煤矿井下复杂地层近水平钻孔绳索取心钻进工艺试验研究

郝永进， 赵江鹏

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

目前煤矿井下水害治理主要采用钻探手段，而查明地层赋存条件、岩性特征及水文地质条件是水害治理采取针对性措施的基础条件，因此有必要实施一定数量的井下取心钻孔[1]。

中煤新集二矿1煤层组开采受下伏高压承压灰岩水威胁，经井田底板灰岩水文条件勘查及区域水文地质条件研究，该区太原组灰岩含水层具高水压、低存储、少补给、难疏降等特点。为进一步查清煤层底板太原组灰岩分布和富水情况[2-3]，目前该矿区采用常规单管取心方法进行钻孔施工，施工效率低(圆班12 m)、岩心采取率低(55%)、工人劳动强度大。

本次试验旨在解决煤层底板软硬岩频繁交替、局部破碎缩径复杂地层条件下钻孔倾角-15°～-35°、孔深150～200 m、采用清水为冲洗液的快速取心钻孔施工工艺与装备问题，提高井下取心钻进效率，平均钻进效率达到18 m/d以上、岩心采取率达到70%以上、降低工人强度，优选出一套适用于煤矿井下复杂地层的快速取心装备与工艺。

1 试验方案设计

1.1 地质概况

试验钻孔位于新集二矿220108底板巷5号上帮钻场，本次钻孔自太原组1灰开孔，终孔位置进入10灰底板不小于0.5 m；根据前期初探地质资料显示，钻孔布置范围内分布1灰～10灰10层灰岩，灰岩间互层泥岩、砂质泥岩，并在太原组2灰、3灰、4灰、8灰、10灰部分发育煤线。

前期初步勘探显示，1号、补1号钻孔所在地层倾角6.5°，2号钻孔所在地层倾角0°。钻孔设计倾角与地层夹角<30°，加之频繁软硬互层，钻孔易发生“顺层跑”情况造成钻孔偏斜。泥岩、煤线有等软岩、破碎地层可能导致塌孔、缩径，进而引发卡钻、埋钻等孔内事故。

1.2 钻孔结构和设计参数

本次试验设计钻孔2个，终孔层位为石炭系太原组10灰底板，由于1号钻孔报废，后期补充设计施工了补1号钻孔，钻孔设计参数见表1。

表1 试验钻孔设计参数Table 1 Design parameters of test drilling

钻孔采用二开孔身结构，一开：孔径133 mm，下入Ø108 mm套管；二开：75 mm孔径施工至终孔。

其中1号钻孔一开深度22.5 m，下入套管22 m；2号钻孔、补1号钻孔一开深度26.5 m，下入套管25 m。

2 钻探装备选用

2.1 钻机

金刚石绳索取心钻进要求钻机转速300 r/min以上，且钻机需配置绞车、提升架(钻塔)完成内管总成提升，并且满足坑道空间狭小的要求。常规坑道钻机一般属低转速、大扭矩类型，最高转速240 r/min且无法配备提升架、绞车，无法满足施工要求。综合绳索取心施工要求，后选用ZDY1000G型全液压坑道钻机，该钻机具有通孔直径大、转速高、工艺适应性强、解体性好、搬迁方便等优点[4-5]。钻机主要参数为：扭矩1000～220 N·m，转速270～1000 r/min，最大给进/起拔力85 kN，给进/起拔行程1200 mm，主轴倾角±90°，功率55 kW，整机质量2275 kg，主机外形尺寸(长×宽×高)2565 mm×820 mm×1635 mm。

2.2 绳索取心钻具

与地面绳索取心钻具相比，坑道用绳索取心钻具的特殊性主要表现在以下几方面：

(1)坑道钻探受钻场空间限制，要求钻具尺寸较短。

(2)坑道近水平绳索取心钻进时，内管总成和打捞器的下放无法利用自重下放，必须利用外力作用才能实现。

(3)近水平孔钻进时需对内管扶正，保持其同心。

(4)近水平孔钻进时，由于钻具自重的作用，钻杆柱与孔壁的摩擦远大于同等深度的垂直孔，对钻杆的强度要求更高。

(5)垂直孔用的弹卡定位机构在水平孔钻进时由于弹卡自重及加工因素的影响，时常出现弹卡定位失效等问题[6-8]。

本次试验选用了JS75和NQEU75两种水平孔绳索取心钻具，钻杆试验了有接头和直连式两种型式。两套钻具主要参数见表2。

表2 2种绳索取心钻具主要参数Table 2 Main parameters of two coring tools

2.2.1 JS75钻具

JS75绳索取心钻具双管总成结构基本与垂直孔钻具相同(图1)，施工近水平钻孔时，内管总成和打捞器均通过接头与水力输送器连接借助水压送入。

图1 JS75外管总成Fig.1 Outer tube assembly of JS75

近水平钻孔施工时，内管总成和打捞器无法靠自重下入孔底，因此均需通过水力输送器借助水压送入。其中内管总成通过水力输送器直接送入，打捞器则是和水力输送器组成水力输送打捞器(图2)送入。

