孫孝剛，王 聰，代敏兵，張 濤

(貴州省地礦局102地質大隊，貴州遵義563003)

0 引言

貴州省晴隆縣揚寨煤礦勘探，前期鉆探工作:2005年6～9月，巖心鉆探進尺5262.50 m(9孔);2006年10月～2008年1月，巖心鉆探進尺8395 m(16孔);2009年6月～2011年8月，補充施工了3410.48 m(7孔)。以上數(shù)次勘查，共計施鉆32個鉆孔。但所有鉆孔施工都遇到了較大的困難，雖然提交了地質報告，可地質情況仍有待于認識和研究。近期我隊接受了該礦區(qū)的勘探任務。

1 工程概述

該礦區(qū)位于貴州省晴隆縣北部，礦區(qū)面積為10.77 km2。該礦區(qū)所有設計鉆孔均為直孔，孔深在50.00～1612.00 m之間，總計鉆探工作量為29548 m(28孔)。

2 地質情況、地質特征

礦區(qū)屬高原多山地形，溝谷切割強烈，海拔783～1794.4 m，地形坡度大，沖溝發(fā)育，最大相對高差近800 m，一般多在300 m。

礦區(qū)褶皺及斷層均較發(fā)育，礦區(qū)西部巖層傾角變化較大(25°～85°)，普遍具上部傾角緩、下部傾角變大;礦區(qū)東部巖層正常產(chǎn)出，巖層傾角5°～45°。

礦區(qū)具有煤系地層厚(礦區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，厚度約560 m)、可采煤層多(全礦區(qū)可采和大部可采煤層有 M4、M5、M7、M10、M13、M14、M15、M16、M24、M25、M28、M31 等層)、瓦斯含量較高、漏失、涌水等特點。

礦區(qū)由西向東地層由老至新依次出露地層為:

(1)二疊系中統(tǒng)茅口組，巖性主要為深灰～白色厚層塊狀隱晶至細晶石灰?guī)r、含白云質灰?guī)r和次生白云巖，巖石可鉆性4～6級;

(2)二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組，巖性主要為褐灰色、紫色、灰綠色間隱結構玄武巖、拉班玄武巖、玄武質巖屑凝灰角礫巖、火山角礫質粘土巖等，巖石可鉆性7～9級;

(3)龍?zhí)督M，主要由粘土巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、煤層及少量泥質灰?guī)r薄層組成，巖石可鉆性1～4級;

(4)長興－大隆組，由深褐色、淺黃色、深灰色粉砂質泥巖和泥質粉砂巖為主，巖石可鉆性1～4級;

(5)三疊系下統(tǒng)飛仙關組，主要為黃綠色、灰綠色細砂巖、深灰色中厚層狀微晶灰?guī)r、粉砂質泥巖等，巖石可鉆性1～4級;

(6)永寧鎮(zhèn)組，主要為粉晶灰?guī)r、云灰?guī)r、紫紅色、淺黃色泥巖、粉砂質泥巖、含泥質白云巖、白云巖及滑塌角礫巖，巖石可鉆性1～6級;

(7)三疊系中統(tǒng)關嶺組，主要為紫紅色、灰綠色、灰色薄～中厚層狀粉砂巖、泥灰?guī)r夾泥巖，底層為綠豆巖，巖石可鉆性1～4級;

(8)第四系殘坡積碎石土層、黃褐色含礫砂土、亞粘土等。

3 鉆孔結構設計及設備選擇

3．1鉆孔結構設計原則

由于該礦區(qū)煤層、煤線較多，厚薄不一，0～6 m不等，且瓦斯含量較高，泥巖、炭質(泥質)泥巖、粘土巖、頁巖、炭質(灰質)頁巖等水敏性地層頻繁，砂巖、灰?guī)r破碎段較多，涌水現(xiàn)象嚴重，且無詳細的鉆孔柱狀圖地質情況供施工參考。鑒于以往施工鉆孔失敗的教訓，其鉆孔結構設計，原則上開孔至終孔至少預留2～3級口徑。設計深度在1000 m以深的鉆孔，選擇172 mm開孔(≮150 mm);在不超過鉆機扭矩和提升力時，鉆孔結構由大到小盡量做到:少變徑和緩變徑。即大口徑變小口徑前，鉆孔深度盡力加深，如ZK1310驗證孔(見圖1)。根據(jù)設計的地質柱狀圖，其鉆孔設計深度1250 m，較厚煤層主要集中在600～800 m，故選擇150 mm開孔，預計由130、110 mm兩徑鉆穿上覆(第四系浮土、三疊系部分)地層，以96 mm為主徑盡力鉆至最深，然后下套管護壁，用77 mm作預留徑快速鉆至終孔。

