(彭步濤)繩索取芯煤田鉆探深孔施工綜述課件

繩索取心煤田鉆探

深孔施工綜述彭

步

濤二0一二年十月內(nèi)容摘要：

該文簡要介紹繩索取心煤田深孔施工情況，針對施工中遇到的孔壁不穩(wěn)定、漏失、坍塌、粘附卡鉆等問題，進行了積極探索，并取得一定的成效；該隊施工范圍廣，不但將繩鉆深孔技術(shù)推廣應用于南方煤田，而且在新疆、甘肅、內(nèi)蒙等省區(qū)進行了成功的實踐。

關鍵詞：繩索取心鉆探深孔1、基本情況介紹1.1單位基本情況福建省121地質(zhì)大隊（原福建省121煤田地質(zhì)勘探隊）1953年組建于山東淄博，1968年響應國家扭轉(zhuǎn)“北煤南運”的號召，南遷福建龍巖，隸屬于福建省煤田地質(zhì)局?，F(xiàn)有職工800余人，各類工程技術(shù)人員180人，其中：教授級高工4人，高級工程師45人，工程師67人，注冊安全工程師15人。具有二項甲級（固體礦產(chǎn)勘查、鉆探工程施工），三項乙級（氣體礦產(chǎn)勘查、地球物理勘查、地質(zhì)實驗測試）、5項丙級（水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查、地質(zhì)災害危險性評估、地質(zhì)災害防治工程勘查）等勘查資質(zhì)。

1、基本情況介紹建隊近60年來，為國家找礦事業(yè)作出了突出貢獻。新發(fā)現(xiàn)33處煤炭資源賦存地，提交各類最終地質(zhì)報告60多件。1991年被國家四部委命名為“全國地質(zhì)勘查功勛單位”。2007年被國土資源部授予“全國地質(zhì)勘查行業(yè)先進單位”連續(xù)四屆被福建省委、省政府授予“文明單位”等榮譽稱號2011年被全總授予“全國模范職工之家”。2012年被評為“全國地勘行業(yè)模范地勘單位”1、基本情況介紹1.2繩索取芯鉆探深孔施工情況上世紀80年代中期，我隊就積極開展繩索取芯金剛石鉆進工藝技術(shù)，到89年就全部推廣到各生產(chǎn)機臺，經(jīng)過多年的實踐應用，不斷完善和發(fā)展，積累了豐富的施工經(jīng)驗。為認真貫徹《國務院關于加強地質(zhì)工作的決定》精神，從2006年開始我隊組織力量開展繩索取芯深孔施工技術(shù)研究，積極應用國內(nèi)最新科技成果，研究解決深孔施工中遇到的一些施工難題。到目前為止，已在福建、江西、云南、貴州、四川、新疆、甘肅、內(nèi)蒙、山西等省區(qū)承攬施工多個深部找煤勘查項目，全隊擁有成建制鉆機40臺，年施工能力20萬米，鉆機類型以立軸液壓鉆機和動力頭全液壓鉆機為主，其中：立軸液壓鉆機（XY—6B、XY—5）32臺，動力頭全液壓鉆機6臺，能滿足孔深1500～2000米深孔施工。

