论文部分内容阅读
摘要：煤炭资源是工业的粮食，随着国家经济建设向深推进，未来资源缺口越来越大，目前钻探工程已经走向深部探矿。文章结合煤田钻探发展历程，针对豫东地区深厚覆盖层赋存条件，总结了适合区域条件的钻孔结构、钻头选择、钻进方法、及其泥浆护壁堵漏等成套钻探技术，已提供同行参考。
关键词：豫东地区；煤炭资源；深部钻探；钻进方法；浅探
在已跨入21世纪的时代，随着全面建设小康社会步伐的逐步推进，我国的社会主义事业已经获得快速持续的新发展，新增的探明储量逐年下降，未来的资源需求缺口越来越大，导致国家后备资源的不足。作为我国主要能源——煤，同样面临后备储量不足问题。深部煤炭是未来找煤的主要目标。因此，研究深部煤炭资源快速钻进成套技术，对于加快深部煤炭资源勘探步伐，找出可行适用的钻探技术手段，以此寻找更多的后背煤炭资源储量，具有及其重要意义。
1豫东地区煤田地层情况
豫东煤系地层全部为华北石炭二叠系地层，大部分被新生界地层覆盖。区域内自上而下具有以下特征。
1.1新生界地层
厚度约800-1000米之间，岩性松软，可钻性1～3级。砂层类松散、未固结，稳定性差，富含地下水，施工中易出现超径、坍塌、渗漏、涌砂等现象。粘土层类为典型水敏地层，施工中易出现缩径、下钻遇阻、糊钻等现象。
1.2二叠系地层
由石千峰、上、下石盒子及山西组组成，揭露埋深普遍在1350-1500m之间。二叠系地层中，砂岩层段可钻性高，钻进困难，且存在孔隙、裂隙，造成冲洗液漏失。泥岩层段可钻性低，但水敏性强，易出现水化剥落，排粉不畅，造成岩屑的重复破碎和糊钻，岩心堵塞等现象。含煤层段，由于煤层多且厚薄不均，层间距不甚稳定，钻进中需控制回次长度，影响提高钻速。
1.3石炭系地层
由太原、本溪组组成，揭露厚度150m。为灰岩、砂岩、砂质泥岩、泥岩交互层错，可钻性5～8级。下部灰岩中含较多燧石结核，可钻性9～10级。地层识别有K 8、K 2、K 1标志层。一煤组赋存于太原组内，局部可采。石炭系岩石可钻性较高，部分灰岩破碎，易发生掉块、坍塌。且灰岩多呈洞隙性漏失，给施工带来很大困难。
1.4奥陶系地层
为浅海沉积，灰岩，可钻性6～8级，厚度大约300m，洞隙发育，漏失严重。
1.5岩浆热液侵入及变质情况
煤系地层部分有岩浆岩侵入，主要为辉绿岩类、闪长岩类、煌斑岩和花岗岩类。岩浆岩的可钻性较高。一般为8级左右，部分可达9～10级。此外，岩浆岩的侵入使围岩变质，钻进较为困难。
2成套施工技术
2.1新生界超厚覆盖层
在厚度800-1000米之间深厚覆盖层施工，首先要解决流砂层坍塌、超径、渗漏、泥浆砂浸等。粘土层缩径、下钻遇阻、开分叉孔、粘土浸。最初我院采取覆盖层下套管技术，覆盖层厚下入套管多，事故频发。我院试验和推广钙处理泥浆工艺，在厚覆盖层裸眼钻进方面取得重大突破，在此基础上又进行了PAM泥浆、KP泥浆、KHM泥浆的试验与推广，取得了良好的技术效果。经过多年实践检验，在厚覆盖层进行裸眼钻进泥浆工艺技术现已基本成熟。2004年我院成功在胡襄普查区施工1006孔，新生界覆盖层厚920米。
2.2基岩地层
在可钻性等级高的基岩地层钻进，采用金刚石钻进或复合片钻头，钻效可达1.2m/h，在泥岩孔段钻进，只要采用优质泥浆护壁，并有效抑制孔壁膨胀缩颈和掉块坍塌的趋势，就不易出事故，且能够保证施工钻进的安全问题。其中，最难解决的问题是：下部基岩孔段灰岩、砂岩漏失，从而诱发覆盖层坍塌。在漏失地层堵漏问题上我院取得了一定的成绩，经实践证明采用石灰、锯末泥浆堵漏，水泥泥浆堵漏、速凝水泥浆液堵漏、化学浆液堵漏等综合堵漏措施能够有效解决该项问题。
