煤田鉆探深水位鉆孔施工體會

程兆洪

(中國冶金地質(zhì)總局中南局南寧地質(zhì)調(diào)查所，廣西南寧 530022)

煤田鉆探深水位鉆孔施工體會

程兆洪

(中國冶金地質(zhì)總局中南局南寧地質(zhì)調(diào)查所，廣西南寧 530022)

通過管外注水、調(diào)整泥漿添加劑及其它措施，解決煤田鉆探深水位鉆孔鉆桿潤滑和冷卻以及燒鉆等問題，取得成功的經(jīng)驗。解讀鉆探施工常規(guī)方法的適用性和遇到特殊情況的應(yīng)變和突破思維以及由此帶來的體會和啟示。

煤田鉆探;深水位孔;鉆桿潤滑;鉆桿冷卻

目前貴州煤田資源鉆探開展得如火如荼，鉆孔設(shè)計的趨勢由400～500 m的淺孔轉(zhuǎn)向1000 m以深的深孔。因貴州地處山區(qū)，深孔多半在山上，上覆地層即使是泥巖和泥質(zhì)巖類，也因年代久遠而干裂。漏水嚴重，水位往往在300 m以深。這給地質(zhì)鉆探帶來相當大的難度。近幾年，我們單位在貴州省煤田地質(zhì)鉆探深水位孔施工中取得了一定的經(jīng)驗，特別是2007～2008年，在貴州省水礦集團煤勘公司馬場煤田鹽井井田礦區(qū)鉆探工程施工中，取得了突破性的成果，解決了由此引起的一些嚴重影響施工的問題。

1 深水位給鉆探施工帶來的問題

1.1 深水位給鉆探施工帶來的直接問題

(1)不返水，排粉困難;

(2)無水位孔段鉆桿回轉(zhuǎn)阻力大;

(3)無水位孔段鉆桿表面、公母接頭表面溫度高;

(4)無水位孔段公母接頭、鉆桿磨損嚴重;

(5)泵壓為零或出現(xiàn)負壓(井內(nèi)吸氣)。

其中嚴重影響鉆探施工的問題是第(2)～(4)個問題。

1.2 由直接問題引起的間接問題

(1)斷鉆桿;

(2)鉆進轉(zhuǎn)速低;

(3)容易燒鉆;

(4)跑鉆。

其中影響最大的問題是斷鉆桿和鉆進轉(zhuǎn)速低問題。

1.3 其它問題

(1)無水位段施工，投內(nèi)管時，易發(fā)生內(nèi)管沖擊鉆頭;

(2)跑鉆時后果特別嚴重;

(3)不同孔深送水時間的選擇;

(4)防塌、防縮徑的護壁問題;

(5)孔內(nèi)情況的反饋問題。

2 應(yīng)對的解決辦法

2.1 最初的辦法

2.1.1 使用黃油或瀝青熬黃油抹鉆桿

2.1.1.1 目的

降低鉆桿、接頭與井壁的摩擦阻力，從而減小回轉(zhuǎn)阻力;降低鉆桿、接頭發(fā)熱;減少鉆桿、接頭磨損;減少斷鉆桿及由此引起的跑鉆問題。

2.1.1.2 效果

采用此方法最初確實能起到潤滑鉆桿作用，解決了回轉(zhuǎn)阻力大、鉆桿發(fā)熱、斷鉆桿等問題，但是，隨著施工時間加長和鉆孔加深，此種方法的負面作用就顯露出來了。最突出的現(xiàn)象是回轉(zhuǎn)阻力大，轉(zhuǎn)速低，在無水位孔段經(jīng)常斷鉆桿(見表1)。

表1 特征段耗時及事故統(tǒng)計表

從表1可以看出，451～550 m孔段平均每天斷鉆桿1.5次，已無法繼續(xù)往下施工。鉆桿和接頭均是新品，不是因鉆桿和接頭老舊造成的。

2.1.1.3 原因分析

(1)隨著施工時間的遞增，涂抹在鉆桿外壁上的黃油或黃油與瀝青的混合物進入孔內(nèi)的數(shù)量增多，鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙越來越小，鉆桿與孔壁之間的摩擦系數(shù)和摩擦面積由此不斷地增大;黃油或黃油與瀝青的混合物把鉆桿越抱越緊，回轉(zhuǎn)阻力由此而增加，鉆桿、接頭發(fā)熱就不可避免，從而加速了鉆桿及接頭表面的損耗。

