跑鉆變埋鉆事故原因分析及預(yù)防處理

宋繼坤

（河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，河南平頂山467000）

跑鉆變埋鉆事故原因分析及預(yù)防處理

宋繼坤*

（河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，河南平頂山467000）

針對(duì)郟縣王集煤炭勘查區(qū)5705孔由跑鉆演變成埋鉆事故，進(jìn)行了原因分析及事故處理措施。

跑鉆變埋鉆；原因分析；預(yù)防處理

1 礦區(qū)概況

郟縣王集煤炭勘查區(qū)位于郟縣縣城東南部，行政隸屬郟縣王集鄉(xiāng)、堂街鎮(zhèn)管轄。地處平頂山煤田北部，東部與平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十三礦（以下簡(jiǎn)稱十三礦）相鄰。2013年初布孔17個(gè)，鉆探工作量20900m。主要目的是：

（1）查明勘探范圍內(nèi)的構(gòu)造形態(tài)，詳細(xì)查明先期開(kāi)采地段內(nèi)落差不小于30m的斷層，詳細(xì)查明首采區(qū)內(nèi)落差大于20m的斷層，并對(duì)小斷層發(fā)育程度做出評(píng)述，評(píng)價(jià)構(gòu)造復(fù)雜程度。

（2）控制主要可采煤層二1、四2煤底板等高線。

（3）詳細(xì)查明二1、四2、二2、五2、七2煤的厚度、可采范圍、結(jié)構(gòu)及其分岔情況。

（4）詳細(xì)查明二1、四2、二2、五2、七2煤層的煤質(zhì)特征及其變化情況，進(jìn)一步了解煤的工藝性能，確定煤類，對(duì)其工業(yè)用途做出評(píng)價(jià)；了解矸石質(zhì)量及其變化情況。

（5）詳細(xì)查明主要可采煤層直接、間接充水含水層的巖性、厚度、埋藏條件、富水性及其變化情況；預(yù)測(cè)開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生突水的可能性及地段；評(píng)價(jià)礦井充水因素,估算礦井先期開(kāi)采地段涌水量；對(duì)礦井可供利用的地下水的水量、水質(zhì)做出評(píng)價(jià)。

（6）初步查明區(qū)內(nèi)第四系厚度；本查明區(qū)內(nèi)環(huán)境地質(zhì)背景、現(xiàn)狀，研究煤炭開(kāi)發(fā)可能產(chǎn)生不良地質(zhì)現(xiàn)象，并提出防治建議。

（7）詳細(xì)研究主要可采煤層二1、四2煤頂、底板的工程地質(zhì)特征，煤層瓦斯成分和含量，煤的自燃傾向、煤塵爆炸危險(xiǎn)性及地溫變化等開(kāi)采技術(shù)條件，并對(duì)其做出相應(yīng)的評(píng)價(jià)。

（8）詳細(xì)查明老窯、小煤礦和生產(chǎn)礦井的分布和開(kāi)采情況；劃定采空區(qū)范圍，評(píng)述積水情況；詳細(xì)調(diào)查生產(chǎn)礦井、小煤礦涌水量、水質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化情況。

（9）估算區(qū)內(nèi)可采煤層埋深1500m以淺（331）+（332）+（333）類資源量，要求主要可采煤層二1、四2煤先期開(kāi)采地段內(nèi)（331）+（332）類資源量≥70%，（331）類資源量≥50%。

2 礦區(qū)地層及構(gòu)造

勘查區(qū)地層由老到新有寒武系上統(tǒng)崮山組、長(zhǎng)山組，石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組，二疊統(tǒng)下統(tǒng)山西組和下石盒子組、中統(tǒng)上石盒子組、上統(tǒng)石千峰組，三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組、中統(tǒng)二馬營(yíng)組和油房莊組、第四系。其中石炭系太原組，二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組為含煤地層?？辈閰^(qū)均被第四系掩蓋，區(qū)外東部零星出露石千峰組。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造北西向主要斷層有襄郟斷層、襄郟支斷層、霍堰斷層、白石溝逆斷層、牛莊斷層、鍋底山斷層、九里山逆斷層等，正斷層除鍋底山斷層南西盤下降北東盤上升外，其余斷層均是北東盤下降南西盤上升；逆斷層北東盤逆沖上升南西盤下降。北東向主要斷層有郟縣斷層、溝李封斷層、七里店斷層、洛崗斷層等，均為北西盤下降南東盤上升的正斷層，其中郟縣斷層為煤田的北西部邊界斷層，位于郟縣縣城，北東—南西向，延展長(zhǎng)度大于28km，落差350～400m，斷層掩蓋于第四系之下，北西下降盤沉積了較厚的中、新生界地層。襄郟斷層是煤田北東部邊界斷層，大致自麥嶺，經(jīng)襄城縣城、長(zhǎng)橋一線向北西延伸，長(zhǎng)度大于52km，斷層掩蓋于第四系之下，最大落差1000m，北東下降盤沉積了巨厚的新生界地層，該斷層旁側(cè)分支次級(jí)斷層較發(fā)育，均呈銳角與之相交。

