复杂地层岩心钻探施工技术总结_复杂地层钻井技术

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复杂地层岩心钻探施工技术总结

岩心钻探是在进行固体矿产地质勘探时经常采用的勘探手段之一。在我国，岩心钻探仍然是目前和今后相当长一段时间内地质工作者在进行地质工程勘探时，获取直观地质资料的最主要方式。本文对复杂地层特性和岩心钻探施工方法进行叙述,并就如何进行复杂地层的岩心机械钻探施工技术进行研究，进而提高钻探质量，降低勘探成本，以达到提高找矿效率的目的。

一、复杂地层分类

根据钻探施工特点及地质情况, 把复杂地层分为以下几类:(一)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。

(二)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。

（三)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。

二、钻探方法和设备的选择

（一）钻进方法的选择《岩心钻探规程》中按岩石硬度的大小分为四类十二级: 软-可钻性4～6级、硬-可钻性10～12级;按研磨性的强弱分为三类: 弱研磨性、中研磨性、强研磨性;按完整程度分为三类: 完整、较完整、破碎。在具体施工中根据岩石可钻性、研磨性、完整程度等选择磨料和钻进方法。1～6级和部分7级岩石可选用硬质合金、金刚石、复合片钻进;4 ～12 级岩石可选用金刚石回转钻进, 7～12级岩石也可选用钢粒钻进;6～8级岩石可选用硬质合金冲击回转钻进;6～12级可选用金刚石冲击回转钻进。严格执行《岩心钻探规程》的规定是在复杂地层区提高钻探质量的保证。

（二）钻孔结构的选择

钻孔结构设计和选择直接影响到钻探效率的提高和施工成本的降低, 尤其是在复杂地层区的岩心机械钻探施工。因此, 应充分考虑地质条件、钻孔深度、终孔直径、钻进方法、护孔措施和设备情况, 并合理选择开孔直径、换径次数与深度、套管程序等。根据经验对复杂地层深孔岩心机械钻探施工一般采用Φ130 /Φ110 /Φ91 /Φ75/Φ60多径成孔, 把Φ60mm口径作为技术口径备用, 下部Φ75mm口径采用金刚石绳索取心钻进, 采用优质泥浆护孔。

（三）钻探设备的选择 应根据钻孔设计深度、钻孔设计倾角、岩层条件、钻进方法以及钻孔设计结构等, 合理地选择钻探设备。应尽量选择电动机动力机。钻探设备包括钻机型号、钻塔类型、联动型号、泥浆泵型号、拧管机型号等要配套, 严格执行《岩心钻探规程》中规定的钻探常用设备配套标准。

三、钻孔弯曲影响因素

钻孔弯曲(特别是深钻)会造成未能按设计穿过矿体或地质层位, 可能歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层或改变勘探密度等, 从而影响对矿体的评价、构造的判断和储量计算的精确程度。通常在复杂地层区岩心机械钻探施工中钻孔弯曲的主要因素是地层因素和钻探工艺因素。

四、钻探技术和冲洗液技术

（一）松散破碎地层: 由于在此地层主要采用大径钻具钻进, 增加冲洗液冲孔时的过流断面, 减少液流阻力以及冲洗液的压力激动而引起孔壁破坏;同时, 采用优质低固相冲洗液保护孔壁。在特殊孔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1 mm, 含砂量小于4%,pH值8～9。

(二)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量, 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与植物胶的低固相冲洗液。冲洗液性能为: 失水量小于10 mL, 泥皮厚小于1 mm。

（三）漏、涌水地层: 这类地层在钻探施工中难度是最大的。根据岩石结构与长期施工经验, 这类地层的漏失大多由于裂隙漏失和含水量水层层位漏失与松散破碎孔隙产生的长孔段漏失。目前, 就各钻探施工中堵漏、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50×10-6 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 绳钻钻进。

随着科学技术的不断发展和新技术、新材料、新工艺的广泛应用，勘探机械设备的种类也更加齐全，结构更加复杂，对工程机械操作人员的要求也有新的要求。操作人员不仅要懂得工程机械的结构组成、原理、性能、掌握操作技巧，而且还要有工程机械的故障快速诊断和维修能力。因而，完善地质钻探现场设备工具、材料、仪表、仪器和工艺技术配套工作,加大对勘探技术人员的培训力度，是提高钻探经济技术效果和技术水平的重中之重。