接頭發(fā)熱是導(dǎo)致頻繁斷鉆桿的主要原因。接頭母扣在外受摩擦發(fā)熱膨脹，公扣在里面因受管內(nèi)流動的沖洗液冷卻沒有跟隨母扣同步膨脹，因而它們之間出現(xiàn)了間隙，這個間隙是導(dǎo)致鉆桿接頭斷裂的根本因素。當然接頭或鉆桿被磨薄也是一方面因素。

(2)隨著孔深的增加，鉆桿加重，回轉(zhuǎn)阻力加大也是斷鉆桿的催化因素。

隨著鉆桿的加長，鉆桿的重力也增大，鉆桿回轉(zhuǎn)時出現(xiàn)下列特征:

鉆桿回轉(zhuǎn)時，長線條節(jié)點特征加劇，將上下的作用力集中于節(jié)點上;

鉆桿回轉(zhuǎn)時，長線條節(jié)點以下的鉆桿跟節(jié)點以上鉆桿不同步，加大了節(jié)點上回轉(zhuǎn)的作用力和反作用力;

鉆桿加長，節(jié)點以下重力加大，同樣加大了節(jié)點上的垂直負荷。

在施工中，很多孔段同樣存在這些特征。但卻沒有出現(xiàn)頻頻斷鉆桿現(xiàn)象，究其原因，主要是冷卻和潤滑工作做得好。

2.1.2 沖洗液的配制及應(yīng)用

2.1.2.1 沖洗液配方

在進入煤系地層前，使用清水或在清水中加入少量的聚丙烯酰胺作沖洗液。在進入煤系地層后，采用泥漿，膨潤土每立方米水中加入25～37.5 kg，同時加少量的潤滑劑。

2.1.2.2 出現(xiàn)的問題

這種沖洗液只能解決巖石較硬、巖粉少的孔段排粉問題，解決不了巖石粉碎性強、巖粉多，特別是泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r等孔段的排粉問題。

如BK692孔，0～550 m孔段主要巖層依次為泥質(zhì)灰?guī)r(約300 m)、飛仙關(guān)泥質(zhì)粉砂巖(紅褐色，在孔深350～500 m)。巖粉造成的問題主要有以下2個:一是每鉆進2 h左右起大鉆總能看見鉆頭局部包泥塊，或水口堵有泥塊，且很堅硬，包得很緊，很難剔除;二是0～500 m段燒鉆頻繁，鉆頭微燒10次，70%在泥質(zhì)砂巖孔段。

2.1.2.3 原因分析

(1)金剛石鉆頭切削泥巖、泥質(zhì)巖時，部分巖屑不是粉末狀而是小型泥塊狀，使用的沖洗液沒有足夠的能力把它們排出。在鉆頭的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動中，部分小泥塊因為其粘性的作用附著(包)在鉆頭上或被擠到水口內(nèi)，從而形成泥包鉆頭。在一定的條件下泥塊越包越多。

(2)10次的微燒時間均在回次正常施工一段時間后發(fā)生，從而可以判斷，微燒不是回次初始水送不到位引起的，而是因為泥包鉆頭引起的。而發(fā)生的頻率70%在泥質(zhì)砂巖段佐證了這個結(jié)論。該孔泥質(zhì)砂巖的泥粉形成的泥塊其粘性比泥灰?guī)r的泥粉形成的泥塊粘性高。

2.1.3 針對零泵壓應(yīng)對燒鉆的問題

依靠水泵壓力表變化來判斷鉆頭燒鉆是常規(guī)經(jīng)驗。但BK692孔水位在400 m左右，比較深，在正常送漿鉆進過程中，水位以上的鉆桿內(nèi)腔中沒有水。當鉆頭底部全堵水或部分堵水，鉆桿內(nèi)的水位上升，但填滿鉆桿內(nèi)腔到水泵的壓力表指針有反應(yīng)需要一個過程，這個過程的長短取決于水位的深度和泵量的大小，當這個時間大于鉆頭從堵水發(fā)展到燒鉆需要的時間時，則無法及時通過壓力表反映孔底堵水情況，從而造成燒鉆。

