论文部分内容阅读
[摘要]：本文总结了煤田复杂地质环境特性下的钻探施工方法，再根据具体案例用来说明钻探施工技术的可行性，并取得了钻孔施工较好的钻探效率和经济益。
[关键词]：钻探技术：复杂煤岩；施工技术；地质钻探；冲洗液；
引言
近年来，复杂地质钻探技术虽然有所发展。但仍处于起步和摸索阶段，随着钻探工艺的完善，将会使复杂地层煤田钻探水平有更大的提高。
1、 复杂地质环境分类
根据钻探施工特点及地质情况，把复杂煤岩地层分为以下几类：
（1）松散破碎地层：主要包括松散破碎和硬、脆、碎破碎地层。较为典型的有胶结性很差的砂石和石灰岩组成的二叠纪地层，这种地层含有大量的砂岩，部分地区存在泥岩、砂岩和砾岩以及部分卵石。受钻具振动碰撞和泥浆冲蚀作用，钻探钻孔易发生坍塌、漏失、超径等事故。
（2）水敏性地层：主要包括水化松散、水化剥落、水化膨胀和水化溶蚀煤系地层。
（3）漏、涌水地层：这类地层钻探施工护孔堵漏难度极大，漏失分大、中、小漏；涌水地层一般涌水量为10 m3/h～ 50 m3/h。煤系地层硅质胶结，灰岩多破碎，且研磨性大，构造裂隙较发育，稳定性较差，透水性强，地下水丰富，承压水力大，钻孔缩径或涌水时有发生。
2、钻探钻孔
根据地层特点和地质钻探对孔径的要求，首先进行了钻孔结构优化，尽量简化钻孔结构。即先用d133mm的普通型PDC复合片钻头开孔。穿过第四系松散破碎地层，下人d127mm双层岩芯套管；然后抉用d113mm普通型和加强型PDC复合片钻头钻进，穿过复杂煤岩地层，下人技术套管，以保护孔壁，导正钻孔；最后煤系地层用d108mm半合管取煤钻进。
3、冲洗液的选择
3.1冲洗液
根据矿田的地层特点采用清水加乳化剂做冲洗液是适宜的。不用泥浆钻进的主要原因是：①影响钻进效率：②易烧钻；③一旦钻遇坍塌严重地层时，用水泥封孔时还需冲孔、沈孔、置换泥浆工作，否则水泥与孔壁之间不能凝固在一起，形成两层皮，达不到封孔的预期目的。使用冲洗液主要目的是润滑钻具、冷却钻头、携带岩粉、清洗孔底，其次是保持孔内地层压力平衡和保护孔壁。据以往使用经验，清水加入0.5%～1.0%的皂化油或太古油完全可以，使用起来既方便又解决实际问题。在严霞的漏失地层钻进，仍采用清水顶漏钻进技术方法。钻孔上部因无润滑介质，可采用钻杆涂抹黄油的方法，解决钻杆润滑和孔壁稳定问题。
3.2护孔堵漏
施工中一旦钻遇坍塌、掉块、严重漏失地层，应立即停钻进行水泥封孔堵漏工作，决不能有凑合思想。水泥封孔的主要目的是：制I卜孔内坍塌和掉块。水泥封孔是我们最常用的一种方法，简单易操作，保险系数大。其配方如下：食盐3%～4%，三乙醇胺3%o～4‰，水泥42.5R新鲜水泥，灌注方法为泵送。其操作如下：注浆钻具下到需要灌注孔段以下2m位置后进行冲孔待灌，依据所需用的护孔堵漏浆量进行搅拌，同时计算好注浆后替浆用的清水用量，待水泥浆搅拌好后，加入试剂，立即进行灌浆，并替浆。让钻杆内外液面自动平衡稳定之后，将钻杆提离水泥浆面之上10～15m或更多一点，再开泵循环，冲洗水泵和钻杆内的余留水泥浆，防止剩余水泥浆在水泵和钻杆内沉淀凝结。最后起钻，待孔内水泥凝固24h后试探扫孔，使下一步钻探施工在一个良好环境中进行。
4、钻探技术和冲洗液技术
（1）松散破碎地层：由于在此地层主要采用大径钻具钻进，增加冲洗液冲孑L时的过流断面，减少液流阻力以及冲洗液的压力激动而引起孑L壁破坏；同时，采用优质低固相冲洗液保护孔壁。在特殊孑L段下入套管与技术套管的方法.一般能保证此类地层的稳定。
冲洗液各项指标以控制在下列范围为宜：黏度18 s～25 s，比重1.05～1.15，失水量每30 min小于15 ml。泥皮厚度小于l mm，含砂量小于4%，pH值8～9。
