浅析定向钻孔泥浆循环工艺

崔树军

(晋能控股煤业集团 晋城事业部，山西 晋城 048000)

1 矿井基本情况

晋煤集团沁水胡底煤业有限公司位于晋城市沁水县胡底乡境内，矿井于2003年开工建设，2017年联合试运转，2018年正式成为生产矿井。矿井井田位于沁水盆地南部边缘，目前拥有5 km2的采矿权和20 km2的探矿权。批准开采3#和15#煤层，可采储量2 525万t，其中3#煤层可采储量1 724万t.主采3#无烟煤具有低硫、低～中灰、高发热量、机械强度高等特性，是优质化工原料和动力用煤。井田内3#煤层瓦斯平均含量为24.56 m3/t，最大瓦斯压力为3.83 MPa，按煤矿瓦斯等级鉴定划分标准，属“高瓦斯”、“高突出”、“高矿压”条件下的“三高矿井”。

3#煤层位于山西组下部，上距下石盒子组底砂岩(K8)31.74～42.33 m，下距太原组K6灰岩10.51～14.95 m，煤层稳定，纯煤层最厚6.15 m(ZK1203)，最薄5.20 m(ZK1-1),平均5.72 m,细条带状，玻璃光泽，煤层稳定，亮煤为主，镜煤次之，光亮型，厚度变异系数0.06，可采系数100%.煤层结构简单，夹矸0～2层，厚0.05～0.39 m，其直接顶为黑色泥岩或粉砂质泥岩，厚0.5～2.0 m，底板为灰黑色泥岩或粉砂质泥岩，厚0.5～3 m.3#煤瓦斯基本参数见表1.对1305底抽巷煤层顶底板取芯，取芯结果发现煤层顶底板破碎严重。

表1 3#煤瓦斯基本参数表

2 千米钻机施工现况

2.1 成孔难

1)2014年初胡底煤业引进了千米钻机，在高抽巷和本煤层煤巷递进式抽采中发挥巨大作用，然而，在本煤层施工千米钻孔，布置模块时受煤巷掘进限制，无法进行“超前预抽”，抽采达标时间长，采面衔接慢，在底抽巷施工千米钻孔成为了克服这一限制的突破口。2016年，在1303底抽一巷左6#钻场施工时，由于底板煤岩交界处塌孔，导致施工数月未成一个孔，后期因巷道密闭，结束施工。2018年，在1305底抽巷施工千米钻孔进行区域网络预抽，提前掩护下个工作面，采面能否按计划接替，千米钻机在底抽巷的成孔率成为了迫切需要攻克的难题，千米钻场设计见图1.

图1 1305底抽巷左1#钻场千米钻机设计图

2)现阶段主要成孔困难为底板泥岩塌孔，导致孔内压力大、堵孔等。将钻杆内有芯线的“光”面通缆钻杆变为“刻槽”钻杆，在一定程度上解决了排渣问题，但是部分矸段、煤岩交界面塌孔严重，大块矸石聚集导致卡钻，无法施工，只能通过用普钻(旋转钻进)扩大孔径的方式将大块矸石从孔内排出。待孔内返渣、压力正常后，更换千米定向工艺施工，施工两个班左右后，易再次出现塌孔、卡钻现象，无法继续施工；需再次进行扩孔作业。这样反复退钻、送钻，施工强度大、效率低，长期无法成孔。总结原因为：a)水对底板泥岩浸泡型缩径、垮塌，无法钻进。b)静压水持续对孔壁内冲刷，导致矸石和煤层失稳，造成掉块和垮塌。c)静压水对煤和矸石的携带力有限，将煤粉携带至煤岩交界面处的孔洞内，当煤孔出现软煤、块煤后，大量软煤、块煤会再次堆积在煤岩交界面，导致堵孔。

2.2 用水、排水难

1)静压水管因长时间使用，易出现皮垫、钢垫磨损、老化，导致管路漏水，需停水进行更换，影响钻机开机率。2)采用静压水施工时，会产生大量废水，废水需经过多级排放才可排至地面，需要投入多台水泵进行抽水，增加了电费成本、管路维护成本、人工成本等；且排水管易出现漏水现象，无法正常排水导致停钻。3)经过对1305底抽巷3个月因“用水、排水”造成的停钻时间汇总，分析得出每天因“水”影响停钻时间约为1.5 h.

2.3 废水处理难，环保成本高

2018年1月1日，《中华人民共和国环境保护税法》正式实行，《生态环境损害赔偿制度改革方案》试行，新修订的《水污染防治法》正式施行，关于环境保护的重要法律法规的出台，使企业防治污染的主体责任愈加增强。该矿井下废水的主要来源为钻机施工用水。井下废水的处理是该矿环保的重要环节，废水处理成本高、费用居高不下，“制约”着企业的发展。

3 试验方案

通过调研地面煤层气钻孔使用泥浆(可降解清洁聚膜钻井液)打钻技术，泥浆打钻具有稳定孔壁、携带煤(矸)渣能力强、循环使用节约成本等特点。因此，考虑将地面煤层气钻孔泥浆应用到底抽巷千米钻机施工中，以解决现阶段千米钻机遇到的困难。

3.1 装备方面

1)在现有钻场准备沉淀水箱4个，高0.6 m×宽0.6 m×长1.2 m；水窝2个,高1.5 m×宽1 m×长2 m；在每个水箱过度处加装细铁滤网，确保煤粉充分沉淀。2)在水窝边上放置一个清水箱，里面注满清水，防止因泥浆液体中黏度过大，无法正常通过马达，导致泥浆泵泵压异常增大，方便使用清水稀释孔内的液体，减小钻杆及马达堵塞概率。3)对泥浆泵笼头采用细滤网进行过滤，减小大颗粒煤粉进入钻杆及马达内，导致堵塞。4)孔口防喷孔装置必须经过除渣装置，同时保证除渣装置定时清理，防止泥浆液体被过多地吸入主系统。