3 埋鉆事故的原因

3.1 孔壁垮塌引起的埋鉆

（1）巖層本身松散破碎、膠結(jié)薄弱，例如嚴(yán)重的風(fēng)化層、松軟的煤層、流砂層等。鉆孔穿過(guò)這些巖層時(shí)又沒(méi)有采取有效的護(hù)壁措施。

（2）泥漿質(zhì)量不符合要求，如失水量大，含砂量高，泥皮厚而疏松，未起到保護(hù)孔壁的作用。

（3）鉆具受壓過(guò)重，成彎曲狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)后發(fā)生劇烈振動(dòng)，碰擊孔壁。

（4）在松散巖層中沖洗液流速過(guò)高，將孔壁沖毀后，鉆孔超徑，上升的沖洗液在此形成渦流，對(duì)孔壁產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷，引起松散巖層的塌陷。

（5）隨著沖洗液的大量滲漏，沖洗液滲入巖層裂隙與孔壁裂隙，促使巖石膨脹、位移和解體。在孔內(nèi)無(wú)液柱反壓力平衡的情況下，很容易造成坍塌。

3.2 巖粉沉淀造成的埋鉆

（1）所鉆的巖石松軟，進(jìn)尺速度快，產(chǎn)生大量巖粉，未能迅速而及時(shí)地排除。

（2）泥漿質(zhì)量差，膠體率差，切力不夠，對(duì)巖粉懸浮和攜出能力差。

（3）水泵工作不正常，排出的沖洗液量不足。

（4）鉆桿接頭部份漏水嚴(yán)重，沖洗液未到達(dá)孔底即返回地表。

（5）停泵時(shí)間較長(zhǎng)，而鉆具有未提離至安全孔段。

（6）孔內(nèi)巖粉很多，沒(méi)有專門撈渣。

3.3 鉆粉在孔底聚集形成原因

（1）鋼粒鉆進(jìn)時(shí)投砂量過(guò)多，送水量太小，鉆粉已經(jīng)較多時(shí)又未及時(shí)撈取或排出。

（2）鋼粒鉆進(jìn)時(shí)巖石由硬變軟，未減少投砂量，使孔內(nèi)鉆粉增多。

（3）鋼粒鉆進(jìn)換硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，因鉆粉撈取不凈，造成在小孔徑內(nèi)埋擠粗徑鉆具。

（4）鋼粒鉆進(jìn)換徑時(shí)，由于沖洗液上升流速在換徑處突然減低，會(huì)引起鉆粉沉淀埋鉆。發(fā)生埋鉆前有如下征兆：埋鉆前，下鉆不能到底，鉆進(jìn)中鉆具回轉(zhuǎn)阻力增大。時(shí)有憋車的現(xiàn)象，提動(dòng)、回轉(zhuǎn)鉆具，阻力略微減輕，但接著阻力又增大；開(kāi)始有些堵水，繼而產(chǎn)生嚴(yán)重憋泵現(xiàn)象，隨著孔口就不返水，時(shí)間愈長(zhǎng)，事故情節(jié)愈惡化。

