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有关豫东煤田深孔钻探在施工技术方面的研究

2020-05-16 320 上传者：管理员

摘要：针对河南豫东煤田矿区第四系覆盖层厚,层厚达0～1300m,其中以流砂层、粘土层为主,煤层埋藏深等特点,施工钻孔深度在1600～2000m之间,结合在该矿区的深孔钻探施工工艺,介绍了施工设备的选择、钻具选择及组合、钻孔结构、钻进技术参数、钻井液以及深孔煤层取芯技术,通过在豫东煤田深孔钻探施工,取得了较好的效果。

关键词：
地质勘探
流砂层
深孔
煤层取芯技术
粘土层
覆盖层厚
钻探施工工艺
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煤炭是我国的主要能源之一，随着我国经济的可持续发展，煤炭资源开发日益加强，对煤炭勘查深孔施工在技术设备、钻具组合、优化钻孔结构、钻探工艺、泥浆技术等方面的研究越来越重要；而在豫东煤田矿区深孔钻井施工的成功，取得了宝贵的煤田深孔施工经验，为以后类似煤田深孔施工提供了借鉴。

1、研究区地层及钻探难点

1.1研究区地层

（1）第四系：覆盖层厚度0～1300m，以粘土、流砂为主，粘土以黄色、棕黄、灰绿色为主，底部普遍发育一层灰白色俗称钙质层的亚粘土，遇水膨胀，含1～4层粉砂、细砂，厚度变化大，为0～30m呈透镜状。

（2）基岩煤系地层：主要为二叠系上石盒子组、下石盒子组、山西组，以浅灰色—灰色泥岩为主，夹薄层砂质泥岩；灰色—浅灰色砂岩成分以石英为主，含黑云母，夹薄层泥岩、砂质泥岩厚度300～700m；煤层以黑—灰黑色，松散易碎，结构简单，厚度4～9m。

（3）石炭系太远组：上部以砂质泥岩、泥岩、粉砂岩为主，下部为灰色石灰岩为主，厚度15～30m。

1.2钻探施工难点

（1）第四系覆盖层巨厚，结构松散，特别是钙质层的亚粘土，吸水易膨胀缩径，造成卡钻事故；粉砂、细砂层易坍塌造成孔径超径现象，形成“大肚子”，钻具脱扣、断钻具后找不到事故头，造成钻孔报废。

（2）在覆盖层钻进，钻具组合不合理或三班钻进压力不一致容易造成钻孔偏斜，起钻和下钻时易造成钻孔拉槽，形成键槽卡钻。

（3）煤层埋藏深，结构松散，煤芯不易采取。

（4）岩芯卡取不牢，容易在起钻时半路脱落，在覆盖层中透孔时容易透斜。

2、钻探施工工艺

2.1主要钻探设备选择

由于施工的钻孔深度1600～2000m，经过对国内钻探设备的分析和调研，地矿系统使用的液压钻机XY-8具有施工2000m以深的钻孔，但该钻机广泛用于施工绳索取芯工艺，受矿区地层的限制，故选用石家庄煤矿机械厂生产的TSJ-2000型钻机，该钻机具有较大的扭矩和提升能力，立轴最大扭矩10kN·m，绞车提升能力80kN,钻机具有较大的转速范围，可以满足牙轮、金刚石、复合片钻头回转钻进速度的需要。钻机施工动力采用100kW电动机为主，并配备6135AN∕150P柴油机备用。

钻塔采用宝鸡伟力石油设备公司生产的JJ60∕24-A型钻塔，井架有效高度24m，最大钩载600kN,井架能够依靠钻机整体拉起，整体落下，拆卸方便、安全、快捷。

泥浆泵选用河北永明地质工程机械公司生产的NBB300∕6～12型，该泵公称压力大，公称流量最大300L∕min，能够满足深孔覆盖层无岩芯钻进和取芯钻进的需要。

同时还配备了EQJ-200型泥浆除砂器，能够净化泥浆中的固相含量，维护泥浆的性能；YNG-132型液压柠管机，减轻了工人劳动强度，减少起下钻的辅助时间。

2.2钻孔结构

根据以往在该区的施工经验和测井解释，在覆盖层280m以浅有多层钙质粘土和砂层，吸水易膨胀缩径、坍塌；其次是进入煤系地层后砂岩破碎、裂隙大的地层泥浆容易消耗漏失，造成上部松散层坍塌，极易造成钻探事故，为预防此类钻探事故的发生，钻孔结构采用∅152mmPDC钻头开孔施工至300m，下入∅127mm表层套管并用水泥固井，二开采用∅113mm钻头钻进至基岩，换为∅94mm孔径终孔。