（2）水敏性地层：此类地层主要是采用钻进冲洗液护孔，冲洗液的滤液性能和泥皮质量（或孔壁网状膜结构强度）是影响孔壁稳定的关键因素。因此，控制钻井液失水量，增强泥皮强度或冲洗液在孔壁所形成的高分子网状结构“胶膜”强度，减少冲洗液中自由水的含摄，降低滤液对岩石的渗透水化和提高滤液对岩石的胶结力是至关重要的。
冲洗液通常加入PHP，HPAN，CMC等聚合物和KHM与植物胶的低固相沖洗液。冲洗液性能为：失水量每三十分钟小于10 ml，泥皮厚小于l0 mm。
（3）漏、涌水地层：这类地层在煤田施工巾难度是最大的。根据岩石结构与长期施工经验，煤系地层的漏失大多由于裂隙漏失和含水水层层位漏失与松散破碎孔隙产生的长孔段漏失。
目前，就各煤田堵漏、防涌特点来看。主要有以下几类方法：
胶结堵塞法：适用于中漏以下和较小的涌水地层。常采用浓泥浆加化学浆液加惰性材料与交联物的堵漏方法，涌水则加入加重剂.进行压漏作业。主要配方是浓泥浆中加入质量分数为50x10^-6的PHP，再加入惰性材料搅拌均匀，随着钻进可逐渐堵塞漏失通道。
水泥堵漏法：适用于中漏以上的漏失和中等的涌水地层。
压力平衡法：此方法是利用冲洗液的液柱压力平衡地层压力.以达到孔壁稳定，保证冲洗液能正常循环的一种方法。它适用于中漏以下及小量涌水的任何孔隙、裂隙地层，特别是对长孔段漏失和断层裂隙漏失有效。比如在漏失地层使用泡沫泥浆.在涌水地层使用加重泥浆等。
顶漏钻进法：这种方法多用于不便堵漏或代价太大的长孔段漏失地层。采用这种方法的条件是在孔壁失去平衡的情况下，裸眼稳定期须能满足施工的要求；同时，水源较近.用水比较方便。
套管隔离法：该法是在其他办法难以达到护孔和堵漏目的时（特别是处理较大涌水）所采取的最可靠的办法，对任何孔深和漏失程度以及涌水都有效，但由于使用管材和需要停钻进行专门作业.故多用于浅孔。较深孔段有时先采用S91绳钻钻进至一定深度，将钻具留在孔内作为套管，再改用S75绳钻钻具钻进。 5、具体案例：
朱仙庄矿区
5.1地质特征：
l.上部为第四系覆盖层表土，厚度一般200～250 m，第四系底部含砾石较多。中部为二叠系，为煤系地层，主要岩层有泥岩，粗、中、细粒砂岩，粉砂岩，砂质泥岩，铝质泥岩，泥质砂岩，炭质泥岩以及煤层。本矿区可采煤层为7、8、9、10煤，8煤较厚。钻探施工中对煤层要取煤样及瓦斯样作工业分析，顶底板岩层取样作力学试验。下部为石炭系的灰岩层。主要标志层为8煤层底部的铝质泥岩，简称K2；另一标志屡为石炭系第一层灰岩，简称K1。
5.2矿区地质对勘探施工的影响
（1）表土易缩径。表土层厚200～250 m，一般钻孔在160～220 m处有20～40 m不等的泥灰岩层。钻孔施工中遇水易膨胀，造成钻孔缩径，钻具下不去，严南时会出现岔孔事故，影响施工。（2）煤层坍塌。煤系地层中8煤层较厚，一般在10～18 m左右，钻孔施工中易坍塌，孔壁不易保护+造成下钻遇阻，或测井探管下小去等。（3）砂岩硬度高。部分砂岩含石英、长石较多，硬度高达6～8级，普通钻头钻进效率低，成本高，影响施工进尺。（4）钻}L深。延深勘探钻孔设计较深，一般都在1000 m以上，施工时间较长，施工难度太，上下钻具T人劳动强度大。
5.3具体钻探施工技术措施：