4 郟縣王集煤炭勘查區(qū)5705孔事故原因分析及處理

4.1 5705孔施工及事故狀況

5705孔為水文孔，設(shè)計(jì)抽水2次，分別為太原組上段灰?guī)r含水層和下段灰?guī)r含水層，設(shè)計(jì)孔深1240m。該孔于2014年2月10日開(kāi)孔，一開(kāi)采用?215.9mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)，鉆至孔深103m見(jiàn)完整基巖，下入?180mm× 6mm表層套管103m；二開(kāi)采用?133mm金剛石鉆頭鉆至510m平頂山砂巖底界換徑；三開(kāi)采用?113mm復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)至孔深706.10～721.70m時(shí)發(fā)現(xiàn)斷層一層，厚度15.60m，7#煤被斷掉，斷層帶破碎嚴(yán)重。2014年5月4日鉆進(jìn)至孔深868m下鉆時(shí)，因?yàn)殂@桿大卡頭倒扣發(fā)生跑鉆事故，跑鉆留至孔底868m以上鉆具?108mm巖芯管一根6.5m，?68mm鉆挺五立根67.5m，?50mm鉆桿四立根54m，?50mm鉆桿一單根4m，孔內(nèi)事故鉆具全長(zhǎng)132m，事故碰頭孔深736m。

4.2 5705孔事故分析及處理

事故發(fā)生后，決定下?50mm公錐下鉆撈取，結(jié)果鉆機(jī)設(shè)備離合器及鉆機(jī)大小傘損壞，現(xiàn)場(chǎng)等設(shè)備配件及修理用時(shí)48h；當(dāng)5月7日下鉆用?50mm公錐撈取孔內(nèi)事故鉆具時(shí)，?50mm公錐鉆具下不到736m碰頭事故頭位置，一直在725m孔深位置徘徊。

（1）事故發(fā)生后，成立了以工程處長(zhǎng)為首的事故處理小組，工程技術(shù)人員分析，小小的跑鉆事故演變成埋鉆事故，是由于泥漿性能較差，護(hù)壁能力不強(qiáng)，致使上部15.60m厚的斷層帶坍塌造成的。

（2）事故處理方案一：采用下入?108mm管子（帶合金鉆頭）無(wú)水泵聯(lián)動(dòng)和下?lián)圃軗迫】變?nèi)坍塌的斷層掉塊方法，此方法雖然每次都能撈出很多掉塊渣子，但是上部斷層帶一直坍塌，孔深始終無(wú)法向下部延伸。

（3）事故處理方案二：調(diào)整泥漿，使泥漿指標(biāo)達(dá)到優(yōu)質(zhì)，pH值8～10，比重1.10～1.15g/cm3，粘度22～25s，失水量10～15mL/30min，目的有2個(gè)，一是把孔壁護(hù)好，防止孔壁坍塌加重，二是通過(guò)泥漿循環(huán)能把孔內(nèi)渣子攜帶出來(lái)。但事與愿違，通過(guò)5d的泥漿調(diào)整和孔內(nèi)循環(huán)，效果不盡如人意，隨泥漿返出孔外的只是顆粒直徑為1mm左右的小掉塊及細(xì)粒巖粉，下鉆至底，孔深仍在725m位置，甚至有變淺的趨勢(shì)，證明上部斷層位置孔壁不但沒(méi)護(hù)住，而且還在坍塌掉塊。

（4）事故處理方案三：事故處理到這時(shí)，似乎進(jìn)入了死胡同。工程技術(shù)人員又通過(guò)反復(fù)研究、探討，隨決定反其道而行之，還是在孔內(nèi)泥漿上做“文章”。從新鄭拉至工地膨潤(rùn)土10t，用攪拌機(jī)打成原漿，每1m3原漿加入生石灰10kg，徹底更換孔內(nèi)泥漿，利用比重大、大失水量的原漿機(jī)理，在孔內(nèi)斷層破碎帶孔壁形成豆腐渣狀泥皮，使斷層破碎帶不再坍塌掉塊。通過(guò)一個(gè)星期的換漿循環(huán)，出現(xiàn)了預(yù)想的效果：孔內(nèi)巖粉及直徑為5～10mm掉塊都隨泥漿循環(huán)被帶出孔外，一星期時(shí)間從振動(dòng)篩和循環(huán)系統(tǒng)撈出巖粉及掉塊渣子達(dá)30車之多（鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)配備的鐵皮小推車）。通過(guò)下鉆至底，鉆具很順利的達(dá)到736m事故頭位置。隨后便采用下反扣?50mm公錐“反扣返正扣”套一根返一根的方法，僅用2d時(shí)間就把孔內(nèi)132m事故鉆具全部處理完畢。

5 埋鉆事故的預(yù)防

（1）鉆孔穿過(guò)松散破碎、容易坍塌的巖層或流砂層時(shí)，一定要采取有效的護(hù)壁措施。一般采用比重較大，失水量低，粘度適宜的泥漿就能解決問(wèn)題，必要時(shí)還得使用粘土球固壁、水泥固壁，直至下套管護(hù)孔。

