豫西煤系地層鉆探快速成孔工藝研究

祁新堂，劉梁，郭佳歡

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 4500162.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測(cè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002)

0 引言

河南是我國(guó)的鋁土礦資源大省，鋁土礦是河南省的優(yōu)勢(shì)礦種，屬于華北地臺(tái)石炭紀(jì)沉積型鋁土礦，主要分布在黃河以南、京廣路以西之豫西及豫西北地區(qū)的三門峽—鄭州—平頂山之間這一三角地帶(郭寶健等，2014；郎巖峰等，2016；王莉等，2017；涂恩照，2018；建林青等，2019；賴素星和李鋼，2019)，鋁土礦與煤系地層關(guān)系密切。目前已探明鋁土礦資源量10億多噸。2016年河南有色地礦鉆探有限公司為河南省禹州煤田煤下鋁(黏)土礦詳查項(xiàng)目、河南省澠池縣曹窯以西煤下鋁詳查項(xiàng)目及河南省陜縣鐵爐溝鋁土礦區(qū)生產(chǎn)勘探項(xiàng)目開展鉆探施工任務(wù)，總進(jìn)尺40000 m。本次研究主要針對(duì)煤系松散破碎及水敏地層施工難度大的情況，探索復(fù)雜地層鉆探施工方法。共完成研究鉆孔4個(gè)，同時(shí)收集1個(gè)非研究鉆孔的鉆進(jìn)參數(shù)。鉆探工作量1656.70 m，數(shù)據(jù)采集450次，采集各種鉆探工藝參數(shù)5400個(gè)。工作區(qū)涵蓋豫西三門峽—洛陽—鄭州—平頂山鋁土礦床，具有較強(qiáng)的代表性。為保證我省鋁土礦資源開發(fā)可持續(xù)性發(fā)展，亟待加大鋁土礦資源的勘查力度、勘查深度及研究程度，探索煤下鋁地層快速成孔工藝十分必要，對(duì)鋁土礦勘查具有指導(dǎo)意義，并能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)在大地構(gòu)造位置上處于華北陸塊南緣的嵩箕臺(tái)隆和華熊臺(tái)緣凹陷區(qū)內(nèi)，位于王村—扒村鋁(黏)土成礦帶、鄭州—黃道鋁(黏)土成礦帶及豫西陜(縣)—新(安)鋁土礦帶上。鋁土礦產(chǎn)于上石炭統(tǒng)本溪組含鋁巖系中，屬沉積型，鋁土礦與煤系地層關(guān)系密切(袁躍清，2005；馬紅義，2013；周明山，2014；萬海全和王玲，2015；印修章等，2015；薛亞飛等，2017)。地層屬華北地層大區(qū)、晉冀魯豫地層區(qū)、山西地層區(qū)，地層具有雙重結(jié)構(gòu)?；椎貙訛樯咸沤绲欠馊骸⑸咸沤纭略沤缣A群和下元古界嵩山群；蓋層自下而上為中元古界長(zhǎng)城系熊耳群、汝陽群、五佛山群、下元古界震旦系、古生界的寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和中生界、新生界。根據(jù)地表及鉆孔資料，區(qū)內(nèi)出露地層及特征從老到新見表1。

表1 工作區(qū)地層一覽表

2 鉆探工藝研究

煤系地層復(fù)雜，存在松散、破碎、坍塌、掉塊、水敏、漏水及涌水現(xiàn)象。特別是近些年來，隨著煤下鋁勘查力度的加大及勘查程度的提高，鉆孔孔深也逐漸加大。不采取一定的技術(shù)措施，很難達(dá)到預(yù)期鉆探效果，甚至有廢孔的可能。通過研究鉆孔的施工，探索總結(jié)出煤系地層鉆探施工以下技術(shù)措施。