2007年～2012年6月，全隊結(jié)束鉆孔727個，實現(xiàn)鉆探進尺59萬米（不含外協(xié)鉆機），其中：超過千米的深孔達189個，累計完成鉆探進尺22.5萬米，超過1200米的孔87個，超過1500米的孔10個，最大終孔孔深1650.10米，深孔累計完成鉆探工程量見表1：近幾年完成鉆探工程量及施工鉆孔一覽表表1目前，我隊正在施工的甘肅金川集團的深部探測2000米鉆孔1個，進展順利。1、基本情況介紹2、深孔施工設備機具配備2.1主要設備和工具2.1.1鉆機XY—6B、XY—5型立軸巖芯鉆機或DF—5型全液壓動力頭鉆機。2.1.2動力機：100～150KW柴油發(fā)電機組。2.1.3鉆塔：ZT17米四角鐵塔承載能力35噸以上。2.1.4泥漿泵：BW—250或BW—320型泵。2.1.5附屬設備：SJ—3000型取芯絞車，SQ114/8型液壓動力鉗，BS75—T型木馬夾持器、JSN—ZC型泥漿除砂器、自制泥漿攪拌機、NY—1型泥漿性能測試儀等。2.2主要鉆具、管材2.2.1選用S75A、CNH、JS75型繩索取芯鉆具，每臺鉆機配備1500～2000m。2.2.2選用S95A或SJ96鉆具每臺鉆機配備500～1200m。2.2.3φ50或φ60正、反絲普通鉆桿，每個項目（或礦區(qū)）配1000～1500m。2.2.4各類技術(shù)套管根據(jù)實際情況按需要配備。3、深孔施工關鍵技術(shù)措施3.1鉆孔結(jié)構(gòu)的設計和選擇鉆孔結(jié)構(gòu)的設計要以解決上部不穩(wěn)定地層（漏失、破碎、坍塌、縮徑……）施工難題為基礎，為深部正常鉆進創(chuàng)造條件為前提，確定鉆孔結(jié)構(gòu)：一般情況下，客觀條件好，地層簡單，需1～2層技術(shù)套管，客觀條件復雜則需3～5層甚至更多，將上部復雜層隔離，為下部施工創(chuàng)造條件是很重要的，因此，設計好鉆孔結(jié)構(gòu)、下好各層技術(shù)套管是做好深部施工的關鍵技術(shù)。3.2操作參數(shù)的選擇⑴轉(zhuǎn)速的選擇:正常鉆進采用500-730r/min鉆進，在孔深超過1000米后為保證孔內(nèi)安全轉(zhuǎn)速適當降低，選用490r/min或360r/min鉆進。⑵壓力的選擇：10～15KN。⑶泵量的選擇：采用57l/min或90l/min。3.3沖洗液的選擇根據(jù)不同的客觀條件選擇不同類型的沖洗液體系(1)在非煤系完整地層或灰?guī)r漏失地層選用無粘土沖洗液體系，主要有“PHP—GSP廣譜護壁劑—潤滑劑”無粘土沖洗液。該體系具有較好的攜帶和懸浮巖屑的能力，有較好的潤滑性，具有一定的護壁能力。(2)在煤系地層，選用“鈉土粉—磺化瀝青—GSP廣譜護壁劑—潤滑劑”低固相沖洗液。該體系具有較好的防坍塌護壁效果，是預防煤系地層或不穩(wěn)定地層坍塌的手段之一。

(3)在水敏性不穩(wěn)定地層選用“LBM增效粉（或優(yōu)質(zhì)鈉土粉）—包被劑—接枝淀粉—銨鹽—改性瀝青—潤滑劑”沖洗液該體系具有低粘度、低失水量、低密度、潤滑劑好、粘附系數(shù)低的特點，，適應于復雜易坍塌地層，特別是預防粘附卡鉆事故效果較好。3、深孔施工關鍵技術(shù)措施3.4適當增加鉆頭直徑和工作層高度適當增加鉆頭外徑，能降低沖洗液對孔壁的沖刷，保持孔壁的穩(wěn)定，減輕水泵負荷，對復雜礦區(qū)深孔施工很有意義。目前我隊所選用的鉆頭直徑由原來的75mm，增加到77mm、79mm或81mm，應用S75A鉆具的鉆頭外徑多數(shù)采用79mm，根據(jù)客觀條件的不同也不同程度地采用77mm或81mm，鉆頭外徑加大后鉆進泵壓明顯降低（見表２）。

3、深孔施工關鍵技術(shù)措施

鉆頭外徑加大后工作泵壓明顯降低表２圖１：水泵曲軸扭斷照片

增加金剛石鉆頭的工作層高度，提高鉆頭壽命，延長工作時間，有利于提高臺月效率。如采用高胎體金剛石鉆頭，使工作層厚度由4.5mm增加到12～16mm，鉆頭壽命大幅度提高，如在福建龍永煤田由68m/個提高到165m/個；在新疆伊梨煤田鉆頭單個進尺達到千米以上，最高壽命達1954米，實現(xiàn)了1個鉆頭施工1個鉆孔的理想目標。3.5液動潛孔錘技術(shù)

針對硬巖鉆進效率低、破碎地層巖芯采取率低、易卡鉆的情況，推廣應用SYZX75型液動潛孔錘技術(shù)（見表3）3、深孔施工關鍵技術(shù)措施表3甘肅德勒諾爾礦區(qū)應用SYZX75型液動錘情況對比表

