荥巩煤田下部铝（粘）土矿普查岩芯钻探施工工艺

杨宽才，李大鹏

（河南省地质矿产勘查开发居第四地质勘查院，河南郑州450001）

荥巩煤田下部铝（粘）土矿普查岩芯钻探施工工艺

杨宽才*，李大鹏

（河南省地质矿产勘查开发居第四地质勘查院，河南郑州450001）

荥巩煤田煤下铝（粘）土矿项目存在大片采空、塌陷区，给煤下铝勘探项目造成诸多不便。对采空区存在的主要施工技术难题，通过套管护壁堵漏和引进ZQM-89型半合管式单动双管钻具针对性进行处理，总结经验教训，为开展类似钻探施工提供参考。

煤下铝；采空区；瓦斯；ZQM-89型半合管式单动双管钻具；采取率

1　工程概况

“河南省郑州市荥巩煤田下部铝（粘）土矿普查”项目是河南省国土资源厅地质勘查基金项目，勘查单位为河南省科学研究所，设计钻探工作量11000m，我单位承担施工了其中的5500m钻探工作量。我单位于2014年5月3日第一台钻机进场开始施工，截止9月30日，累计完成钻孔22个，完成钻探工作量5587m。已完工钻孔均一次性通过野外验收，全部达到设计质量要求。

2　地质概况及设计要求

2.1地质概况

矿区位于华北板块嵩箕断隆内，嵩山背斜北翼东段，属华北地层区嵩箕地层小区，地层走向近东西倾向近北，地层倾角5°～20°；主要由煤层露头、沙鱼沟断层和郭小寨断层所为限，五指岭断层将嵩山断层截为两段，自西向东轴部渐向北移。区内地层发育由老到新有寒武系、奥陶中统、石炭系上统、二叠系、三叠系下统和第四系。主要由灰色薄层状灰岩、砂质页岩、砂岩、泥岩灰色中厚层状铝土矿等10余种岩石组成，可钻性1～9级，研磨性程度：极低—较高。钻孔地层剖面见表1。

表1　钻孔地层剖面

2.2地质设计要求

设计孔深：100～550m，钻孔倾角：90°，终孔口径：Ø91mm，二1煤层底板以上不取芯，二1煤层底板以下取芯。岩芯采取率：矿芯平均采取率不低于85%，围岩岩芯的分层平均采取率一般不得低于75%。其他要求依照《铝土矿、冶镁菱镁矿产地质勘查规范》（DZ/T 0202-2002）和《煤炭地质勘查钻孔质量标准》（MT/ T1042-2007）执行。

3　施工难点

3.1钻遇煤矿采空区，钻孔坍塌掉块严重，孔内事故频发

采空区施工的难点主要包括2个方面：漏失和坍塌掉块。根据预查区已完钻孔了解到的地层情况得知，该区钻孔孔深一般较浅，存在1～2层采空区，除因地质构造、裂隙而造成的天然漏失，煤矿开采引发煤层顶底板围岩应力平衡被打破，加剧上覆地层地质体及裂隙的破坏，造成采空区塌陷引起地层被拉裂、搓碎等，使漏失更严重。由于漏失引发孔内井壁压力失衡，施工中钻孔坍塌严重，钻进困难。

3.2部分钻孔岩、矿芯采取率低

煤下铝钻探施工所遇地层存在多层煤层，且煤层顶板或发育炭质软泥，采用的普通单管或双管钻具，易因冲洗液的冲刷，起钻中的激荡造成岩芯的掉落。裂隙发育的砂岩、灰岩及矿层顶底板部分破碎，普通钻具难以保证采取率，难满足铝（粘）土矿的高要求。

3.3易钻遇到瓦斯，爆炸风险大

矿区内煤炭储量丰富，煤质优良，经过常年开发，形成的大片采空区易富集瓦斯，一旦钻孔穿遇到该层位，瓦斯易顺钻孔泄露至地表，在井口易发生燃烧爆炸事故。

4　钻探设备及器具选择

根据矿区的地质条件、钻孔设计深度、结构、钻进方法，并结合以往在类似矿区施工经验，综合考虑，主要以实用煤下铝钻探施工的设备、管材、钻具等为主，优化配置，确保项目树立完成。

钻机：采用XY-2、HXY-4T塔机一体、XY-4和XY-44四种型号的钻机，针对不同钻孔深度，合理调配钻机。通过实践证明，上述3种型号钻机性能稳定，分别满足了不同钻孔深度的需要。