岩心钻探工程中的绳索取心工艺

近年来，绳索取心技术不断改进，其相对于常规钻进工艺的优越性愈加凸显出来，得以在行业中广泛应用。主要对钻探设备、钻具选择 及应用中发现的问题进行探讨。岩心钻探的钻孔由以前的 400～600m ,到最近几年的 1500～2000m , 甚至在未来的施工中还要设计更深的钻孔。1000m 左右的孔深, 对于石 油、天然气、地热等勘查和开采算不上是深孔,但是对于固体勘查的小口 4 实际钻进情况及钻探规程参数掌握 钻压:根据经验公式,P=p A 计算 ·（其中 p 按金刚石孕镶钻头单位压 力推荐表中,中硬-坚硬间选择:70～100kg/cm2;胎体外径 Φ76.5mm、内径 Φ49mm,水口数量为 10 的绳索取心钻头底面积 A 大约为 20cm2 ,钻压）径岩心钻探来说,已经算得上是深孔了。深孔的钻探施工,对于钻探设备、应该在 1400～2000kg。由某矿段上部覆盖坚硬致密的混合岩,个别段位甚 管材、钻探工艺、冲洗液，钻探规程和参数、人员操作方式等等都有不同 至出现钻头 “打滑” 现象,因此,实际钻进的钻压非常高,大约在 3000kg 左 于浅孔施工的要求。右,甚至还要高些,远远大于经验推荐值;这里存在着一种矛盾,即选择胎钻探设备 我国正规的小口径金刚石岩心钻探设备的专业生产厂家不多,钻机 仅有张家口探矿机械厂、石家庄煤矿机械厂，连云港黄海机械厂和无锡 探矿机械厂等生产;泥浆泵仅有衡阳探矿机械厂和吉林地质勘探公司修 造厂等生产。目前,野外钻探施工应用最广泛的岩心钻机是连云港黄海机械厂生 产的 XY-4 型、其次是张家口探矿机械厂生产的 XY-5 型和 XU-1000 型。XY-4 型钻机的技术规格参数所示钻探能力为:用 Φ42 mm 钻杆可 我队以往应用的实际情况是 钻进 1000 m;用 Φ50mm 钻杆可钻进 700m。使用 Φ50mm 钻杆、采取普通单管工艺、Φ91mm 孔径,最深钻进孔深为 720m。其实,还可以继续钻进,但由于单管工艺提取岩心时每个回次都需 要升上孔内全部钻具, 不使用水刹车系统, 钻机的升降系统消耗磨损严 重,对钻机损坏相当大;使用水刹车系统,速度非常慢,效率极低,700 多 m 钻具升降一次需要

4、个 h，5 纯钻利用率极低。2004 年,由于钻探深孔需要, 为了提高钻机能力, 厂家改进了 XY-4 型钻机, 将标准配置为 30 kW 电动机改装为 45 kW 电动机。钻机的技术规格标明该型号钻机可 以安装 2000r/min、功率为 60 马力的 4100 型柴油机,60 马力相当于 44kW ,因此,选用 45 kW 的电动机不算超标。使用如此改造的钻机,采 用 Φ71mm 绳索钻杆、绳索取心工艺、Φ77mm 孔径,最深孔钻进 1000m。XY-5 型钻机的技术规格参数所示钻探能力为:用 Φ50 mm 钻杆,孔 径 Φ56mm 钻进深度为 1500 m;我队 2005 年首次使用 XY-5 型钻机,采 用 Φ71mm 绳索钻杆、绳索取心工艺、Φ77mm 孔径,最深孔钻进 836 m , 根据实际使用情况采用该设备和工艺可以钻进 1100～1200 m 的钻孔。3 钻具级配选择 前几年,由于整个岩心钻探行业的工作量偏低,我国生产配套绳索取心工艺钻探工具及管材的厂家很少,尤其是国家标准化与国际标准的接 轨等工作,笔者认为还不完善。经过到生产厂家的调研、考察,结合我单位 钻探工人的工作习惯, 我单位绳索取心工艺采用如下级配: Φ71mm 绳索取心钻杆（江西新余生产,材质 45MnMoB ,符合国家标准,按冶金 YS75 标准加工外螺纹。）Φ74mm 重索钻杆接手（按冶金 YS75 标准加工接手内螺纹,按金刚 石有限公司标准加工卡槽, 可以使用 NY-3 型拧管机和卡槽式提引器。）JS75 弹卡总成和 JS75 打捞器,为新地质标