（1）编制钻孔技术指导书。根据本矿区的地质条件，首先精心编制钻孔技术指导书，针对地层特点采取相应的施工措施。（2）严把开孔关。开孔前要对钻探设备进行维修，天车、钻机立轴、孔13三者中心必须在同一垂直线上。钻进参数要合理，以防孔斜。（3）钻具组合要合理。一般组合为：φ91钻头+φ89加重管（长5～6 m）+ φ68钻铤（长度不少于60mm）+ φ50钻杆+主动钻杆。钻进表土后为防止缩径，通常在孔深160～220 m加入2～3个同径扶正器。（4）使用双聚泥浆护孔。钻场双聚泥浆配备时，以膨润土重量为基数，加人HPAN O.3～0.6%，加入HPAM 0.5～1.5%，其配比为膨润土：水：纯碱：HPAN：HPAM=l：20：0.06：0 1：（0.1～0.2）。钻进要经常调配泥浆，勤捞岩粉，确保泥浆性能。（5）合理选择钻头。泥岩、铝质泥岩、炭质泥岩可选择柱状、密集式合金钻头。粉砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩可选择柱状、针状合金钻头。粗、中、细粒石英可选择针状合金钻头，对硬度达6级以l的砂岩可选用复合片钻头。（6）使用HMK一1型煤芯管。在勘探施工中，严格遵守打煤、守煤制度，控制煤层顶底板，岩芯采样，使用HMK一1型煤芯管，能够确保煤芯、煤层顶底板取样。使用前要严格检查，做到煤芯管内外管高差合适，水路畅通，转动灵活，内管单动性能好。打煤时，第一回次进尺不超过O.5mm，同时合理选择钻进参数，钻压500～ 800 Kg，转速150转/分，水量150～200L/min。這样才能保证煤芯采取质量。
5.4成果
通过实施科学合理的施工措施，勘探公司先后完成朱仙庄03一l、03—2两个孔。其中03—1孔终孔深度1006.68 m，03—2孔终孔深度1069.20 m，煤芯采取质量均达到优质，钻孔均为特级孔。
结束语
综上所述，随着探矿工程钻孔的逐步加深，过去那种凭感觉、凭经验的施工操作方法已跟不上形势需要。面对地层的复杂性、孔内工况的多变性总结经验，引进先进钻探施工工艺，从而更好更快地提高钻进效率，为矿方提供更准确的延深勘探煤田地质资料。
参考文献
[1]刘广志，科学钻探[M].北京：地质出版社，2005；
[2]程裕淇，中国区域地质概论[M]：北京，地质出版社，1994；
[3]李世忠，钻探工艺学：上、中[M].北京：地质出版社，1988；
[4]郭绍，钻探手册[M].武汉：中国地质大学出版社，1993；
[关键词]：钻探技术：复杂煤岩；施工技术；地质钻探；冲洗液；
引言
近年来，复杂地质钻探技术虽然有所发展。但仍处于起步和摸索阶段，随着钻探工艺的完善，将会使复杂地层煤田钻探水平有更大的提高。
1、 复杂地质环境分类
根据钻探施工特点及地质情况，把复杂煤岩地层分为以下几类：
（1）松散破碎地层：主要包括松散破碎和硬、脆、碎破碎地层。较为典型的有胶结性很差的砂石和石灰岩组成的二叠纪地层，这种地层含有大量的砂岩，部分地区存在泥岩、砂岩和砾岩以及部分卵石。受钻具振动碰撞和泥浆冲蚀作用，钻探钻孔易发生坍塌、漏失、超径等事故。
（2）水敏性地层：主要包括水化松散、水化剥落、水化膨胀和水化溶蚀煤系地层。
（3）漏、涌水地层：这类地层钻探施工护孔堵漏难度极大，漏失分大、中、小漏；涌水地层一般涌水量为10 m3/h～ 50 m3/h。煤系地层硅质胶结，灰岩多破碎，且研磨性大，构造裂隙较发育，稳定性较差，透水性强，地下水丰富，承压水力大，钻孔缩径或涌水时有发生。
2、钻探钻孔
根据地层特点和地质钻探对孔径的要求，首先进行了钻孔结构优化，尽量简化钻孔结构。即先用d133mm的普通型PDC复合片钻头开孔。穿过第四系松散破碎地层，下人d127mm双层岩芯套管；然后抉用d113mm普通型和加强型PDC复合片钻头钻进，穿过复杂煤岩地层，下人技术套管，以保护孔壁，导正钻孔；最后煤系地层用d108mm半合管取煤钻进。
3、冲洗液的选择
3.1冲洗液