2.1 鉆探設(shè)備的選擇

煤系地層比較復(fù)雜，常出現(xiàn)孔內(nèi)事故。設(shè)備對(duì)于解決好復(fù)雜地層鉆進(jìn)問題并不是重要因素，但性能先進(jìn)的設(shè)備配合合理的工藝技術(shù)卻能起到事半功倍的效果(石立明，2008；郭偉，2014)。依據(jù)工作區(qū)地形地層情況、設(shè)計(jì)孔深及以往施工鉆孔，結(jié)合我單位施工機(jī)械裝備水平、技術(shù)狀況，本著滿足要求、節(jié)約高效、安全文明的原則，我們采用XY-4型立軸鉆機(jī)、A字型鉆塔、WB250型往復(fù)泥漿泵、柴油機(jī)、配套繩索取芯鉆具鉆桿、攪車等。立軸鉆機(jī)處理事故比較方便(周亞利等，2010)，A字型鉆探占地面積小，安裝簡(jiǎn)單快捷安全方便，適用性強(qiáng)；繩索取心鉆桿相對(duì)于普通鉆桿對(duì)孔壁擾動(dòng)小，保護(hù)孔壁有利于鉆孔順利施工。在條件允許情況下建議采用全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)。這種鉆機(jī)由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的原因，配合繩索取心工藝，在復(fù)雜地層鉆進(jìn)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)：一是動(dòng)力頭夾持鉆桿，液壓夾持器在鉆進(jìn)過程對(duì)鉆桿扶持導(dǎo)正，減小了鉆桿的抖動(dòng)，使鉆進(jìn)平穩(wěn)，工作過程中的偏失能夠得到及時(shí)糾正，作業(yè)過程中能夠很好的保護(hù)孔壁，減少了坍塌現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)率；二是鉆機(jī)采用模塊式結(jié)構(gòu)，液壓傳動(dòng)，減小了機(jī)器對(duì)鉆桿的振動(dòng)，極大的減少了鉆機(jī)的動(dòng)力傳送對(duì)于鉆頭工作穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而減小了由于機(jī)器振動(dòng)對(duì)巖心的破壞，極大的提高了巖心的采取率。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇直接影響到鉆進(jìn)安全、鉆進(jìn)效率和施工成本，尤其是在復(fù)雜地層鉆探施工。因此應(yīng)根據(jù)工作區(qū)地質(zhì)條件、煤系地層復(fù)雜情況及深部未知性進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(胡辰光，2003；江明和等，2019)。盡可能簡(jiǎn)化鉆孔結(jié)構(gòu)，使鉆桿與鉆孔合理級(jí)配，以增加鉆桿在孔內(nèi)的穩(wěn)定性，避免或減少鉆桿折斷事故的發(fā)生(胡繼良和陶士先，2011)。以“開大打小、多留空間、遇阻擴(kuò)孔、套管隔離、保直為主”及安全、文明、高效、綠色環(huán)保為原則，一般采用套管分級(jí)隔離復(fù)雜層段成孔工藝：開孔采用Φ114 mm復(fù)合片肋骨鉆頭鉆至一定深度后，下入Φ108 mm的套管，隔離上部松散破碎層段；然后直接改用Φ78 mm復(fù)合片肋骨鉆頭或金剛石鉆頭配合Φ73 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)，其目的是保留Φ89 mm套管層級(jí)。應(yīng)對(duì)下部出現(xiàn)孔內(nèi)復(fù)雜情況時(shí)，改用Φ94 mm鉆頭擴(kuò)孔，再下入Φ89 mm套管；如果沒有出現(xiàn)孔內(nèi)復(fù)雜問題，則采用Φ78 mm鉆頭一直到預(yù)定孔深。鉆工結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

2.3 沖洗液護(hù)壁堵漏

煤系地層主要包括松散破碎地層、水敏地層和漏涌地層(王瑞坤，2007)。松散破碎地層包括松散破碎和硬脆破碎地層，膠結(jié)性差；水敏地層包括水化松散、水化剝落、水化膨脹和水化融蝕地層。地質(zhì)鉆探主要采用沖洗液維護(hù)孔壁穩(wěn)定，特別是在復(fù)雜地層鉆探工作中沖洗液技術(shù)有著非常重要的作用，包括攜帶巖屑、清洗孔底、冷卻鉆頭、潤(rùn)滑鉆具、減省震動(dòng)、保護(hù)孔壁(李舜豐，2015)。通過對(duì)以往鉆探施工事故分析，看似事故多樣，其實(shí)主要問題還是集中在沖洗液使用不能平衡地層壓力。使鉆孔縮徑、坍塌從而導(dǎo)致卡鉆、埋鉆、鉆具折斷影響巖心采取。常用的沖洗液有泥漿和無固相沖洗液，泥漿的護(hù)壁機(jī)理主要是通過泥漿中黏土由于孔內(nèi)液柱壓力與地層側(cè)壓力之間的壓差而壓濾泥皮護(hù)壁；無固相沖洗液主要是靠高分子聚合物吸附膠結(jié)護(hù)壁，聚合物能夠在巖石表面或深入巖石孔隙內(nèi)吸附產(chǎn)生膠結(jié)。二者作用機(jī)理不同，應(yīng)根據(jù)不同地層選擇。