准:DZ2.1,2.2-87;这里注意的 细节是冶金标准的接手和新地标的弹卡总成上部的短管（弹卡挡头 的）内外螺纹连接。JS75 弹卡总成由唐山金石超硬材料有限公司生产,该总 成尤其是上扩孔器的设置,笔者个人认为要比 YS 系列更趋合理,长度不 包括岩心管仅为 850mm ,使用更加方便;打捞器的长度为 1300mm。重索 Φ77mm 扩孔器和重索 Φ76.5mm 金刚石钻头,长度、螺纹和内 径均按新地标 JS 标准加工,为适应 Φ74mm 接手,扩孔器和钻头外径比 标准加厚 1.5mm。这样, 组成的钻具级配基本是钻杆和钻杆接手按冶金 YS 标准加工螺纹,弹卡挡头以下按新地标 JS 标准配备弹卡总成、打捞 器、内外管、卡簧、卡簧座、扩孔器和钻头等。“打滑” ,钻进效率极低, 体硬度大的钻头,胎体磨损慢,金刚石出露差,甚至 选择胎体软的钻头,效率明显提高,可钻头寿命又大降。较软的可钻性在 6 级左右的岩层,钻压在 2000kg 以下,进尺的速度也很快,时效可达 3m/h ,钻头的使用寿命最高可达 150m。转速:根据金刚石孕镶钻头适用转数推荐表,可知 Φ75mm 的孕镶钻 头转数在 400～850r/min 之间, 配置 1470e/min、45kW 电动机的 XY-4 型 钻机转数在 101～119r/min 之间,完全适合此钻头钻进的转数要求。实际 应用情况是采用慢 4 档即 388r/min 的时候最多, 此时 Φ76.5mm 钻头外 圆的圆周线速度是 1.55m/s,也可采用快 2 档 574r/min ,此时线速度可达 2.30m/s ,同时,由于钻杆与孔壁的环状间隙非常小,仅为 3mm ,钻杆接手 部位的间隙仅为 1.5mm ,所以必须使用润滑剂,尤其是孔深超过 300m 以 后,润滑剂更是重要,如不使用,慢 4 档也很难开动,效率十分低下;另外,过 高的转数在实际钻进中也不适合,由于岩粉沉淀不彻底,在冲洗液中循环 中被重复泵入孔内,流经钻杆时由于高速回转的离心力和钻杆壁的高温 致使岩粉结垢附着在钻杆内壁,形成 1～2mm 甚至更厚的垢质,俗称 “挂 蜡” ,这么厚的垢质足以妨碍弹卡总成和打捞矛的顺利通过,给钻探施工 造成严重不便。泵量: 根据金刚石钻进常用冲洗液量推荐表, 可知 Φ75mm 左右的孔径泵量在 40～60L/min 即可, 可见吉林产的 BWJ-125 型泵就足够用了,我队大多采用衡阳产的 BW-250 型泵,而且泵量使用偏 高，一般在 100L/min 或 120L/min 两个档位上,现场施工为了避免烧钻的 保守想法当然是尽量采取较大的泵量。大泵量对于孔底实际钻压的掌握 有较大的影响。5 工艺比较绳索取心工艺与普通单管、单动双管钻探工艺比较见表 1。表 1 绳索取心工艺与普通单管、单动双管钻探工艺比较比较项目 劳动强度 纯钻时间 综合效率 纯钻效率 普通单管 大 短 一般 高 单动双管 大 短 一般 一般 很高,完全达标 一般,可以达标 一般适应适中,比单管略高绳索取心 小 略长略高（深孔尤其明显）较低 很高,完全达标 略好,可以达标 略好于双管 很高,一般是单管 的 4 倍,甚至更高 完整层岩心采取率 高,可以达标 破碎层岩心采取率 低,很难达标 对于复杂地层适应 不太适应 相同岩层钻头寿命 6 结论及应用中存在的问题 6.1 使用加装 45kW 的 XY-型钻机、Φ71mm 绳索钻杆,采取绳索取心工 艺、Φ77mm 孔径可以钻进 900m 孔深的钻孔，并满足地质设计要求。6.2 绳索取心工艺的发展仍需继续研究和解决两对基本矛盾。即比较 薄的钻杆壁和足够强度之间的矛盾:由于要保证装有（下转 122 页）MYKJ 11 民营科技 2010 年第 7 期 实践 思考 · 浅谈复杂构造地质条件下厚煤层开采方法易方胜（萍乡市跃进煤矿，江西 萍乡 337035）摘 要： 根据多年从事采煤工作得到的经验，提出了复杂构造地质条件下厚煤层开采方法。关键词： 复杂地质： 厚煤； 滑动构造； 开采方法 引言 近年来, 我国厚煤层采煤方法的改革取得了十分可喜的成绩； 可是 矿井地质构造较复杂的矿井或某些矿井地质构造复杂的采区和工作面, 采煤