3．2 設備選擇

由于存在鉆孔設計深度與實際滿足地質要求施工深度誤差較大的情況，孔內(nèi)事故難以預防，為確保鉆孔的順利實施，要求進入該礦區(qū)施工鉆探設備的性能必須滿足:(1)鉆機的最大鉆進深度(終孔口徑)大于鉆孔設計深度;(2)鉆機(或鉆塔、桅桿)具有處理孔內(nèi)事故的能力或具備配置處理孔內(nèi)事故設備的條件;(3)具有配備或租借常用的孔內(nèi)事故處理設備(工具)的能力。

據(jù)我們以往施工的記錄，YDX－1800型全液壓動力頭鉆機(另配四腳鉆塔)所施工的鉆孔，其孔徑為96和77 mm的鉆孔最大深度分別為990和1781 m，并具有處理孔內(nèi)事故的能力，能滿足ZK1310鉆孔施工所需的條件，故ZK1310鉆孔選用了該鉆機施工。

4 鉆進工藝

4．1 鉆進方法確定

根據(jù)《煤炭地質勘查鉆孔質量標準》(MT/T1042－2007)要求，為確保巖心采取率及鉆孔質量能滿足設計需求，全礦區(qū)所有鉆孔，除開孔孔段用硬質合金鉆頭外，插定向管之后，全孔施工均采用金剛石鉆進，最后三徑(110、96、77 mm)均采用金剛石繩索取心鉆進。鉆進工藝參數(shù)如表1所示，同時應遵循以下原則。

表1 鉆進參數(shù)選擇

4．1．1 鉆壓

(1)鉆進節(jié)理發(fā)育、巖層陡立、松軟破碎、軟硬互層、強研磨性地層時，以及鉆孔彎曲和超徑的情況下，應適當減小鉆壓。

(2)新鉆頭初磨應減小鉆壓，初磨后的新鉆頭，采用正常鉆壓。隨著金剛石磨鈍、鉆速下降，應逐步加大鉆壓，但不宜過大，更不得劇增。

(3)在鉆進過程中，注意保持鉆壓平穩(wěn)，以保持鉆速均勻。

4．1．2 轉速

(1)鉆進極硬弱研磨性地層、裂隙破碎地層、孔壁不穩(wěn)、軟硬交層地層、陡立易斜地層，應適當降低轉速;軟巖層中鉆進效率很高時，為保持冷卻鉆頭和排粉，也應限制轉速。

(2)使用泥漿作為沖洗液時，為減小沖洗液在鉆孔環(huán)狀間隙的循環(huán)阻力，降低沖洗液的泵壓，同時防止鉆桿柱內(nèi)壁結泥皮，要適當降低轉速。

(3)鉆孔結構簡單合理，環(huán)狀間隙小，孔深不大，應盡量選用較高轉速;反之需降低轉速;隨孔深增加應不斷降低轉速。

選用孕鑲鉆頭時，鉆頭的線速度一般為1.5～3.0 m/s;選用表鑲鉆頭時則為1.0～2.0 m/s。

4．1．3 泵量

沖洗液量應足以保證清除巖粉，冷卻鉆頭和保護孔壁。

4．2 護壁措施

4．2．1 套管護壁

鑒于該礦區(qū)煤層、煤線較多，瓦斯含量較高，且砂巖、灰?guī)r破碎段多，孔內(nèi)漏失和涌水現(xiàn)象都比較嚴重，泥漿護壁難，易垮塌、掉塊的特點。加之部分鉆孔施工缺水，一般要求在進入煤系地層換徑后，盡量采用套管護壁。