2.2 改進后的技術(shù)措施

根據(jù)最初的施工方法、經(jīng)驗及分析的結(jié)果，我們同時采用了如下6項技術(shù)措施。

(1)從孔口鉆桿外壁輸入起冷卻、潤滑作用的漿液。本孔用聚丙稀酰胺或高效潤滑劑與水混合的漿液做潤滑冷卻劑，流量約20 L/min，實現(xiàn)鉆桿、接頭內(nèi)外溫度平衡，消除了接頭公母扣因發(fā)熱引發(fā)的不同步膨脹而產(chǎn)生的間隙。同時，降低鉆桿及接頭因發(fā)熱而加快磨損的速度。

(2)提高沖洗液排粉的功能。進入煤系地層前使用聚丙烯酰胺做沖洗液，濃度增加，提高攜帶巖粉能力。聚丙烯酰胺加入量為:分子量為1200萬，每立方米水中加入1 kg聚丙烯酰胺。進入煤系地層后使用優(yōu)質(zhì)膨潤土粉做沖洗液，同時加入纖維素，以提高沖洗液懸浮巖粉能力。膨潤土粉的加量為每立方米水中加入50 kg;纖維素的加量為每立方米水中加入1 kg，纖維素用前先用溫水浸泡開。

(3)做好回次前后的排粉工作。每回次取心前，排粉5 min，將巖粉排干凈;投放完內(nèi)管后，開鉆前，確認泵送沖洗液到孔底后開鉆低速回轉(zhuǎn)鉆具排粉4～5 min，確保將取心和投放內(nèi)管期間沉入孔底的巖粉排干凈。

(4)增加沖洗液的造漿能力。在沖洗液中加入純堿，增加沖洗液的造漿能力，將巖粉和包裹在鉆頭上的泥塊化漿排走。每立方米加0.5 kg純堿。

(5)掌握回次開鉆前泵送沖洗液的時間。

根據(jù)經(jīng)驗和時間驗證，確認深水位鉆孔泵送沖洗液到孔底并相應(yīng)排好巖粉所需時間，以BW－250型泵為例(2或3擋):

0～300m，泵送沖洗液時間為6 min;300～800 m，泵送沖洗液時間7～10 min;800～1200 m，泵送沖洗液時間12～15 min。

(6)從柴油機負荷判斷孔底情況。根據(jù)BK692孔的情況，鉆頭燒鉆引起的鉆機柴油機的反應(yīng)比水泵壓力表指針的反應(yīng)靈敏和快速。經(jīng)驗證后，我們使用了此方法，防止燒鉆十分有效。方法是:鉆機柴油機聲音異常則說明孔底有負荷，應(yīng)立即提動鉆具，以防燒鉆;觀察柴油機煙囪煙氣的變化，若有變化——變濃變黑則說明孔底有負荷應(yīng)立即提動鉆具，以防燒鉆。

此外，還可在沖洗液中添加適量的植物膠、低熒光粉等，使沖洗液具有更好的防塌、防縮徑的護壁功能。

3 工程實例

3.1 貴州水城煤礦馬場煤礦鹽井井田煤礦鉆探BK692孔

設(shè)計孔深1100 m。地層情況為:第四系覆蓋層厚約30 m;泥質(zhì)灰?guī)r約300 m;泥質(zhì)砂巖350～850 m，煤系層180 m。采用XY－5型鉆機。

施工后，發(fā)現(xiàn)鉆孔水位穩(wěn)定在400 m左右，在下套管堵水、堵漏無效的情況下，頂漏鉆進。

3.1.1 使用最初的方法表現(xiàn)的突出問題

(1)阻力大，轉(zhuǎn)速開不起來。孔深300 m后，轉(zhuǎn)速為355 r/min，到達500 m時，轉(zhuǎn)速294 r/min。

(2)經(jīng)常斷鉆桿、接頭。連續(xù)十多天每天斷一兩次，主要是從絲扣處斷開。

(3)糊鉆或燒鉆。鉆至孔深550 m時，已發(fā)生10起糊鉆或燒鉆事故。

3.1.2 使用改進后的技術(shù)措施及效果

(1)孔深550 m，鉆機轉(zhuǎn)速可開577 r/min，此轉(zhuǎn)速一直用至孔深800 m，800 m后轉(zhuǎn)速為355 r/min直至終孔;