2.3.1 松散破碎地層

在此類地層主要采用大徑鉆頭鉆進(jìn)，增加沖洗液沖孔時(shí)的過流斷面，減少液流阻力以及沖洗液的壓力激動(dòng)而引起孔壁破壞；同時(shí)采用優(yōu)質(zhì)細(xì)分散沖洗液保護(hù)孔壁，在特殊孔段下入套管與技術(shù)套管的方法，一般能保證此類地層的穩(wěn)定(車仕紅，2013)。

沖洗液配制及性能：清水+10%～30%膨潤(rùn)土+0.4%CMC+0.05%KPAM+0.1%NH4-PAN+0.2%腐鉀+火堿+純堿，調(diào)整鉆進(jìn)液密度1.05～1.08 kg/m3，黏度20～30 S，失水<10 ml/30 min，pH值8-9，含沙量1%左右，泥餅厚度<1 mm。如遇流沙、卵石地層，沖洗液主要體現(xiàn)在防止坍塌掉塊上，可將沖洗液密度提高到1.20～1.30 kg/m3，黏度30～40 S，并加入適量防塌劑，以提高沖洗液防塌能力。

2.3.2 水敏性地層

主要采用優(yōu)質(zhì)低固相沖洗液護(hù)壁，沖洗液的濾失性能和泥皮質(zhì)量或孔壁網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是影響孔壁穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。因此控制沖洗液失水量、增強(qiáng)泥皮強(qiáng)度或沖洗液在孔壁所形成的高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膠膜強(qiáng)度、減少?zèng)_洗液中自由水含量、降低濾液對(duì)巖石的滲透水化和提高濾液對(duì)巖石的膠結(jié)力是至關(guān)重要的。

沖洗液配制及性能：基漿+0.1%～0.2%KPAM+1%LV-PAC+1%復(fù)合瀝青+0.1%NH4-PAN+0.2%腐鉀+1%降黏劑+火堿。調(diào)整鉆井液密度1.08～1.18 kg/m3，黏度20～30 S，失水4～10 ml/30 min，pH值9～10，含沙量0.8%～1.2%，泥餅厚度≤1mm且韌性較好。該層段沖洗液的作用主要體現(xiàn)在提高鉆效，防止水敏地層水化失穩(wěn)和濾失黏鉆方面，如果在使用過程中發(fā)現(xiàn)失水量增大，孔內(nèi)掉塊，可適時(shí)加入CMC和HPAN，同時(shí)添加腐植酸鉀，增大黏度降低失水量。

2.3.3 涌水地層

使用加重鉆井液治涌。根據(jù)井深及水涌情況大概計(jì)算出井底壓力，配制一定數(shù)量的加重沖洗液，控制住地層涌水，保證鉆進(jìn)正常進(jìn)行。

具體配方為：清水+5%膨潤(rùn)土+7.5%重晶石粉+0.4%CMC+火堿+純堿，調(diào)整鉆進(jìn)液密度1.18 kg/m3，黏度75 S。

2.3.4 漏失地層

此類地層在煤田及煤下鋁施工中難度是最大的。根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)期施工經(jīng)驗(yàn)，煤系地層的漏失大多屬于裂隙漏失和含水層位漏失及松散破碎孔隙產(chǎn)生的長(zhǎng)孔段漏失。無論哪種漏失都是由于鉆探施工過程中，破壞了原有的地層壓力平衡，液柱壓力與地層壓力不平衡所致。目前根據(jù)煤系地層漏失機(jī)理及特點(diǎn)不外乎以下幾種堵漏方法。但從經(jīng)濟(jì)安全方面考慮，應(yīng)優(yōu)先選用膠結(jié)堵漏法及壓力平衡法，這兩種方法操作時(shí)間短、見效快、節(jié)省成本。

(1)膠結(jié)堵漏法：適用于中漏以下地層。常采用濃泥漿加化學(xué)漿液加惰性材料與交聯(lián)物的堵漏方法。具體配制為：在水敏地層沖洗液的基礎(chǔ)上，加入1%隨鉆堵漏材料(具有足夠的水穩(wěn)定性、黏滯性和一定的強(qiáng)度)及一定數(shù)量的惰性材料(鋸末)，能迅速形成具有一定強(qiáng)度的非滲透性屏蔽阻止鉆井液中的液、固相侵入儲(chǔ)層，對(duì)漏失地層封堵效果較好。