方法的改革相对落后； 甚至有相当一部分地质构造较复杂、装备较 差的地方煤矿的厚煤层仍采用 “高落式” 采煤方法, 资源浪费严重。因 此, 很有必要探讨复杂地质条件下厚煤层的采煤方法, 促进构造复杂地 区厚煤层采煤方法的改革。江西省某井田层滑动构造比较发育, 规模有大有小, 多发育在煤层 与顶、底板之间, 煤层内部及其它软硬岩层的界面上, 其特征如下。1 滑动构造特征 1 断层滑动面产状变化较大。其变化最明显的是北部边界断层 F26,）浅部倾角在 70～80°;中部为 25～35°;个别地段和煤(岩 层倾角近于一）致;深部为 10～ 25°, 甚至近于水平，在剖面上呈凹面向上的铲状或梨 状。它使煤系大量缺失, 使可采煤层与奥灰之间的距离由 190m 减小到 30m。断导倾角变化大的部位正好是煤层所在位置, 深部与煤系基底 相吻合。F26 断层上盘伴生的低级序断层, 与主断层倾向相同的断层倾 角大, 相反的断层倾角小。2 断层带宽度大小不一。）小的仅数厘米,大的有几米到十多米, 滑面 附近发育碎裂岩(煤、）碎粒岩(煤、）鳞片煤、断层泥。滑动镜面、擦痕、阶步 发育。煤层中或其附近岩层中发育的一些小的滑动构造, 沿滑动面发育）一层土状软岩(煤 分层。3 滑动面上、）上盘构造不协调现象较明显。上盘构造较复杂, 常见 有揉皱、破碎等现象;而下盘相对简单, 一般仅发生压碎等现象。4 滑动构造在形成过程中, 由于岩层结构、）强度不同, 可导致构造 组合的不协调现象。一般地煤层、粘土岩、砂页岩等软弱岩表现为塑性 变形, 而砂岩、页岩等则呈脆性变形。5 滑动构造经常引起煤层顶板错乱现象, 使顶板岩石插入煤层中）或顶板岩块落入煤层中,并继续被改成长条状或透镜状。6 层滑构造在滑动过程中, 由于强大的动力作用, 引起煤层塑性流）变, 使煤层发生动力变质作用及结构破坏等物理、化学变化, 从而出现 自燃倾向的差异。测试结果表明, 粒度小的煤在 120～500℃之间氧化放 热有增加的趋势, 有利于煤炭自燃的发展, 流变层构造煤粒度小于正常 煤的粒度, 自燃倾向大于正常煤。7 滑动构造往往改造早期形成的构造,使煤厚发生变化。）2 复杂构造地质区的采煤方法研究 1 轻型综采放顶煤）轻型综采放顶煤与综采放顶煤的实质性差别在于支架的不同。目前 应用于综放工作面的液压支架单架重量较重, 而轻型综采放顶煤液压 支架单架重量较轻, 并要求其具备综放支架的推移溜、移架、临时支护、防倒、防漏、导向、放顶煤等功能。经过近几年综放工作面的矿压观测，发 现放顶煤工作面周期来压显现较弱, 综采支架的实测初撑力和工作阻 力与额定值相差较大, 有较大的余量； 并由于简易支架放顶煤实践的成 功, 更说明轻型综采放顶煤在非坚硬顶板条件下的厚煤层中应用完全 可行； 而且具有投资少、运输安装方便、对复杂地质构造的适应性好于综 采放顶煤。在构造复杂地区厚煤层及中型矿井厚煤层中应积极推广使用 该工艺。2 简易支架放顶煤）我国研制出滑移顶梁及悬移顶梁支架, 用于放顶煤工作面, 在国有 地方煤矿得到了较为广泛的应用, 对我国地方煤矿厚煤层采煤方法改 革起到了推动作用。由于这类支架便于拆装, 有利于在复杂地质条件下 应用； 该矿于年初开始使用滑移顶梁支架放顶煤, 到年底,先后在多个工 作面使用, 并对这些工作面进行了矿压观测。3 分层开采与放顶煤开采）分层开采是厚煤层传统的采煤方法之一, 具有回收率高、煤质好的 优点, 也存在着送巷多、成本高、工效低等缺点, 特别是分层工作面中最 上层与底分层工作面对地质构造的适应性差。放顶煤采煤具有送巷少、效率高、经济效益好的优点, 对不稳定厚煤层及构造复杂地区的厚煤层 煤层硬度及 有独特的优势。当然, 放顶煤开采工艺也要受到煤层厚度、层理裂隙发育程度、煤层夹研厚度、顶板坚硬程