2.3配套钻探工艺技术
2.3.1孔身结构
用Ф130mm钻头开孔，见基岩后下入Ф108套管，换Ф91mm孔径至终孔或Ф110mm开孔见基岩不下套管，换Ф91mm孔径至终孔。
2.3.2钻进方法和相应的工艺技术措施
选用硬质合金钻进为该区的主要钻进方法，针对灰岩等硬岩层采用金刚石钻进方法或金刚石回转钻进方法。
2.3.3冲洗液及护壁堵漏
2.3.3.1冲洗液选择及管理
根据本区岩性情况，使用腐植酸钾低固相泥浆可满足护壁和钻进要求。腐植酸钾低固相泥浆材料的选择及其性能中了解到。
a泥浆中Na2CO3、NaOH、Na-CMC中的Na+在基漿水化后改变泥浆体系中电动电位，有利于井壁形成薄而坚韧的泥皮，具有优良的护壁效果腐植酸盐粉末（KHm）在适当的PH值（7.5-8.5）条件下充分水解后，向地层提供钾离子，由于钾离子晶格嵌位作用，抑制泥岩的水化膨胀、剥落掉块，有效减弱地层缩径、超径趋势；高分子聚合物—水解型聚丙烯酰胺，具有较强的桥联、包被、紊凝作用，能有效的控制岩屑分散、抑制固含，保持较低密度，并有效抑制地层缩径。泥浆体系中CMC提供COOH-、OH-等亲水基团，有效地束缚泥浆中的自由水，KHm、PAM结合后，形成中低分子链网状结构，具提粘、降失水作用。
b泥浆配制与管理
根据不同地层，按上述配制不同的泥浆，浆粘土和纯碱加入水中充分搅拌后，预水后24小时，制成基浆。
c泥浆的净化与管理基本要求
每台钻机配1m3水源箱2个，2m2水源箱一个，并配备比重称、漏斗粘度计、PH试纸、含砂量瓶等野外机台泥浆性能测试仪，以便随时测量泥浆的性能参数。泥浆在使用过程中，要特别注意维护，特别是固相含量和含砂量一定要严格控制。现场采用人工捞砂和泥浆循环自然沉淀方法除砂，循环系统要设2～3个。沉淀箱、循环槽长度不得小于15米，坡度1/100。每班坚持捞砂3～4次，并及时补给不断消耗的PAM、KHm要稀释成8%以下胶体溶液，从孔口慢慢加入泥浆循环系统中，随泥浆的循环，使其分散均匀。
2.3.3.2护壁堵漏及其技术措施
堵漏材料：为了防止本区漏失情况的发生，应准备“801”，黄土，锯木，麦秸、核桃壳、石灰、纤维、“191”树脂、水泥、砂子、地勘水泥等堵漏材料
漏失的预防与堵漏措施：钻进漏失层位时，可通过以下三种途径预防漏失：①平衡措施，即降低冲洗液比重、环空循环压力损失。②抑制措施，调节冲洗液流变性，降低泥浆的粘度和切力。③隔离措施，采用堵漏泥浆水泥泥浆以及充填惰性材料。出现漏失情况，应根据漏失量大小和堵漏材料，及时治理。
应用效果：实践证明采用KHM低固相泥浆具有明显的工艺优势，在覆盖层钻进，采用该类优质泥浆护壁，能够有效地保持了孔底清洁及减少钻头泥包现象，为切屑具及时并充分克取孔底岩石，以最佳的破碎功消耗，完成大体积碎岩创造条件。具体表现在施工深孔能够大幅度地提高钻进效率，为快速钻穿覆盖层，并能够采用长孔段裸眼钻进，达到快速完钻终孔打下了良好的基础。我院豫东矿区施工多年，台月效率由上钻初的200米左右上升到后来的800米左右，最高台班效率可达200米以上。
3结语
3.1结合豫东地区超厚覆盖层聚煤环境条件，应及时总结国内外目前同类矿种钻探技术发展趋势，寻求适用的能够加快速成孔的成套钻探工艺技术。
3.2成套钻探工艺技术应包含钻孔结构合理确定、钻头及钻探方法合理选择和符合该区地层条件的泥浆护壁堵漏技术。
3.3实践证明，合理的泥浆与护壁堵漏技术是解决深厚覆盖层全孔段裸眼钻进技术的关键因素。
参考文献：
[1]李世忠主编《钻探工艺学》（上册）北京：地质出版社1992