泥浆泵：采用BW-250型泥浆泵，性能稳定，安装维修方便，满足了生产需要。

钻塔：主要选用HCX-13型钻塔，钻塔构件轻，便于搬运，提高起下钻的效率，以减少辅助时间。

钻杆：为保证钻进的安全生产需要，主要选用无锡中地地质装备有限公司生产的Ø60mm墩粗钻杆，满足生产所需。

5　施工技术方案

5.1钻孔结构设计

该矿区地层属于沉积岩地层，因有采空区，钻进中经常遇到坍塌、掉块、漏失、缩径等技术难题，因此设计钻孔结构时，应留足套管隔离复杂地层的口径。

根据地质设计要求，该工区钻孔终孔孔径为Ø91mm。详细的钻孔结构如下：

开孔Ø146mm，钻进基岩2m后下入孔口管；换Ø130mm三翼钻头全面钻进至二1煤层底板，快速下入Ø127mm套管护壁；再换成Ø110mm孔径，钻进至一1煤层底板下2m，下入Ø108mm飞管，此处根据钻孔实际情况而定，如所取岩芯破碎，坍塌掉块严重，可考虑下Ø108mm全孔套管，如未遇采空区，可不下套管；一1煤层底板以下，岩层相对稳定，岩芯较完整，可换Ø91mm孔径一径到底。钻孔结构图见图1。

图1　钻孔结构图

5.2钻进技术方法

5.2.1钻进技术方案

根据地质剖面可得出，第四系覆盖层可钻性低，可用Ø146mm三翼钻头开孔，钻进基岩2m后下入孔口管，焊接牢固，控制弯曲度；二叠系、三叠系地层主要是砂岩、泥岩、砂泥岩互层为主，可钻性4～6级，地层因煤矿开采破坏，坍塌掉块和漏失严重，单靠泥浆护壁完成全孔钻进是不够的，需采取综合护壁堵漏措施，在泥浆护壁条件下换Ø130mm三翼钻头全面钻进至二1煤层底板，快速下入Ø127mm护壁套管封隔坍塌掉块段；再换成Ø110mm金刚石单动双管钻具取芯钻进，钻至一1煤层底板下2m，下入Ø108mm飞管，此处根据钻孔实际情况而定，如所取岩芯破碎，坍塌掉块严重，可考虑下Ø108mm全孔套管，如未遇采空区，可不下套管；一1煤层底板以下，为石炭系和奥陶系，多由铝土矿、粘土矿、石灰岩组成，岩层相对稳定，岩芯较完整，可使用Ø91mm金刚石单动双管钻具一径到底，关键点为保证岩矿芯采取率，必要时可换用局部喷反钻具或绳索取芯钻进工艺提高岩矿芯的采取。

5.2.2钻具组合

（1）三翼全面钻进自下而上的钻具组合为：

钻头→钻铤→Ø60mm钻杆→钻机立轴。

（2）普双取芯钻进自下而上的钻具组合为：

钻头→岩芯管→钻铤→Ø60mm钻杆→钻机立轴。

5.2.3钻进技术参数的选择（表2）

表2　钻进参数推荐表

5.3冲洗液

工区顶部第四系地层覆盖，层厚20～300m不等，该地层能实现快速钻进，可最大难度在于护壁。其以粘土层为代表，包括亚粘土、黄土、砂质粘土等，其特点是，遇水膨胀，造浆性强，施工中易出现膨胀缩径，强烈的粘土侵蚀使泥浆密度增大，流动性变差，性能稳定困难。通过配置高粘度腐植酸钾钻井液可以对覆盖层进行有效的护壁。基岩内钻进，尤其是在采空区内，应追求快速钻进，采用高粘、低密度的低固相泥浆可满足要求。穿越覆盖层，下入套管护壁后，可使用普通泥浆钻进至终孔。冲洗液的配制如下：

腐植酸钾-KF-1低固相泥浆配置：

配方：13%优质粘土+7%烧碱+0.2%～0.3% CMC+2%～5%KHM（腐植酸钾）+1.5%植物胶+0.2% KF-1（润滑剂）。

不分散低固相泥浆配置：

配方：5%优质粘土+7%烧碱+0.2%～0.3%CMC+ 300～350ppmPHP+0.1%发泡剂。

普通低固相泥浆配置：

配方：6%优质粘土+3%烧碱+0.1%～0.2%CMC+ 300～350ppmPHP。

钻井液性能见表3。

表3　钻井液性能一览表

6　钻探技术措施

6.1套管护壁、堵漏

根据煤田地层特点，一1煤层以下进入本溪组，即铝土矿工作的目的层位，工区内一煤组部分可采；山西组为二煤组主要地层，其二1煤为本区重要的可采煤层。该项目二1煤层底板以上不取芯，可采用Ø130mm三翼钻头全面钻进和套管及时跟进护壁的工艺，对二1煤层底板以下至一1煤层底板以上取芯段，可采用Ø110mm金刚石单动双管钻具进行取芯，遇采空区下入Ø108mm飞管或全孔套管，飞管用丝扣连接上紧，丝扣要加缠棉线上铅油，上紧后，电焊焊牢，防止钻进过程中由于震动造成脱节错位。飞管上下两头在300～500mm处缠绕止水物，缠绕外径为109～110mm，以保证在水泥固井时水泥浆不从飞管与孔壁的间隙流向采空区漏水层段。飞管上端为套管反扣，飞管下端口加工成小马蹄状，防止起钻时碰挂飞管。