2.3钻具的选用及组合

（1）钻杆的选择。由于施工钻孔深度1600～2000m，钻具钻杆要承受较大抗拉强度和抗扭强度，∅50mm钻杆已经不能满足煤田超深孔钻探施工；在施工深孔时钻杆的选择尤为重要，经过调研选用∅60.3mm钻杆，钻杆外接箍采用∅75mm，如果后期出现复杂钻探事故，可以用∅89mm岩芯管进行套取；经过在该矿区的钻探施工使用情况来看，能够满足超深孔钻探施工的要求，施工中没有发生钻杆断扣和断钻杆事故。

（2）取芯工具及钻头的选择。目前，煤田地质钻探常用的岩芯管∅73mm×4.5mm和∅89mm×4.5mm岩芯管，此类管材壁较薄，在深孔钻进时岩芯管丝扣处容易磨损，造成取芯管脱扣；采用综合机械性能较高的∅73mm石油钻杆为单管取芯器，并对取芯管螺纹进行加宽加长，管材质量和壁厚满足超深孔取芯要求，没有发生取芯管的脱扣和断扣事故；在该矿区施工主要用∅73mm的取芯管取芯，由于主动钻杆长度为11m，取芯管长度不短于9m，提高回次进尺和钻进效率；∅73mm取芯管可以增大与孔壁的间隙，保证岩粉能够及时地排除，降低泵压和对取芯管的磨损；其次是取芯管配上岩芯提断器，省去了投卡料的时间，岩芯采取率达到100%，卡芯即安全又方便，避免二次透孔事故的发生。

钻头的选择主要是根据地层的特点和钻孔地质要求，该矿区覆盖层无芯钻进层段主要是粘土和流砂，采用三翼合金刮刀钻头，增大钻头底出刃高度和减小水眼直径，有效防止了岩粉泥包钻头，提高了钻探效率；取芯段以泥岩、砂质泥岩、砂岩为主，采用PDC复合片取芯钻头。

（3）钻具组合。根据不同地层和钻孔结构采用不同的塔式钻具组合方式，有效预防了孔斜。

一开钻具组合：主动钻杆+∅83mm钻铤+∅121mm钻铤+∅150mm扶正器+∅152mmPDC钻头。

二开钻具组合：主动钻杆+∅60.5mm钻杆+∅68mm钻铤+∅83mm钻铤+∅110mm扶正器+∅113无芯钻头。

三开钻具组合：主动钻杆+∅60.5mm钻杆+∅68mm钻铤+∅73mm取芯管+∅94mm高肋骨取芯钻头。

3、冲洗液工艺技术

3.1覆盖层泥浆技术措施

近年来，根据在豫东矿区地区的施工情况，上部为第四系覆盖层，厚度在0～1300m，地层松软，可钻性较好，钻进时地层造浆较严重，流砂层不稳，其中钙质粘土容易缩径，在进行泥浆性能调试时，泥浆着重于提高清洗井底及携带岩粉的能力，防止钻头泥包及泥饼卡钻和缩径现象，覆盖层施工中运用水基聚丙烯腈铵盐、护壁剂、纯碱、磺化褐煤树脂、CMC化学试剂调试泥浆技术参数（表1），取得了一定的成功的经验。

表1泥浆技术参数

3.2基岩煤系地层泥浆技术措施

进入基岩层段后，地层比较稳定，岩石可钻性较好，主要以泥岩、砂质泥岩、砂岩为主，钻进时地层不造浆，采用不分散低固相泥浆，采用优质膨润土配置基浆，用纯碱、CMC、磺化褐煤树脂、水解聚丙烯酰胺（PHP）、水解聚丙烯腈（HPAM）调试泥浆技术参数（表2）。