[2]汤风林主编《岩心钻探学》武汉.中国地质大学出版社1996
[3]鄢泰宁主编《岩土钻掘工程学》武汉.中国地质大学出版社2001
关键词：豫东地区；煤炭资源；深部钻探；钻进方法；浅探
在已跨入21世纪的时代，随着全面建设小康社会步伐的逐步推进，我国的社会主义事业已经获得快速持续的新发展，新增的探明储量逐年下降，未来的资源需求缺口越来越大，导致国家后备资源的不足。作为我国主要能源——煤，同样面临后备储量不足问题。深部煤炭是未来找煤的主要目标。因此，研究深部煤炭资源快速钻进成套技术，对于加快深部煤炭资源勘探步伐，找出可行适用的钻探技术手段，以此寻找更多的后背煤炭资源储量，具有及其重要意义。
1豫东地区煤田地层情况
豫东煤系地层全部为华北石炭二叠系地层，大部分被新生界地层覆盖。区域内自上而下具有以下特征。
1.1新生界地层
厚度约800-1000米之间，岩性松软，可钻性1～3级。砂层类松散、未固结，稳定性差，富含地下水，施工中易出现超径、坍塌、渗漏、涌砂等现象。粘土层类为典型水敏地层，施工中易出现缩径、下钻遇阻、糊钻等现象。
1.2二叠系地层
由石千峰、上、下石盒子及山西组组成，揭露埋深普遍在1350-1500m之间。二叠系地层中，砂岩层段可钻性高，钻进困难，且存在孔隙、裂隙，造成冲洗液漏失。泥岩层段可钻性低，但水敏性强，易出现水化剥落，排粉不畅，造成岩屑的重复破碎和糊钻，岩心堵塞等现象。含煤层段，由于煤层多且厚薄不均，层间距不甚稳定，钻进中需控制回次长度，影响提高钻速。
1.3石炭系地层
由太原、本溪组组成，揭露厚度150m。为灰岩、砂岩、砂质泥岩、泥岩交互层错，可钻性5～8级。下部灰岩中含较多燧石结核，可钻性9～10级。地层识别有K 8、K 2、K 1标志层。一煤组赋存于太原组内，局部可采。石炭系岩石可钻性较高，部分灰岩破碎，易发生掉块、坍塌。且灰岩多呈洞隙性漏失，给施工带来很大困难。
1.4奥陶系地层
为浅海沉积，灰岩，可钻性6～8级，厚度大约300m，洞隙发育，漏失严重。
1.5岩浆热液侵入及变质情况
煤系地层部分有岩浆岩侵入，主要为辉绿岩类、闪长岩类、煌斑岩和花岗岩类。岩浆岩的可钻性较高。一般为8级左右，部分可达9～10级。此外，岩浆岩的侵入使围岩变质，钻进较为困难。
2成套施工技术
2.1新生界超厚覆盖层
在厚度800-1000米之间深厚覆盖层施工，首先要解决流砂层坍塌、超径、渗漏、泥浆砂浸等。粘土层缩径、下钻遇阻、开分叉孔、粘土浸。最初我院采取覆盖层下套管技术，覆盖层厚下入套管多，事故频发。我院试验和推广钙处理泥浆工艺，在厚覆盖层裸眼钻进方面取得重大突破，在此基础上又进行了PAM泥浆、KP泥浆、KHM泥浆的试验与推广，取得了良好的技术效果。经过多年实践检验，在厚覆盖层进行裸眼钻进泥浆工艺技术现已基本成熟。2004年我院成功在胡襄普查区施工1006孔，新生界覆盖层厚920米。
2.2基岩地层
在可钻性等级高的基岩地层钻进，采用金刚石钻进或复合片钻头，钻效可达1.2m/h，在泥岩孔段钻进，只要采用优质泥浆护壁，并有效抑制孔壁膨胀缩颈和掉块坍塌的趋势，就不易出事故，且能够保证施工钻进的安全问题。其中，最难解决的问题是：下部基岩孔段灰岩、砂岩漏失，从而诱发覆盖层坍塌。在漏失地层堵漏问题上我院取得了一定的成绩，经实践证明采用石灰、锯末泥浆堵漏，水泥泥浆堵漏、速凝水泥浆液堵漏、化学浆液堵漏等综合堵漏措施能够有效解决该项问题。
2.3配套钻探工艺技术
2.3.1孔身结构
用Ф130mm钻头开孔，见基岩后下入Ф108套管，换Ф91mm孔径至终孔或Ф110mm开孔见基岩不下套管，换Ф91mm孔径至终孔。
