致孔壁极易坍塌，钻探施工难度大。

(2)福建煤田施工孔深大多为1200～1400 m，选用的钻探设备为XY－5、XY－6型钻机及配套的柴油发电机组等。

(4)煤田深孔钻探施工工艺:采用除砂除泥器净化泥浆等解决钻杆内壁结泥皮问题;采用封水泥透孔法纠斜;采用套管隔离及应用优质防塌冲洗液法成孔解决孔内漏失严重问题;特殊地层采用边单管钻进边捞砂的钻进工艺。

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