根据矿田的地层特点采用清水加乳化剂做冲洗液是适宜的。不用泥浆钻进的主要原因是：①影响钻进效率：②易烧钻；③一旦钻遇坍塌严重地层时，用水泥封孔时还需冲孔、沈孔、置换泥浆工作，否则水泥与孔壁之间不能凝固在一起，形成两层皮，达不到封孔的预期目的。使用冲洗液主要目的是润滑钻具、冷却钻头、携带岩粉、清洗孔底，其次是保持孔内地层压力平衡和保护孔壁。据以往使用经验，清水加入0.5%～1.0%的皂化油或太古油完全可以，使用起来既方便又解决实际问题。在严霞的漏失地层钻进，仍采用清水顶漏钻进技术方法。钻孔上部因无润滑介质，可采用钻杆涂抹黄油的方法，解决钻杆润滑和孔壁稳定问题。
3.2护孔堵漏
施工中一旦钻遇坍塌、掉块、严重漏失地层，应立即停钻进行水泥封孔堵漏工作，决不能有凑合思想。水泥封孔的主要目的是：制I卜孔内坍塌和掉块。水泥封孔是我们最常用的一种方法，简单易操作，保险系数大。其配方如下：食盐3%～4%，三乙醇胺3%o～4‰，水泥42.5R新鲜水泥，灌注方法为泵送。其操作如下：注浆钻具下到需要灌注孔段以下2m位置后进行冲孔待灌，依据所需用的护孔堵漏浆量进行搅拌，同时计算好注浆后替浆用的清水用量，待水泥浆搅拌好后，加入试剂，立即进行灌浆，并替浆。让钻杆内外液面自动平衡稳定之后，将钻杆提离水泥浆面之上10～15m或更多一点，再开泵循环，冲洗水泵和钻杆内的余留水泥浆，防止剩余水泥浆在水泵和钻杆内沉淀凝结。最后起钻，待孔内水泥凝固24h后试探扫孔，使下一步钻探施工在一个良好环境中进行。
4、钻探技术和冲洗液技术
（1）松散破碎地层：由于在此地层主要采用大径钻具钻进，增加冲洗液冲孑L时的过流断面，减少液流阻力以及冲洗液的压力激动而引起孑L壁破坏；同时，采用优质低固相冲洗液保护孔壁。在特殊孑L段下入套管与技术套管的方法.一般能保证此类地层的稳定。
冲洗液各项指标以控制在下列范围为宜：黏度18 s～25 s，比重1.05～1.15，失水量每30 min小于15 ml。泥皮厚度小于l mm，含砂量小于4%，pH值8～9。
（2）水敏性地层：此类地层主要是采用钻进冲洗液护孔，冲洗液的滤液性能和泥皮质量（或孔壁网状膜结构强度）是影响孔壁稳定的关键因素。因此，控制钻井液失水量，增强泥皮强度或冲洗液在孔壁所形成的高分子网状结构“胶膜”强度，减少冲洗液中自由水的含摄，降低滤液对岩石的渗透水化和提高滤液对岩石的胶结力是至关重要的。
冲洗液通常加入PHP，HPAN，CMC等聚合物和KHM与植物胶的低固相沖洗液。冲洗液性能为：失水量每三十分钟小于10 ml，泥皮厚小于l0 mm。
（3）漏、涌水地层：这类地层在煤田施工巾难度是最大的。根据岩石结构与长期施工经验，煤系地层的漏失大多由于裂隙漏失和含水水层层位漏失与松散破碎孔隙产生的长孔段漏失。
目前，就各煤田堵漏、防涌特点来看。主要有以下几类方法：
胶结堵塞法：适用于中漏以下和较小的涌水地层。常采用浓泥浆加化学浆液加惰性材料与交联物的堵漏方法，涌水则加入加重剂.进行压漏作业。主要配方是浓泥浆中加入质量分数为50x10^-6的PHP，再加入惰性材料搅拌均匀，随着钻进可逐渐堵塞漏失通道。
水泥堵漏法：适用于中漏以上的漏失和中等的涌水地层。
压力平衡法：此方法是利用冲洗液的液柱压力平衡地层压力.以达到孔壁稳定，保证冲洗液能正常循环的一种方法。它适用于中漏以下及小量涌水的任何孔隙、裂隙地层，特别是对长孔段漏失和断层裂隙漏失有效。比如在漏失地层使用泡沫泥浆.在涌水地层使用加重泥浆等。
顶漏钻进法：这种方法多用于不便堵漏或代价太大的长孔段漏失地层。采用这种方法的条件是在孔壁失去平衡的情况下，裸眼稳定期须能满足施工的要求；同时，水源较近.用水比较方便。
套管隔离法：该法是在其他办法难以达到护孔和堵漏目的时（特别是处理较大涌水）所采取的最可靠的办法，对任何孔深和漏失程度以及涌水都有效，但由于使用管材和需要停钻进行专门作业.故多用于浅孔。较深孔段有时先采用S91绳钻钻进至一定深度，将钻具留在孔内作为套管，再改用S75绳钻钻具钻进。 5、具体案例：
朱仙庄矿区