(2)施工至終孔(1050 m)，只斷一次鉆桿;

(3)施工至終孔(1050 m)，只微燒一次鉆頭。

3.2 貴州水城煤礦馬場煤礦鹽井井田煤礦鉆探BK673孔

設(shè)計孔深1150 m。地層情況為:第四系覆蓋層約30 m，泥質(zhì)灰?guī)r約300 m，泥質(zhì)砂巖320～870 m，煤系層180 m。

使用同樣的鉆機和鉆桿。施工后發(fā)現(xiàn)水位穩(wěn)定在450 m，直接采用改進的技術(shù)措施，取得成功，從開鉆至終孔，出現(xiàn)微燒鉆頭一次、糊鉆一次、斷鉆桿一次。

4 幾點體會

(1)鉆探施工不能因循守舊，應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同方法。在開始施工BK692孔時，由于受原來的方法影響，使用黃油熬瀝青涂抹在鉆桿外表作潤滑，反反復(fù)復(fù)幾個月來回折騰，耗時耗力耗財，結(jié)果都是徒勞;受返水孔的啟發(fā)試用管外注水方法，非常有效。但該方法在松散地層應(yīng)慎用。

(2)要善于觀察，善于分析問題。每件事情的發(fā)生都有其因果，認真分析原因才能找到解決問題的辦法。

(3)雖然解決了水位深度在450 m左右鉆桿的冷卻、潤滑等問題，但如果水位更深一些，這些方法是否有效和可行?筆者認為還需要研究的問題有:鉆桿的耐熱、耐磨問題;鉆桿連接絲扣的緊密及強度問題;為保持鉆桿外有水，要求解決套管底部密封問題。

5 幾點研制建議

(1)建議研制孔內(nèi)阻力感應(yīng)器，通過感應(yīng)為鉆機提供動力的柴油機工作負荷。通過柴油機的工作負荷，間接測知鉆桿在孔內(nèi)的回轉(zhuǎn)阻力，以科學指導(dǎo)施工。

(2)建議研制泵壓解讀器。壓力表的泵壓是反映孔底情況的一條重要的途徑。研制泵壓解讀器，可以讀出深水位孔水位的位置和水壓力，為施工人員提供施工依據(jù)，有利于科學打鉆。

(3)建議研制提高鉆桿內(nèi)腔水位的裝置。根據(jù)壓力與流量的關(guān)系，結(jié)合液動沖擊器、節(jié)流閥、溢流閥等原理研制一種提高鉆桿內(nèi)腔水位的裝置，能提高鉆桿內(nèi)腔的水位，又不影響正常施工。它可以考慮與內(nèi)管總成連在一起，能跟隨內(nèi)管上下提動。

［1］張金來，宛合生，潘廣燦，等.利用控制壓力鉆進技術(shù)解決姚莊煤田復(fù)雜地層問題的探討［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38 (1):25－27.

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Experience of Borehole Construction in Deep Water Table for Coalfield Drilling

CHENG Zhao-hong(Nanning Geo-logical Survey of Centralsouth Bureau of China Metallurgical Geology Bureau，Nanning Guangxi 530022，China)

By grouting water from outside the drill pipe，adjusting mud agents and some other methods，drill pipe lubrication，cooling and bit burning were solved for drilling in deep water table coalfield with successful experience.In this paper，the applicability of conventional methods of drilling construction，the adaptability for special cases and breakthrough thinking were interpreted，and the consequent experience and enlightenment were together presented.

coalfield drilling;borehole in deep water table;drill pipe lubrication;drill pipe cooling

P634.5

A

1672－7428(2011)11－0024－03

2011－04－22;

2011－05－04

程兆洪(1967－)，男(壯族)，廣西南寧人，中國冶金地質(zhì)總局中南局南寧地質(zhì)調(diào)查所，鉆探專業(yè)，從事地質(zhì)鉆探工程、巖土工程施工工作，廣西南寧市新竹路41號，chengzhaohong2011@163.com。