表2泥浆技术参数

3.3泥浆日常管理及注意事项

（1）钻机施工现场配备完好的泥浆测试仪器，钻井队配备专职泥浆管理员，每天对泥浆进行性能测试，调浆时要少排多调的原则，每次调完浆时要保证泥浆充分循环后在钻进。

（2）第四系钻进时，因岩粉较多，泥浆性能变化较大，要勤捞岩粉和钻进时保证除砂器的正常运转，发现泥浆性能变坏或有消耗应立即补充原浆；进入基岩后在深孔钻进时，钻场应储备一些锯末和花生壳惰性物质，地层漏失及时加入进行堵漏。

（3）起钻时要用泥浆进行灌孔，保持孔内泥浆液柱高度，平衡地层压力；孔深时起钻和下钻时速度要慢，防止泥浆粘度、切力较高，造成很高的压力激增，使孔内出现很高的挤压力或抽吸压力，将地层压裂、压漏，造成孔壁坍塌；其次是开泵时要用低档小泵量，待泥浆返出井口后换成正常的泵量，防止将地层憋漏、憋塌。

4、钻进技术参数

（1）针对该区钻孔结构和上部覆盖层较厚的情况，采用无芯钻进，地层较软且造浆比较严重，为了预防孔斜，采用轻压大泵量钻进技术参数（表3）。

（2）进入基岩层段后，采用取芯钻进的方法，岩石的可钻性均属中等类型，根据岩石的可钻性选择取芯钻头，根据钻头类型选择合适的钻进技术参数（表4）。

表3主要技术参数

表4取芯钻进主要技术参数

5、煤层取芯技术

煤芯采取是煤田勘探钻孔工程质量的核心，煤芯质量直接反映煤层结构、煤层厚度、瓦斯含量等情况；由于煤层的硬度较软、易碎、易受泥浆的冲刷，对钻进参数、泥浆参数、取煤器要求比较严格，如果操作不当或者取煤器有问题，极易造成煤芯采取率低，达不到设计要求，甚至需要补打斜孔重新取煤芯，经过豫东矿区超深孔的施工，摸索出了超深孔煤层取芯技术的施工要点。

（1）取煤管的选择。选用双管单动取煤器，采用阶梯型复合片钻头，内管总成与外钻头的间隙调整为1.5～2mm，防止泥浆冲刷到煤芯；取煤器内钻头卡簧改为抓簧，使粉煤和碎块煤芯不易从钻头脱落。

（2）泥浆指标。在打煤期间使用的泥浆指标既要满足第四系覆盖层地层保护孔壁要求，又要保证取煤质量，通过在豫东煤田矿区施工，泥浆漏斗粘度为25～28s、失水量不大于10mL/30min、比重1.08g/cm3、泥皮厚度不大于0.5mm、pH值为8、含砂量不大于1%。

（3）下取煤器时速度要慢、稳，防止取煤器在下钻过程中刷住孔壁，将孔壁上的泥皮堵满取煤器内管，造成煤芯被推。

（4）控制回次进尺，打煤第一回次进尺不能够大于0.3m，如果煤芯采取率达到要求，第二回次进尺0.5m，检验取煤器的可靠程度。

6、结语

在豫东煤田矿区超深孔项目中，我们共施工5个超深钻孔，施工1600m以上钻孔2个，施工1700m以上钻孔2个，其中施工的16803钻孔深度1843.33m，共用时108d，同时刷新了河南煤田局煤勘钻孔的纪录；超深孔台月效率达550m，比前期施工效率提高20%～30%,煤芯采取率达到90%以上。

通过在豫东煤田矿区超深孔项目的施工，针对第四系覆盖层厚、煤层埋藏深、施工钻孔深特点，从设备的选择、钻具组合、优化钻孔结构、钻探工艺、煤层取芯技术方面的研究以及在生产实践中的应用，总结了一套适合煤田超深孔钻探施工的工艺技术，为以后类似钻探施工提供了宝贵经验，有针对性地预防了孔内事故，提高了钻探效率，降低了施工成本。

参考文献：

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