（2）加強(qiáng)泥漿管理。應(yīng)經(jīng)常檢查泥漿的性能指標(biāo)，必要時(shí)要進(jìn)行就能調(diào)整。污染后要及時(shí)更換新鮮泥漿，循環(huán)槽、水源箱、沉淀箱等應(yīng)經(jīng)常清理。

（3）保持水泵有足夠的泵量、泵壓。當(dāng)泵量、泵壓不足時(shí)，不能湊合鉆進(jìn)。鉆進(jìn)中應(yīng)避免沖洗液循環(huán)中斷，尤其是鉆進(jìn)砂層、松軟巖層更應(yīng)特別注意。提鉆前，應(yīng)先沖孔，使孔內(nèi)巖粉排除干凈，待提出機(jī)上鉆桿后，方能停泵。

（4）鉆具在孔內(nèi)時(shí)不能停止沖洗液循環(huán)。因故修理水泵時(shí)，必須把鉆具提至安全孔段。

（5）鋼粒鉆進(jìn)時(shí)必須帶取粉管?；卮伍_(kāi)始和終了都要用大泵量沖孔。當(dāng)孔內(nèi)巖、鉆粉超過(guò)0.3m時(shí)，應(yīng)專門撈粉。在孔底巖粉較多的情況下，每次下鉆離孔底有一定距離時(shí)，即應(yīng)開(kāi)泵，邊沖洗邊掃孔，切忌一下到底。

（6）鋼粒鉆進(jìn)時(shí)要正確掌握投砂量和送水量。鋼粒鉆進(jìn)換硬質(zhì)合金鉆進(jìn)以及鋼粒鉆進(jìn)換徑時(shí)，孔底鉆粉必須撈取干凈。

（7）處理其它事故時(shí)，防止同時(shí)發(fā)生埋鉆事故。當(dāng)發(fā)生卡鉆、跑鉆、斷鉆桿等事故時(shí)，如果沖洗液尚能循環(huán)，千萬(wàn)不要立即停泵，而應(yīng)首先沖孔，再進(jìn)行處理。如不能循環(huán)，應(yīng)加速排除上述事故，以免鉆具在孔內(nèi)放置過(guò)久而埋陷。

（8）為了防止不穩(wěn)定孔段巖層坍塌，提鉆時(shí)應(yīng)向孔內(nèi)回灌沖洗液。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）5705孔于2014年2月10日開(kāi)孔，7月25日順利結(jié)束，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，終孔孔深1206.54m。其中事故處理用時(shí)15d，完成太原組上段灰?guī)r含水層和下段灰?guī)r含水層抽水2次。

（2）泥漿是鉆探的血液，泥漿指標(biāo)的好壞決定著鉆孔的質(zhì)量與成敗。事故處理完畢在后期施工過(guò)程中，及時(shí)調(diào)整了泥漿指標(biāo)參數(shù)，使之達(dá)到正常值。

（3）埋鉆事故發(fā)生后要沉著冷靜，首先進(jìn)行強(qiáng)力開(kāi)泵沖孔，以求用沖洗液沖散坍塌物，并排出孔外。在強(qiáng)力開(kāi)泵情況下竄動(dòng)鉆具，并逐步擴(kuò)大竄動(dòng)的范圍。對(duì)于不太嚴(yán)重的埋鉆事故，這樣處理往往可以排除。

（4）反其道而行之，大膽嘗試，利用膨潤(rùn)土原漿比重大、大失水量機(jī)理進(jìn)行坍塌段鉆孔護(hù)璧及攜帶孔內(nèi)巖粉，達(dá)到了預(yù)想目的，起到了令人滿意的效果。

[1] 陳良立，劉永峰，張建奎，等.河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)《郟縣王集勘查區(qū)煤炭詳查報(bào)告》[R].2010.

[2] 煤炭部地質(zhì)局.煤田地質(zhì)鉆探（煤礦技術(shù)工人培訓(xùn)教材）[E].1984：240-241.

P634.8

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1004-5716(2015)09-0065-03

2015-01-06

宋繼坤（1966-），男（漢族），河南平頂山人，工程師，現(xiàn)從事煤層氣鉆井、煤田地質(zhì)勘探技術(shù)工作。