3.2 钻孔施工

1)在采用泥浆液体施工钻孔时，需要重新开孔，全程采用泥浆液体进行施工。具体要求见表2.2)钻孔在施工过程中，每施工300～500 m更换一次聚合物液体，防止泥浆液体携带煤粉过多导致钻杆、马达被堵。

表2 试验孔施工要求表

3.3 泥浆液体配比

1)泥浆配比见表3(清水黏度为27 s).2)成膜剂、固膜剂、煤层清洁剂检验报告均为环保合格产品。3)将钻场内各水箱、水窝测量并计算体积和约为5 m3，使用96 mm钻头施工，取100 mm计算，将300 m钻孔充满需2.3 m3泥浆，考虑上行孔分支影响较小，判断循环系统泥浆足够使用。4)现场每班必须有专职人员对泥浆液体黏度进行配比(使用黏度计测量)，同时观察泥浆泵笼头吸入的泥浆液体中是否存在大的杂质。

表3 泥浆配比表

4 使用泥浆循环体系施工情况

4.1 试验1#孔

施工矸孔时一切正常，矸中未见塌孔的情况，且第一个水箱内有反渣，其余的水箱内泥浆基本无渣。施工至69 m见煤，见煤后压力大，将泥浆黏度从28 s调至30 s(第一个水箱内煤渣多，其余泥浆内煤渣很少)，将光钻杆换成螺旋钻杆后施工正常，90 m见底矸。得出结论：1)多级沉淀水箱可以沉淀煤渣，泥浆循环利用不会堵钻头。2)泥浆配合普钻光钻杆在矸里施工未见泥岩塌孔等异常情况。3)泥浆配合光钻杆无法正常通过煤岩交界面，需增加机械排渣，使用普钻麻花钻杆施工

4.2 试验2#孔

先用马达带普钻钻杆施工24 m穿过K6灰岩后换马达施工，施工矸孔时同普钻施工矸孔情况一样，未出现塌孔现象；施工至42 m见煤，见煤后压力大，经过反复冲孔并调整,泥浆黏度从28 s调至30 s，施工至48 m泥浆泵压力大无法施工，反渣中有少许大块煤和矸块。换用普钻螺旋钻杆后施工正常，57 m见底矸。得出结论：1)多级沉淀水箱可以沉淀煤渣，泥浆循环利用不会堵马达。2)泥浆配合马达在矸里施工未见泥岩塌孔等异常情况。3)泥浆配合马达无法正常通过煤岩交界面，仍存在压力大情况。

4.3 试验3#孔

根据试验2#孔的情况，将试验3#孔做出调整，用普钻麻花钻杆穿过煤岩交界面后再换用马达施工。千米钻孔施工至183 m见煤，见煤后压力大，换用普钻扩孔至192 m，之后用千米钻孔施工至276 m时遇软煤，施工至279 m泥浆泵压力6 MPa，无法钻进。退至234 m开分支，施工过程中有软煤、矸等。施工过程中未出现其他影响施工的异常情况。得出结论：1)使用泥浆循环体系施工千米钻孔，不会对通缆钻杆造成堵塞现象。2)使用泥浆循环体系施工千米钻孔，不会对探管和通缆钻杆的信号测量、传输造成影响。3)施工过程中，孔内矸、煤不断转换对泥浆循环未造成影响。

5 施工总结

1)同一钻场不同钻孔使用泥浆循环体系前后施工对比见表4.由表4可知，使用泥浆循环体系，日均进尺提高22.3%,煤孔率提高10.8%，见煤成孔率由40%提高至66.7%.通过多级沉淀，成功使用泥浆建立循环系统代替静压水施工，配合刻槽通栏钻杆，解决了矸段塌孔现象。泥浆携带煤渣能力相比清水能将细煤粉以及大块的煤、矸带出，减少了退、送钻次数降低了工人的劳动强度，提高了施工效率，且不会对马达、探管、通栏钻杆造成影响。

表4 使用泥浆前后钻孔施工情况对比表

2)使用泥浆循环系统施工，杜绝了因供水、排水管路改造、维护无法施钻的现象，提高了施钻效率，且节约了大量用水，使用泥浆前后日用水量见表5.

表5 使用泥浆前后日用水量表

3)使用泥浆循环系统施工，节约了购水、排水、废水处理、人工等用水成本，减小了环保压力，使用泥浆配比一次可施工600 m左右。配备振动筛后，振动筛按10万元5年使用寿命计算，使用前后各类成本见表6.使用泥浆循环体系施工，每台钻机每年可节约用水85 775 m3，可节省费用47 304元。

表6 使用泥浆循环前后费用明细表

4)使用泥浆循环体系，试验1#、2#孔封孔20天左右后测量钻孔瓦斯浓度正常，孔内未出现塌孔、堵孔现象；试验3#孔封孔1天后测量钻孔瓦斯浓度正常，未出现泥浆阻碍瓦斯涌出现象。试验孔瓦斯浓度情况见表7.

表7 试验孔瓦斯浓度情况表

6 结 论

胡底煤业有限公司通过将泥浆材料(可降解清洁聚膜钻井液)使用在施工定向钻孔过程中发现，泥浆材料通过循环，使分子不断进行剪切，从而在钻孔施工过程中起到稳定孔壁作用，且携带煤(矸)渣能力强，解决了因钻孔塌孔难以施工的难题，同时，打钻孔介质水的重复利用，不仅解决了水处理的难题，而且减轻了矿山环保压力。