4．2．2 泥漿護壁

在進入煤系地層后，由于該礦區(qū)煤系地層厚度較大，煤層較多，易垮塌孔段多的特點，根據(jù)孔內(nèi)情況，應配制與之相適應的泥漿護壁。

4．2．3 水泥護壁

在施工中遇孔壁嚴重垮塌，且無預留換徑下套管的情況下，一般采用水泥封閉易垮塌層段，待其凝固后再繼續(xù)施鉆，從而達到護壁的效果。

4．3 沖洗液性能要求、配制和維護

配制(或換)泥漿時，盡量選用優(yōu)質(造漿率達16 m3)粘土粉，使用時必須預水化(即加堿后發(fā)酵24 h)，然后再根據(jù)護壁的要求加入適量的處理劑，隨后檢測其密度、粘度、pH值、失水量、泥皮厚度、含砂量等，嚴禁將“生泥漿”加入孔內(nèi)。勤觀察、勤測量，及時掌握泥漿的性能變化。

4．3．1 泥漿的性能要求

(1)粘度。鉆進完整地層粘度控制在35 s左右;水敏性地層控制在35～40 s;特別不穩(wěn)定地層粘度可視情況調(diào)高。若粘度過高，可以加入稀釋劑處理，嚴禁加入清水降粘;過低則可以加入高粘纖維素增加粘度。

(2)濾失量和泥餅厚度。完整地層濾失量應控制在15 mL/30 min以內(nèi)，泥餅厚度應＜2 mm;泥頁巖地層及其他吸水膨脹易垮塌地層濾失量應控制在10 mL/30 min以內(nèi)，泥餅厚度應＜1 mm。

(3)密度。沖洗液的密度是平衡孔內(nèi)壓力的參數(shù)。密度過小可能引起孔內(nèi)垮塌;密度過大則可能壓漏地層，同時鉆具磨損也嚴重，也容易發(fā)生粘吸卡鉆。①在穩(wěn)定的孔段:優(yōu)質沖洗液一般密度應控制在1.06～1.10 g/cm3之間。②在不穩(wěn)定的孔段:沖洗液密度應控制在1.10～1.20 g/cm3之間。③在涌水、高瓦斯突出孔段:沖洗液的密度應根據(jù)涌水的情況，控制在1.20～1.50 g/cm3之間。

(4)含砂量。含砂量要求控制在4%以內(nèi)。含砂量太大，可以采用清水稀釋的辦法，或用聚丙稀酰胺泥漿使細小巖屑絮凝，再通過固相控制設備除去。

(5)pH值。pH值是沖洗液酸堿度的指標，一般控制在8～10之間?？梢酝ㄟ^加入燒堿、純堿及堿性處理劑來調(diào)節(jié)。

4．3．2 沖洗液性能調(diào)節(jié)應注意的問題

(1)沖洗液性能調(diào)節(jié)必須在泥漿循環(huán)的條件下進行。

(2)添加劑必須少量、緩慢的加入，不得猛加處理劑造成新加入泥漿與孔內(nèi)泥漿發(fā)生不良反映。

(3)原則上孔內(nèi)需什么就補什么，保留有效固相去除無效固相。

4．4 孔內(nèi)事故預防及處理

4．4．1 孔內(nèi)事故預防

預防孔內(nèi)事故的關鍵是保證沖洗液的質量及循環(huán)暢通，保持孔內(nèi)清潔。預防卡、埋、燒鉆事故必須做到以下幾點。

(1)根據(jù)巖層性質，正確掌握清水、泥漿、套管的配合使用。

(2)做好硬質合金與金剛石鉆進的互換，當合金鉆進換金剛石鉆進時，應撈凈孔內(nèi)殘留合金碎塊并進行磨孔，新金剛石鉆頭下孔前應有一定時間的初磨階段。

(3)鉆孔深度＞800 m后，盡量避免起大鉆，必須起大鉆時，應采用低速起鉆，減小對孔壁的抽吸作用力。

(4)金剛石鉆進時，應保證鉆桿絲扣連接密封，水泵要保證良好的工作狀態(tài)，在易坍塌巖層提鉆時要進行鉆孔回灌。預防孔內(nèi)事故的發(fā)生，要正確操作，隨時注意孔內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)異常應及時判斷和處理。