該技術(shù)己在甘肅德勒諾爾鐵礦、江西德興銅礦、田心鐵礦、四川米易白馬釩鈦磁鐵礦、福建龍永煤田等得到推廣應用，應用液動潛孔錘技術(shù)使臺月效率提高47%，時效提高46.6%，回次進尺提高180%，鉆頭壽命延長21%，鉆探直接成本下降32%。3.6粉煤取心技術(shù)(1)選用側(cè)噴（或底噴）鉆頭，減少沖洗液對煤心的沖刷。(2)調(diào)整卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階間隙達1-2mm。(3)適當降低轉(zhuǎn)速，選用360n/min或260n/min。3.7側(cè)鉆繞障技術(shù)深孔施工因燒鉆、抱鉆、卡鉆出現(xiàn)的孔內(nèi)事故處理起來難度是很大的，對于少數(shù)難以處理（在超孔斷事故頭不容易找到或燒鉆等事故）的事故，可以先用是水泥封閉事故頭，從旁邊偏斜，繞開事故頭，向下繼續(xù)鉆進。3、深孔施工關鍵技術(shù)措施4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹4.1煤田深孔施工的主要特點及其復雜性由于施工區(qū)域較廣，客觀條件差異較大，所遇到的施工難度也有所不同，歸納起來主要有以下幾個特點：（1）鉆孔漏失嚴重為主要特點。如：西南地區(qū)（云、貴、川）的石灰?guī)r溶洞發(fā)育，多數(shù)鉆孔都遇到大小不一的溶洞，最大溶洞達20米；福建龍永煤田翠屏山組斷層破碎帶或砂巖裂隙發(fā)育，并有地下水活動；新疆伊犁煤田的火燒區(qū)、老礦區(qū)的采空區(qū)……；解決鉆孔漏失是維持正常鉆進的基本條件。（2）孔壁穩(wěn)定性差，巖石松散、破碎，遇水膨脹、鉆孔縮徑，孔壁坍塌是非常常見的。如：云南、貴州、新疆、江西等省區(qū)的泥頁巖、分煤層，福建龍永煤田翠屏山砂巖破碎帶……，保持孔壁穩(wěn)定是提高鉆探效率的主要技術(shù)措施。（3）新疆、甘肅、內(nèi)蒙等省區(qū)砂巖滲水性強，個別礦區(qū)覆蓋層厚，易出現(xiàn)粘附卡鉆事故。（4）硬巖鉆進效率低。主要在福建的龍永煤田翠屏山組底部最為突出，屬硅質(zhì)膠結(jié)的石英砂巖、石英角礫巖、燧石等，巖石硬度在X以上，屬硬巖“打滑”地層，采用一般金剛石鉆頭鉆進其效果差，效率低。（5）粉煤取心難度大。如：云南的富煤三礦、四礦的7煤、9煤，杉樹林礦區(qū)，江西梅山礦區(qū)B3、B4煤，貴州的樓下、晴隆礦區(qū)等多屬粉煤，對取煤工具、操作參數(shù)要求高，若操作不當往往造成采取率達不到要求，使鉆孔降級。（6）深孔施工技術(shù)要求高，難度大。典型深孔一攬表表4典型深孔一攬表續(xù)表44.2福建、江西煤田勘探施工主要施工難點:孔壁不穩(wěn)定，坍塌掉塊嚴重、地層裂隙漏水巖石較硬、時效低。主要措施；（1）護壁技術(shù)①套管隔離。充分發(fā)揮技術(shù)套管的隔離作用，將不穩(wěn)定地層隔離，該措施主要應用于上部復雜地層。②應用優(yōu)質(zhì)防塌沖洗液。如福建龍永煤悠遠礦區(qū)303號孔,孔深1302.30～1354.38米，龍永煤田紅林坪礦區(qū)11～4號孔，孔深865.40～890.50米，龍永煤田東門礦區(qū)17～1號孔，孔深910.36～938.51米，江西梅山南礦區(qū)36～4號孔，孔深1002.23～1015.10米等在施工過程中不同程度地出現(xiàn)孔壁坍塌，應用鈉土粉改性瀝青--防塌劑沖洗液體系進行處理，對于顆粒較粗的孔段，應使用50鉆具進行排粉護壁。③水泥造壁。在施工過程中也有少數(shù)鉆孔因嚴重坍塌用水泥封閉方法處理。④適當增加鉆孔口徑，有利于孔壁的穩(wěn)定。4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹（2）鉆孔漏失處理①套管隔離。上部灰?guī)r溶硐、裂隙、采定區(qū)…等嚴重漏失地層采用技術(shù)套管隔離處理。②鉆孔孔長段滲漏。采用GLA型隨鉆堵漏劑（0.3～2%）加入沖洗液中循環(huán)，在云南飛仙關地層，甘肅隴東煤田效果明顯。③裂隙漏失。采用“綜合惰性材料+801堵漏劑+稠泥漿”配成的堵漏漿液，進行灌孔堵漏效果明顯。