度等因素的制约, 影响 着厚煤层是否可以合理地进行放顶煤开采。工作面使用相似设备条件 下, 放顶煤采煤比分层开采对复杂地质构造的适应性强。总之，选择厚煤层特别是构造复杂地区的厚煤层的采煤方法要综合 考虑煤层厚度，构造复杂程度，煤层硬度及层理裂隙发育程度，顶底板状 况，矿井生产能力及技术装备水平等因素； 从而确定技术上可行, 并能 保证资源回收, 经济上合理, 安全上可靠的采煤方法。对于顶煤可放性 差的厚煤层, 只能采用分层开采。对于顶煤具有可放性及其它条件适宜 的厚煤层, 应优先选择放顶煤开采。对于技术及装备水平较好的大中型 矿井, 应该发展综采和轻型综采放顶煤, 充分发挥其技术优势。对于大 中型矿井中地质构造复杂的小块段及边角煤, 应该考虑采用适应性强、灵活性好的简易支架放顶煤和单体支柱长钢梁放顶煤工艺。3 结束语 我们对该煤矿进行了探测，经过研究发现，不同放顶煤工艺及其对 复杂地质构造的适应性不同，因此需要根据不同的情况采取相应的措 施。只有这样才能更好的开采复杂构造地质条件下的厚煤层。（上接 11 页）岩心的内管顺利通过、同时,金刚石钻头胎体唇面不能 卸钻杆时,因为孔内钻杆柱自重很大,致使垫叉开口磨损严重,拧卸时垫 叉要在拧管机的井口圈内旋转 1/4 圈左右,然后卡住拧管,突然卡住时,应 该平行接触的钻杆接手卡槽和垫叉切口此时有小的夹角,即垫叉冲击钻 杆接手,时间长、次数多、致使接手内壁向里凹陷内径变小,情况严重的内 管和打捞矛难以通过。6.5 钻杆内壁结垢技术难点突出： 无法满足金刚石钻进高转速的要求，钻杆内壁结垢严重影响打捞总成的上下作业，主要与地质情况和冲洗液 中的固相含量有关。如何结合钻场实际情况选择冲洗液的类型是关键技 术所在。太厚而降低纯钻效率,要求钻杆的壁厚不能太厚,较薄的壁厚还要保证足 抗弯、抗压及抗疲劳破坏强度,因此需要在钻杆材质上继续研 够的抗扭、究;比较厚的钻头和较高纯钻效率要求的矛盾:由于双层岩心管的存在, 势必造成金刚石钻头胎体唇面比较厚的实际情况,厚的唇面需要较大的 钻压,同时纯钻效率偏低,因此需要在金刚石钻头胎体唇面的形状和形式 上继续投入研究。6.3 6.4 深孔钻进机械设备、钻杆及钻杆接手螺纹连接等多方面的强度校 实际施工中,钻杆接手使用寿命偏低,主要原因在于使用拧管机拧 核,不仅是经验方面的定性结论,还需要材料力学上定量的数值计算。