图2 水力输送打捞器Fig.2 Hydraulic transport fisher

使用JS75钻具绳索取心钻进流程如下：取心钻进→岩心满管→卡断岩心→更换通缆水接头→连接水力输送打捞器→送入水力输送打捞器打捞内管→提升内管总成→取出岩心→连接水力输送器下入内管总成→内管总成到位→提出水力输送器→连接水便→继续钻进→重复上述过程至终孔。

2.2.2 NQEU75钻具

NQEU75绳索取心钻具针对近水平绳索取心特点，在钻具结构上做出优化调整，更适合于近水平钻孔施工，外管总成中将上扩孔器和弹卡挡头结合为保径器(图3)。

图3 NQEU75外管总成Fig.3 Outer tube assembly of NQEU75

内管总成和打捞器结构中加装弹性阀片(图4、图5)，直径略小于钻杆内径，保证形成水压顺利送入内管总成、打捞器，同时打捞时不至形成真空腔。

图4 NQEU75水平打捞器Fig.4 Horizontal fisher of NQEU7

图5 NQEU75水平弹卡总成Fig.5 Horizontal latch assembly of NQEU75

使用NQEU75钻具绳索取心钻进流程如下：取心钻进→岩心满管→卡断岩心→更换通缆水接头→打捞器打捞内管→提升内管总成→取出岩心→入内管总成→内管总成到位→连接水便→继续取心钻进→重复上述过程至终孔。

绳索取心钻进一般采用金刚石钻头进行钻进,针对沉积岩地层硬度相对较软的特点，选用了孕镶金刚石钻头[9-10]。

试验选用了胎体硬度HRC15～45、不同底唇面(平底式、圆弧式、阶梯式、锯齿式、底喷式)的金刚石取心钻头匹配相应的工艺参数进行施工[11]。

2.3 辅助设备

为保证试验的顺利进行，还需配备提升架、液压绞车及钢丝绳、泥浆泵、注浆泵等其他辅助设备。

由于坑道施工多以近水平钻孔为主，冲洗液若使用泥浆护壁主要存在以下问题：(1)坑道条件所限，没有足够的空间进行造浆、固控、沉淀等设施的布置；(2)近水平钻孔使用泥浆护壁，冲洗液的静液柱压力不足以支撑泥皮护壁。因此本次试验选择清水为冲洗介质，初期采用BW250型泥浆泵对清水进行加压，实现钻头冷却、携粉、泵送钻具。后经过反复试验、测定，矿井系统静压水压力2～3 MPa，水量14～22 m3/h，实现携粉、冷却、泵送钻具等效果更优。因此后期补1号钻孔、2号钻孔均采用矿井静压水施工。

3 试验情况

3.1 1号钻孔

耐压试验合格后，采用JS75绳索取心钻具+Ø71 mm有接头式绳索取心钻杆继续钻进，钻进至孔深41 m时塌孔导致埋钻事故，孔内遗留3根1.5 m钻杆、一根2.5 m外管及一根1.3 m内管，该孔报废。

3.2 补1号钻孔

耐压试验合格后，采用JS75绳索取心钻具+Ø71 mm有接头式绳索取心钻杆，继续钻进至58.8 m，由于孔内塌孔，钻杆从接头与杆体多处发生断裂、漏水、捋扣。采用水泥浆进行全孔注浆封实，养护合格后，更换钻具组合：NQEU75绳索取心钻具+Ø70.1 mm直连式钻杆，透孔、钻进至151.5 m(10灰底板泥岩)，达到目的层位终孔。

3.3 2号钻孔

耐压试验合格后，采用NQEU75绳索取心钻具+Ø70.1 mm直连式钻杆透孔、钻进至终孔孔深194.5 m(10灰底板泥岩)，达到目的层位终孔。

3.4 钻孔取心情况

补1号钻孔孔深151.5 m，其中取心段124.8 m，采取岩心总长度92.9 m，其中灰岩段岩心采取率95%以上，平均采取率74.4%；2号钻孔孔深194.5 m，取心段162.5 m,采取岩心长度为144.4 m，其中灰岩段岩心采取率近100%，平均岩心采取率89%。

3.5 施工效率情况

补1号钻孔在绳索取心的27.3～151.5 m孔段，钻进时间60.6 h，平均钻进效率2.1 m/h；2号钻孔在绳索取心的23～194.5 m孔段，钻进时间47.8 h，平均钻进效率3.6 m/h(详见表3)。