2.3.2钻进方法和相应的工艺技术措施
选用硬质合金钻进为该区的主要钻进方法，针对灰岩等硬岩层采用金刚石钻进方法或金刚石回转钻进方法。
2.3.3冲洗液及护壁堵漏
2.3.3.1冲洗液选择及管理
根据本区岩性情况，使用腐植酸钾低固相泥浆可满足护壁和钻进要求。腐植酸钾低固相泥浆材料的选择及其性能中了解到。
a泥浆中Na2CO3、NaOH、Na-CMC中的Na+在基漿水化后改变泥浆体系中电动电位，有利于井壁形成薄而坚韧的泥皮，具有优良的护壁效果腐植酸盐粉末（KHm）在适当的PH值（7.5-8.5）条件下充分水解后，向地层提供钾离子，由于钾离子晶格嵌位作用，抑制泥岩的水化膨胀、剥落掉块，有效减弱地层缩径、超径趋势；高分子聚合物—水解型聚丙烯酰胺，具有较强的桥联、包被、紊凝作用，能有效的控制岩屑分散、抑制固含，保持较低密度，并有效抑制地层缩径。泥浆体系中CMC提供COOH-、OH-等亲水基团，有效地束缚泥浆中的自由水，KHm、PAM结合后，形成中低分子链网状结构，具提粘、降失水作用。
b泥浆配制与管理
根据不同地层，按上述配制不同的泥浆，浆粘土和纯碱加入水中充分搅拌后，预水后24小时，制成基浆。
c泥浆的净化与管理基本要求
每台钻机配1m3水源箱2个，2m2水源箱一个，并配备比重称、漏斗粘度计、PH试纸、含砂量瓶等野外机台泥浆性能测试仪，以便随时测量泥浆的性能参数。泥浆在使用过程中，要特别注意维护，特别是固相含量和含砂量一定要严格控制。现场采用人工捞砂和泥浆循环自然沉淀方法除砂，循环系统要设2～3个。沉淀箱、循环槽长度不得小于15米，坡度1/100。每班坚持捞砂3～4次，并及时补给不断消耗的PAM、KHm要稀释成8%以下胶体溶液，从孔口慢慢加入泥浆循环系统中，随泥浆的循环，使其分散均匀。
2.3.3.2护壁堵漏及其技术措施
堵漏材料：为了防止本区漏失情况的发生，应准备“801”，黄土，锯木，麦秸、核桃壳、石灰、纤维、“191”树脂、水泥、砂子、地勘水泥等堵漏材料
漏失的预防与堵漏措施：钻进漏失层位时，可通过以下三种途径预防漏失：①平衡措施，即降低冲洗液比重、环空循环压力损失。②抑制措施，调节冲洗液流变性，降低泥浆的粘度和切力。③隔离措施，采用堵漏泥浆水泥泥浆以及充填惰性材料。出现漏失情况，应根据漏失量大小和堵漏材料，及时治理。
应用效果：实践证明采用KHM低固相泥浆具有明显的工艺优势，在覆盖层钻进，采用该类优质泥浆护壁，能够有效地保持了孔底清洁及减少钻头泥包现象，为切屑具及时并充分克取孔底岩石，以最佳的破碎功消耗，完成大体积碎岩创造条件。具体表现在施工深孔能够大幅度地提高钻进效率，为快速钻穿覆盖层，并能够采用长孔段裸眼钻进，达到快速完钻终孔打下了良好的基础。我院豫东矿区施工多年，台月效率由上钻初的200米左右上升到后来的800米左右，最高台班效率可达200米以上。
3结语
3.1结合豫东地区超厚覆盖层聚煤环境条件，应及时总结国内外目前同类矿种钻探技术发展趋势，寻求适用的能够加快速成孔的成套钻探工艺技术。
3.2成套钻探工艺技术应包含钻孔结构合理确定、钻头及钻探方法合理选择和符合该区地层条件的泥浆护壁堵漏技术。
3.3实践证明，合理的泥浆与护壁堵漏技术是解决深厚覆盖层全孔段裸眼钻进技术的关键因素。
参考文献：
[1]李世忠主编《钻探工艺学》（上册）北京：地质出版社1992
[2]汤风林主编《岩心钻探学》武汉.中国地质大学出版社1996
[3]鄢泰宁主编《岩土钻掘工程学》武汉.中国地质大学出版社2001