5.1地质特征：
l.上部为第四系覆盖层表土，厚度一般200～250 m，第四系底部含砾石较多。中部为二叠系，为煤系地层，主要岩层有泥岩，粗、中、细粒砂岩，粉砂岩，砂质泥岩，铝质泥岩，泥质砂岩，炭质泥岩以及煤层。本矿区可采煤层为7、8、9、10煤，8煤较厚。钻探施工中对煤层要取煤样及瓦斯样作工业分析，顶底板岩层取样作力学试验。下部为石炭系的灰岩层。主要标志层为8煤层底部的铝质泥岩，简称K2；另一标志屡为石炭系第一层灰岩，简称K1。
5.2矿区地质对勘探施工的影响
（1）表土易缩径。表土层厚200～250 m，一般钻孔在160～220 m处有20～40 m不等的泥灰岩层。钻孔施工中遇水易膨胀，造成钻孔缩径，钻具下不去，严南时会出现岔孔事故，影响施工。（2）煤层坍塌。煤系地层中8煤层较厚，一般在10～18 m左右，钻孔施工中易坍塌，孔壁不易保护+造成下钻遇阻，或测井探管下小去等。（3）砂岩硬度高。部分砂岩含石英、长石较多，硬度高达6～8级，普通钻头钻进效率低，成本高，影响施工进尺。（4）钻}L深。延深勘探钻孔设计较深，一般都在1000 m以上，施工时间较长，施工难度太，上下钻具T人劳动强度大。
5.3具体钻探施工技术措施：
（1）编制钻孔技术指导书。根据本矿区的地质条件，首先精心编制钻孔技术指导书，针对地层特点采取相应的施工措施。（2）严把开孔关。开孔前要对钻探设备进行维修，天车、钻机立轴、孔13三者中心必须在同一垂直线上。钻进参数要合理，以防孔斜。（3）钻具组合要合理。一般组合为：φ91钻头+φ89加重管（长5～6 m）+ φ68钻铤（长度不少于60mm）+ φ50钻杆+主动钻杆。钻进表土后为防止缩径，通常在孔深160～220 m加入2～3个同径扶正器。（4）使用双聚泥浆护孔。钻场双聚泥浆配备时，以膨润土重量为基数，加人HPAN O.3～0.6%，加入HPAM 0.5～1.5%，其配比为膨润土：水：纯碱：HPAN：HPAM=l：20：0.06：0 1：（0.1～0.2）。钻进要经常调配泥浆，勤捞岩粉，确保泥浆性能。（5）合理选择钻头。泥岩、铝质泥岩、炭质泥岩可选择柱状、密集式合金钻头。粉砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩可选择柱状、针状合金钻头。粗、中、细粒石英可选择针状合金钻头，对硬度达6级以l的砂岩可选用复合片钻头。（6）使用HMK一1型煤芯管。在勘探施工中，严格遵守打煤、守煤制度，控制煤层顶底板，岩芯采样，使用HMK一1型煤芯管，能够确保煤芯、煤层顶底板取样。使用前要严格检查，做到煤芯管内外管高差合适，水路畅通，转动灵活，内管单动性能好。打煤时，第一回次进尺不超过O.5mm，同时合理选择钻进参数，钻压500～ 800 Kg，转速150转/分，水量150～200L/min。這样才能保证煤芯采取质量。
5.4成果
通过实施科学合理的施工措施，勘探公司先后完成朱仙庄03一l、03—2两个孔。其中03—1孔终孔深度1006.68 m，03—2孔终孔深度1069.20 m，煤芯采取质量均达到优质，钻孔均为特级孔。
结束语
综上所述，随着探矿工程钻孔的逐步加深，过去那种凭感觉、凭经验的施工操作方法已跟不上形势需要。面对地层的复杂性、孔内工况的多变性总结经验，引进先进钻探施工工艺，从而更好更快地提高钻进效率，为矿方提供更准确的延深勘探煤田地质资料。
参考文献
[1]刘广志，科学钻探[M].北京：地质出版社，2005；
[2]程裕淇，中国区域地质概论[M]：北京，地质出版社，1994；
[3]李世忠，钻探工艺学：上、中[M].北京：地质出版社，1988；
[4]郭绍，钻探手册[M].武汉：中国地质大学出版社，1993；