(2)水泥堵漏法：適用于中漏以上地層。利用壓力平衡原理，首先準(zhǔn)確測(cè)量漏失過程中液柱高度，計(jì)算出漏失層段地層壓力。在此基礎(chǔ)上控制好水泥漿比重、注入水泥漿量及水泥漿柱高度，使水泥漿柱高度與地層壓力相匹配。保證水泥漿在進(jìn)入裂隙或孔隙過程中既不被完全壓走，又能足量在裂隙或孔隙中充分凝固，達(dá)到堵漏目的。這種方法需要一定的候凝時(shí)間。

(3)壓力平衡法：此方法是利用沖洗液的液柱壓力來平衡地層壓力，以達(dá)到孔壁穩(wěn)定，保證沖洗液正常循環(huán)的一種方法。適用中漏以下地層，特別是對(duì)長(zhǎng)孔段漏失和斷層裂隙漏失有效。比如在漏失地層使用泡沫泥漿等。

(4)頂漏鉆進(jìn)法：這種方法多用于不便堵漏或代價(jià)太大的長(zhǎng)孔段漏失地層。采用這種方法的前提是在孔壁失去平衡的情況下，穩(wěn)定期須能滿足施工要求，同時(shí)水源較近，用水比較方便。

(5)套管隔離法：該法是在其他辦法難以達(dá)到護(hù)壁堵漏時(shí)采用，多用于淺孔。

2.4 鉆頭及鉆桿鉆具選擇

2.4.1 鉆頭選擇

鉆頭應(yīng)根據(jù)巖石的可鉆性、研磨性及完整程度等進(jìn)行選擇。巖石硬、研磨性弱，則胎體軟、耐磨性低；巖石軟、研磨性強(qiáng)，則胎體硬、耐磨性高。具體選取見下表2。

表2 對(duì)應(yīng)巖性鉆頭選取表

2.4.2 鉆桿鉆具選擇

鉆桿是鉆探施工所用主要材料，鉆桿質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到成孔率和鉆探效率，因此選取質(zhì)量達(dá)標(biāo)的管材，不能超過管材的強(qiáng)度進(jìn)行作業(yè)(商振華等，2015)。鉆桿的接頭部位是鉆桿柱的最薄弱環(huán)節(jié)，也是最容易發(fā)生折斷的部位(龐少青等，2013)，經(jīng)過綜合考察比較并結(jié)合工程實(shí)際情況，我們選用加厚且兩端鐓粗的強(qiáng)索取心鉆桿鉆具。為保證成孔率采用多級(jí)孔徑鉆孔結(jié)構(gòu)，并配套Φ108 mm、Φ89 mm、Φ73 mm三種繩索取心鉆桿鉆具。同時(shí)備用一定數(shù)量的國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)Φ50 mm鉆桿，以防特殊情況下使用。

2.5 取心

采用常規(guī)繩索取心工藝，同時(shí)配套三套管繩索取心鉆具。目前繩索取心工藝常規(guī)取心方法是卡簧卡取法，用這種方法鉆進(jìn)完整巖層采取率可達(dá)到100%；鉆進(jìn)較完整或膠結(jié)性較強(qiáng)的巖層，配合性能良好的沖冼液，采取率也可達(dá)到80%以上，回次取心長(zhǎng)度也較長(zhǎng)，施工效率高，是巖心鉆探普遍使用的常規(guī)工藝方法。但有些地層僅用卡簧卡取法巖心采取率卻極低。主要原因一是巖心沒有進(jìn)入內(nèi)管，首先鉆頭回轉(zhuǎn)磨削對(duì)靜止的巖心產(chǎn)生摩擦力進(jìn)而對(duì)巖心產(chǎn)生扭力矩，整體或局部碎裂的巖心往往堆落擠壓在鉆頭臺(tái)階處，堵塞通道，互磨消耗，并極造成水路受阻；再者是沖洗液對(duì)膠結(jié)性較差的巖心的破壞是非常嚴(yán)重的，巖心受到侵蝕變軟變散甚至剝落，和沖洗液混和在一起，被鉆頭破碎成巖屑。二是巖心在內(nèi)管中研磨消耗，在實(shí)際使用過程中，內(nèi)管必定會(huì)受到外管的摩擦力作用也要轉(zhuǎn)動(dòng)。由于內(nèi)外管存在間隙，這種轉(zhuǎn)動(dòng)可能是跳動(dòng)式或內(nèi)齒合式，內(nèi)管會(huì)將進(jìn)入其中的不完整巖心振碎，打撈內(nèi)管時(shí)，內(nèi)管及卡簧夾持不住的巖心便掉入孔內(nèi)，造成巖心采取率不足。在這種情況下，我們采用三套管繩索取心鉆具，該鉆具綜合了目前取心技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避了相應(yīng)的技術(shù)缺陷，進(jìn)而極大的提高鉆孔取心的成功率。三套管繩索取心鉆具滑套的總成部分不僅實(shí)現(xiàn)了內(nèi)管的自由滑動(dòng)，還在內(nèi)管的內(nèi)部增加了單動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)內(nèi)管也具有對(duì)于水路的隔離作用；此外，將半合管作為取心管，并且將長(zhǎng)度調(diào)整為1 m左右，從而保證了取心的成功率。