表3 钻孔钻进效率统计Table 3 Summary of drilling efficiency

综合考虑实际施工过程中各类影响因素及现场施工准备、人员上下班等行走时间，得出补1号、2号钻孔平均日进尺分别为22.7、36.7 m/d。

3.6 2种钻具试验情况

2种绳索取心钻具通过3个钻孔的对比试验，得出如下结论：

(1)JS75钻杆有接头连接方式，钻杆杆体与接头连接强度有限、易脱扣、捋扣,对施工影响较大；NQEU75钻杆的直连式结构无此类问题。

(2)JS75钻具钻杆杆体、钻杆接头、外管、扩孔器内径之间非严格内平，影响内管总成、打捞器提放；NQEU75各部分之间严格内平，无此现象。

(3)JS75双管总成中内管总成与打捞器的下入需加配水力输送器，且施工流程繁琐、辅助时间较长；NQEU75双管总成由于优化了内管总成和打捞器结构，使用效果优于JS75钻具。

4 复杂地层钻进工艺方法

前期勘探资料表明，本次试验钻孔所在煤层底板分布10层灰岩，灰岩之间填充砂质泥岩、泥岩，并夹有5条煤线，软硬互层现象严重。

对钻进而言，主要存在岩石破碎、塌孔，造成排粉困难、埋钻事故，水敏性泥岩缩径糊钻，煤与软岩、软硬互层造成注浆后透孔钻孔易偏斜3类问题[12-13]。给本次施工造成很大的困难，造成2次断钻事故,针对这些问题，在施工3个钻孔的过程中，分别采用了孔底注浆、扩孔+孔底注浆、分时分段透孔的方法，取得了显著的效果。

4.1 坍塌破碎地层处理

在钻遇6灰底板破碎泥岩时，发生掉块卡钻，轻则造成回转、起拔困难，严重时有可能造成断钻等事故[14]。针对这类情况，可采用孔底注浆法解决。即：先采取Ø75 mm PDC全面钻头+Ø73/63.5 mm螺旋钻杆的钻具组合快速钻进穿过破碎地层后，采用水灰比1∶1的水泥浆(可在水泥浆中加入水玻璃加速凝固)注浆加固。

然后下钻至孔底，采取逐根提钻、一提一注的方式注浆至孔口，加盖带压(至少7 MPa)注浆，保证注浆效果。

待水泥浆终凝后，采用NQEU75绳索取心钻具+Ø70.1 mm直连式钻杆透孔至孔底，可有效解决。

4.2 水敏性泥岩处理

在钻遇3灰底板泥岩、6灰底板含铝泥岩、煤线时，钻头穿过后，泥岩遇水膨胀、孔径缩小，导致钻头后孔段回转困难、起拔压力大、孔口不返水等孔内事故[15]。

针对这类情况，浅孔段(≤50 m)采用扩孔+孔底注浆处理，即：Ø94/75 mm PDC扩孔钻头+Ø73/63.5 mm螺旋钻杆的钻具组合扩孔至孔底，然后比照破碎地层的注浆方法进行注浆、透孔处理。

当缩径泥岩位于深孔段(>50 m)时，类比坍塌破碎地层采用孔底注浆法解决。

4.3 软岩、煤线钻孔偏斜处理

钻遇软岩、煤线时，采取注浆或扩孔+注浆的方法待水泥浆终凝后透孔，在透孔至软岩、煤线时，由于地层硬度小于终凝后的水泥硬度，且软硬互层严重，透孔时极易在该区段发生孔斜、开分支孔等情况[16]。

针对这类情况，采取分时分段的方法解决，具体流程如下：

先采用NQEU75绳索取心钻具的外管总成Ø70.1 mm直连式钻杆逐根提钻、一提一注的方式注浆、候凝。

待水泥浆初凝时，采用NQEU75绳索取心钻具+Ø70.1 mm直连式钻杆快速透孔至软岩段前1～2 m，提钻。

待剩余孔段水泥浆终凝后，再次采用NQEU75绳索取心钻具+Ø70.1 mm直连式钻杆透孔穿过软岩段，可有效解决。

5 结论

(1)ZDY1000G型全液压钻机满足了本次金刚石绳索取心试验要求。

(2)试验钻孔角度、孔深达到了试验要求，绳索取心岩心采取率、钻进效率高于常规单管取心，与单管取心比较，绳索取心钻具保证了岩心的品质和纯洁性。

(3)通过3个试验钻孔的施工，优选出了NQEU75绳索取心钻具在钻具强度、钻具结构、施工流程等方面更适合于复杂地层近水平绳索取心钻进施工。

(4)试验总结出了一套解决适用于岩石破碎、塌孔，水敏性泥岩缩径、糊钻，频繁软硬互层钻孔偏斜等复杂地层的处理方法。

综上所述，本次试验采用钻探装备及配套钻探工艺很好地完成了新集矿区的试验预期，可在同类地层、钻孔中推广应用。