4．4．2 孔內(nèi)事故處理(以ZK1310孔為例)

4．4．2．1 鉆孔概況

該孔所鉆地層從上至下依次為:第四系浮土(0～21.43 m);三疊系下統(tǒng)飛仙關組(21.43～387.17 m);二疊系長興組(387.17～498.02 m)、龍?zhí)督M(498.02～1118.34 m)、峨眉山玄武巖組(1118.34～1123.34 m)。自388.17 m鉆穿第一層煤后，到1084.67 m鉆穿最后一層煤，共穿越煤層、煤線近50層，其中厚度在5 m以上2層，1～5 m共8層，0.5～1 m共12層，多呈半塊狀、粉狀。

選用YDX－1800型全液壓動力頭鉆機(另配四腳鉆塔)。

鉆孔結構、套管程序及鉆進方法見表2。

表2 鉆孔結構、套管尺寸和鉆進方法

4．4．2．2 第一次事故

(2)處理過程。①不停車、不停泵，上下串動，連頂(液壓油缸)帶拉(升降機)，迅速將鉆具提至安全孔段;②重新調(diào)配泥漿，掃孔，失敗(始終不能通過619～623 m孔段);③用96 mm金剛石單管鉆具掃孔至最大深度后作套管用，隨后用77 mm繩索取心鉆具掏心接近96 mm鉆具底部時，96 mm鉆具跑管;④96 mm鉆具跑管后，89 mm鉆桿在619～623 m孔段嚴重彎曲，用絲錐打撈，將上部鉆桿在孔深619.70 m提斷后提出孔外，余49 m鉆具于孔底無法提出;⑤采用水泥將619～623 m孔段封堵，用96 mm金剛石單管鉆具掃孔至624.17 m，自然側鉆(已超過事故頭)，并作套管之用護壁，換徑，選用77 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進。

(3)事故原因。本孔自孔深387 m鉆穿第一層煤后，至672 m時，已穿過多煤層、煤線。①由于瓦斯突出(含量極高)，致泥漿密度降低，嚴重破壞了孔內(nèi)液柱與孔壁間的壓力平衡;②在孔深600 m后局部地層涌水，泥漿的失水量增大，使煤層吸水坍塌。

4．4．2．3 第二次事故

(1)事故經(jīng)過。經(jīng)第一次側鉆后鉆至孔深1062 m時，孔內(nèi)涌水較大，且瓦斯更為突出，致上部孔壁多段嚴重垮塌、埋鉆。

(2)處理過程。①用反絲公錐將上部鉆桿從孔深765 m處反脫，提出孔內(nèi)后下部事故頭被埋，無法打撈。②用水泥封固624.17～765 m孔段。③配制高密度水基成膜泥漿，壓制瓦斯突出、涌水和穩(wěn)定孔壁。泥漿配方及性能:3% ～5%粘土粉+1‰～2‰Na2CO3+2‰ ～3‰ CMC+3‰ ～5‰ X－1成膜劑+適量 BaSO4;粘度35～40 s，濾失量 ＜10 mL/30 min，泥餅厚度1～2 mm，密度1.25～1.35 g/cm3之間，含砂量＜4%，pH值8～10。④用77 mm金剛石繩索取心鉆具掃孔→自然側鉆→至鉆進終孔。

(3)事故原因。

①瓦斯突出:由于該孔所鉆煤層較多且厚，瓦斯含量極高，致泥漿充氣，使泥漿密度在孔內(nèi)循環(huán)中嚴重降低，破壞了孔內(nèi)液柱與孔壁之間的壓力平衡。

②涌水:由于煤層底部部分地層涌水，致使泥漿被逐漸稀釋，性能發(fā)生改變，水敏性地層(粉)煤層、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及少量泥質灰?guī)r及破碎巖石脫落、坍塌，粘土巖縮徑。

③人為因素:事故發(fā)生前，現(xiàn)場未對泥漿性能進行及時檢測和調(diào)配處理。

5 經(jīng)驗體會

(1)在上述復雜地層礦區(qū)鉆探施工，不僅在施工前要有全面的事故預防措施，而且在施工過程中要把握好鉆進參數(shù)、正確操作、勤觀測泥漿性能的變化，并根據(jù)護壁需求進行及時調(diào)整。