6.2ZQM-89型半合管式单动双管钻具保证采取率

半合管式钻具不仅对煤层使用效果显著，通过更换钻头的方式，对破碎带、铝（粘）土矿层同样能保证不错的钻进时效和高的采取率。

该型钻具的通水结构中冲洗液经过外管接头中的同心孔进入钻具，经过内管与外管的间隙后，大部分从钻头的斜孔泄出，可减少冲洗液对岩芯的冲刷，小部分从卡簧座与钻头内壁斜台的缝隙中泄出。在内管接头中有一钢球，具有类似于单向阀的作用，既可避免冲洗液进入岩（矿）芯，又可排除半合管内空气压力。

钻具的卡取装置由爪簧、卡簧、卡簧座组成，爪簧和卡簧组合在一起，成为一体。卡簧在卡簧座中可以滑动，其内壁有竖槽，可增大与岩（矿）芯的摩擦；侧面有一切口，具有较大的伸缩性。钻进开始时，岩芯顶着卡簧向上移动，卡簧受到爪簧的影响被限位，此时卡簧处于自由状态。提钻时，受到岩芯作用卡簧下行，在卡簧座内孔的限制下开始收缩抱紧并将岩芯提断，如果岩芯松软，岩芯直径变化大，由于爪簧变化范围大，此时岩芯不会轻易脱落；如果岩芯较硬，主要由卡簧抱紧岩芯，爪簧作用小。

通过使用该型钻具的ZK08907和使用普通单动双管的ZK08903相比较，岩矿芯的采取率提高3%～8%不等，完全满足铝（粘）土矿对高采取率的要求。

6.3采用优质高效钻头

由于该区二1煤底板以上不取芯，选择的钻头有三翼复合片钻头、复合片取芯钻头、双管金刚石钻头等。工区采用的复合片钻头种类较多，每类钻头的PDC数量，后倾角、旁通角及排列方式不尽相同，现以长沙探矿机械厂生产的Ø91mm复合片钻头为例，每个钻头用8片PDC，每片PDC的后倾角15°，旁通角7.5°，出露高度为4mm保持不变，排列方式采用单环式布置方式。孕镶金刚石钻头所用金刚石的粒度取决于所钻岩性，粒度为46～60粒/克拉，钻头胎体的硬度：HRC30，应用于中硬的弱研磨性岩层。采取多种钻头配合使用，取得了较好的钻探效率。

6.4预防瓦斯爆炸事故采取的措施

一方面当快钻遇到瓦斯地层时要尽量采取低的钻进参数施工，减少对孔内地层的破坏扰动。另一方面，机台操作人员要密切关注从孔内上返出的泥浆冲洗液，如果发现冲洗液含有大量气泡，就要判断是否是孔内瓦斯上到地表。一旦判断为瓦斯气体，要立即停止回转，尽量往孔内灌注泥浆冲洗液，防止出现井喷现象。同时，机台人员要及时撤离施工现场，并做好警示标志，待到上返的冲洗液不含气体时再开始钻进施工。若遇到有较大瓦斯突出记录的地层时，应在钻具级配上选取防突钻头或新型的钻具级配形式，作为孔内的防突措施

7　结语

通过该项目的施工，在采空区钻探施工领域，取到许多宝贵的经验教训，可也存在着很多问题。总结内容具体如下：

（1）前期对采空施工难度的认识不足，导致废孔、移钻现象频繁出现，孔内事故率较高，造成相当大的经济损失。

（2）引进的ZQM-89型半合管式单动双管钻具在工区得到了成功应用，更是根据不同地层合理更换钻头，使其既能适应煤层又能适应硬质破碎地层，保证了钻进时效和高采取率。

（3）部分钻孔曾出现打丢煤层的现象，煤层较薄，一穿而过。一定做好标志层判层工作，预测煤层位置，谨慎小心，见软起钻，更根据煤层位置准确预测矿层，提前做好取矿工作。

（4）针对可能会出现的瓦斯泄漏，要提前做好准备，防止大的人员、设备安全事故发生。

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P634.5

B

1004-5716（2016）01-0065-04

2015-01-23

2015-02-05

杨宽才（1983-），男（汉族），河南信阳人，工程师，现从事岩芯钻探技术质量管理工作。