如：龍永煤田東門地礦區(qū)1705號孔在孔深781.03～785.38m遇一砂巖裂隙，漏失量達2.8m3/h，在穿過漏失層后將鉆具提到漏失孔段下部（不帶內(nèi)管總成）將“惰性材料(劇沬、棉籽殼、花生殼…)、801堵漏劑、稠泥漿”按一定比例配成堵漏漿液倒進鉆桿內(nèi)，然后對上立軸開泵送水，依靠水泵的壓力將堵漏液一部分壓入漏失層進行堵漏，另一部分返到地面，使漏失時減少到0.56m2/h。該方法操簡單、成本低、效果好，深受一線職工歡迎。4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹圖2：翠屏山砂巖裂隙漏水地層④對于裂隙較大上述辦法無效時采用水泥漿封孔堵漏。(3)采用側(cè)鉆繞障技術(shù)處理復雜深孔事故。深孔復雜孔內(nèi)事故處理難度大（特別是燒鉆、抱鉆、卡鉆事故），用傳統(tǒng)的處理方式強行處理，受設備能力、鉆具強度的限制，很容易引發(fā)設備故障或新的孔內(nèi)事故，經(jīng)過幾年的實踐，采用側(cè)鉆繞障技術(shù)處理復雜深孔事故是一種較好的技術(shù)措施。如：在江西梅山礦區(qū)ZK3001號孔，在孔深1116.72m處發(fā)生斷鉆桿事故，事故處理到孔深1111.30m時,因孔壁坍塌找不到事故頭，在事故頭上方用水泥漿封閉約50m，在1092m處遂步避開事故頭造斜成功,直到1138.32m順利終孔。

4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹圖3：梅山礦區(qū)3001號孔水泥造斜照片4.3云、貴、川煤田勘探施工施工難度點：上部石灰?guī)r溶硐發(fā)育，多數(shù)鉆孔遇到大小不一的溶硐，最大超過20m，個別主要可采煤層為粉煤,取心難度大。主要措施（1）上部灰?guī)r溶硐的治理合理設計鉆孔結(jié)構(gòu)，該地區(qū)多數(shù)礦區(qū)選擇3-5層技術(shù)套管，將上部來穩(wěn)定地層隔離為下部正常施工創(chuàng)造條件有。云南富煤四礦4505號孔深下套管子4層φ89技術(shù)套管為1067.06m（見圖4）。對于較大的溶硐（大于5米）需要2層以上的套管進行隔離。（2）粉煤采取采用3.5措施（見圖5）.4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹（3）破碎帶的處理在四川米易白馬及及坪釩鈦磁鐵礦區(qū)1503號孔，在孔深866.27m時發(fā)生卡鉆事故，在處理孔深853.92m時找不到事故頭，由于破碎、坍塌找不到事故頭最后用水泥漿事故頭上部40～50m處封閉，封孔48小時后用φ50鉆具透水泥，在孔深841.0m處造斜成功，將事故頭避開向下鉆進，至1022.23m鉆孔結(jié)束。4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹4.4