(2)在調(diào)制高密度水基成膜泥漿時，應根據(jù)進、出孔口泥漿性質的變化、鉆孔深度(液柱壓強)、涌水量和水頭高度，以及瓦斯突出時產(chǎn)生的水頭高度，來判斷孔內(nèi)瓦斯突出量(壓力)和涌水水頭高度(壓力)，然后加入適量的BaSO4進行調(diào)整。其調(diào)整后的泥漿密度ρ理論上應滿足下式:

式中:ρ0——調(diào)整前泥漿的密度;h——調(diào)整前泥漿涌(噴)出孔口的高度;l——涌水(瓦斯突出)孔段深度。

實際值應稍大于計算值，才能確保瓦斯氣體(或水)滲透到孔內(nèi)。

BaSO4添加原則:適量逐漸添加，使泥漿的密度逐漸增大，同時，檢測返出孔口泥漿性能的參數(shù)，其性能趨于穩(wěn)定時則停止添加，從而可避免因加量過多使泥漿密度過高，致孔內(nèi)泥漿被壓而漏失，以及泵壓過高而增加設備負荷，損壞設備。反之，因泥漿密度過小，達不到壓制瓦斯突出和涌水的功能。

由于X－1成膜劑與水在粘土表面發(fā)生競爭吸附，X－1成膜劑優(yōu)先在粘土表面取代部分水分子，形成一個疏水的膜，破壞和阻止了粘土表面結構水的形成，以及CMC具有較好的降濾失作用和在堿性溶液中有較好的流變性能。因此，高密度水基成膜泥漿，在CMC、X－1成膜劑中的高分子與粘土顆粒之間的物理和化學作用下，同時具有2種作用，一是保持孔內(nèi)液柱與孔壁之間的壓力平衡，二是降失水，抑制水敏性地層水化膨脹和分散脫落，從而達到防止孔壁坍塌，穩(wěn)定孔壁的作用。

6 鉆探技術效果

通過以上措施，該礦區(qū)自ZK1310孔施工結束后，總結經(jīng)驗，并在各機臺進行交流、推廣，又相繼施工完ZK301、ZK302、ZK1202等鉆孔，現(xiàn)13臺鉆機正在該礦區(qū)進行著有效的施工，累計完成工作量近10000 m。不僅解決了該礦區(qū)高瓦斯涌水超厚煤系復雜地層鉆進施工的難題，為我隊創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟和社會效益，為探明該礦區(qū)的礦產(chǎn)資源儲量和查明地質構造，提供了可靠的技術支撐，而且為同類地層的鉆進施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

7 結語

在超厚煤系地層、高瓦斯、涌水等復雜地層鉆進施工中，應遵循以下幾點。

(1)確保泥漿性能是關鍵。高密度水基成膜泥漿，不僅能有效地抑制瓦斯突出，避免因瓦斯侵，導致泥漿充氣，密度變小，破壞液柱與孔壁之間的壓力平衡，而致孔壁垮塌。而且能壓住巖層一定量的涌水，避免因水侵，導致泥漿被稀釋變質，致水敏性地層縮徑、脫落垮塌。

(2)合理的鉆孔結構。鉆孔結構設計，不僅要根據(jù)鉆孔深度、地質要求(終孔口徑)、經(jīng)濟成本作考慮，而且要根據(jù)地層的復雜程度，合理預留事故變徑口徑。

(3)正確操作、選擇合理的鉆進參數(shù)是預防鉆探事故的先決條件。鉆壓過高，易使鉆具彎曲、折斷和鉆孔彎曲;鉆速過高，易使鉆具折斷，造成孔壁垮塌和鉆桿內(nèi)壁積垢;泵量過大易沖刷孔壁，反之，泵量過小，不能及時排出孔底巖屑，則導致重復破碎，影響鉆速或造成埋鉆。

(4)正確選用鉆探設備。由于地層復雜導致鉆孔深度的不確定性事故發(fā)生率較高，因此，在設備選型上，不僅要考慮是否經(jīng)濟，還要考慮具有處理事故和鉆孔適當加深的能力。

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