新疆煤田深孔勘探施工施工難點：伊犁煤田吉倫臺一塘壩礦區(qū)侏羅系中統(tǒng)西山窯組中粗灰白色砂巖江河組灰色粉砂巖滲水性較強，由于鉆具與孔壁的可掛間隙較少，應用低固相不分散沖洗液容易出現(xiàn)粘附卡鉆事，給施工帶來較大的障礙，事故直接損失百萬以上（見表5）。表5新疆伊犁尼勒克吉倫臺-塘壩煤田鉆探施工中粘附卡鉆一覽表4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹主要措施（1）預防措施①選用“PHP-GPS廣譜護壁劑-潤滑劑“無粘土沖洗液體系，該體系有利于防止出現(xiàn)粘附卡鉆，但在煤系地層不利于孔壁的穩(wěn)定應用較少。②選用“鈉土粉-包被劑-接枝淀粉-改性瀝青-水解聚丙烯脯銨鹽-潤滑劑”沖洗液體系，該體系具有比重低、失水量低、泥皮薄、切力低、粘度低、粘附系數(shù)低等特點，在后來的施工中應用該體系沒有出現(xiàn)粘附卡鉆事故。③適當增加鉆頭外徑，有利于預防粘附卡鉆。④加強對沖洗液固相總量的控制，現(xiàn)場配備除砂器。(2)處理粘附卡鉆措施出現(xiàn)粘附卡鉆后采用“清水+潤滑劑”或清水+NaOH溶液+潤滑劑“配成的溶液進行沖洗液進行沖刷解卡。如：新疆庫東縣提克買克煤礦區(qū)ZK302號孔在孔深735m、980m、1223.83m、1334.88m（終孔電測）發(fā)生4次粘附卡鉆事故，應用”NaOH水溶液+潤滑劑”配成解卡液，選擇用92～150L/min泵量,沖孔5～66個小時，成功地解決了卡鉆事故（見圖6）。4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹圖6：新疆提克買克煤礦區(qū)ZK302號孔砂巖照片圖6：新疆提克買克煤礦區(qū)ZK302號孔砂巖照片4.5甘肅隴東煤田高平礦區(qū)4410號鉆孔施工情況施工難點：第四系覆蓋層260m，造漿嚴重，技術(shù)套管起拔困難，成本高。420～465m洛河組紅色砂巖，吸水性強，容易出現(xiàn)粘附卡鉆事故，部分孔段破碎漏失。主要措施（1）選用“PHP-GPS廣譜護壁劑-包被劑-GlA型隨鉆堵漏劑”無粘土沖洗液，強化對沖洗液的凈化和管理，防止孔壁的水化和坍塌。（2）選用肋骨復合片鉆頭快速穿過覆蓋層，及時下入φ108技術(shù)套管170.51m、φ89技術(shù)套管426.30m。（3）采用“綜合惰性材料+GLA型堵漏劑+稠泥漿”配成的堵漏漿液進行灌孔堵漏；對于長孔段吸水滲漏地層采用GLA隨鉆堵漏劑按0.2～0.5%的比例加入泥漿中進行循環(huán)堵漏。（4）采用“PHP-GSP廣譜護壁劑-潤滑劑”無粘土沖洗液，應用CNH型繩索取心鉆具鉆進，預防粘附卡鉆事故。4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹圖7：隴東煤田高平礦區(qū)4410號孔洛河組砂巖取得的效果（1）終孔深1519.47m，從2011年7月10日至11月25日用時137天，臺月效率335.32米/月，造成效率低的主要原因是等水時間較長。（2）鉆孔質(zhì)量高。該孔巖心采取率95%以上，煤心采取率達98%，終孔孔斜1°45′;做為樣板工程將巖煤心全部保存。（3）管材丟失較多。該孔因拔不起來技術(shù)套管達400m，其中：φ108套管144m，φ89套管256m，達3.7萬元，增加了施工成本。在總結(jié)該孔施工經(jīng)驗的基礎上，對相關技術(shù)措施進行改進，一是增加了鉆頭外徑，應用CNH鉆具由77mm加大到81mm；應用S95A鉆具由于95mm加大到98mm。二是應用PVC塑料套管，降低施工成本。三是加強施工工藝研究，解決技術(shù)難題。經(jīng)過努力，順利地將繩鉆工工藝應用于甘肅隴東煤田，承攬和施工了一批煤層氣參數(shù)孔。4.典型礦區(qū)（鉆孔）施工案例介紹5、為深孔技術(shù)的應用提供人才和制度保障。5.1完善各項管理制度，鉆探生產(chǎn)管理實現(xiàn)制度化、規(guī)范化。（1）出臺了《繩索取心鉆探施工規(guī)程》、《設備管理辦法》、《全液