2.6 鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等參數(shù)采集及優(yōu)化

應(yīng)根據(jù)不同的地層選擇鉆壓、轉(zhuǎn)速及泵量等參數(shù)。參數(shù)選擇的不同獲得的純鉆效率往往是不同的。每天每個(gè)班組至少進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集且當(dāng)天不少于三次，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待，確保采集的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。通過大量合理的數(shù)據(jù)采集，整理匯總后進(jìn)行對(duì)比分析，從而獲取最優(yōu)值(表4)。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新情況

3.1 PDC復(fù)合片肋骨鉆頭在煤下鋁地層中的應(yīng)用

(1)復(fù)合片肋骨鉆頭特點(diǎn)：有較強(qiáng)切削能力和抗研磨性，可獲得較高的機(jī)械鉆速，提高作業(yè)效率。主要材料為鑄造碳化鎢和金剛復(fù)合片，使用壽命長(zhǎng)。

(2)選擇依據(jù)：根據(jù)地層條件、鉆進(jìn)方式、井眼軌跡控制要求及巖石機(jī)械力學(xué)特性，選擇機(jī)械鉆速高、使用壽命長(zhǎng)、安全性好的復(fù)合片肋骨鉆頭。復(fù)合片鉆頭適用于軟—中硬地層鉆進(jìn)，不適合礫石、黃鐵礦、花崗巖、硬夾層等硬—堅(jiān)硬地層。

(3)應(yīng)用情況：河南省禹州煤下鋁地層主要為黃土、砂巖、灰?guī)r、白云巖及黏土巖，屬軟—中硬地層，故試驗(yàn)孔vzk03222采用復(fù)合片肋骨鉆頭(低密度和中密度布齒)鉆進(jìn)，純鉆效率達(dá)到2.95 m/h。而一般鉆孔vzk04822采用普通金剛石鉆頭鉆進(jìn)，純鉆效率只有2.23 m/h。通過比較，采用復(fù)合片肋骨鉆頭鉆進(jìn)比一般金剛石鉆頭鉆進(jìn)，純鉆效率提高了32.29%。同時(shí)很好的解決了金剛石鉆頭在泥質(zhì)含量較高地層鉆進(jìn)時(shí)泥包鉆頭現(xiàn)象，這也充分說明煤下鋁地層必較適宜采用復(fù)合片肋骨鉆頭鉆進(jìn)。

3.2 泡沫泥漿在亞漏失地層中的應(yīng)用

(1)泡沫泥漿的特點(diǎn)：泡沫泥漿是在優(yōu)質(zhì)低固相泥漿基礎(chǔ)上加入發(fā)泡劑，進(jìn)行充分發(fā)泡而配制成的一種新型低密度沖洗液。它是氣體分散在泥漿中的氣液固三相流體，其最大特點(diǎn)是密度小、液柱壓力低?？蓪?shí)現(xiàn)負(fù)壓平衡鉆進(jìn)，提高機(jī)械鉆速和臺(tái)月效率，減少孔內(nèi)事故，降低成本。其主要功能有防漏堵漏、防塌護(hù)壁、潤(rùn)滑減阻、攜帶巖屑、降低液柱壓力等作用。

(2)泡沫泥漿的應(yīng)用范圍：在完整、孔壁穩(wěn)定地層，采用泡沫泥漿作沖洗液實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)負(fù)壓鉆進(jìn)，可提高鉆進(jìn)效率；在較完整、有輕度坍塌及漏失地層，采用泡沫泥漿作沖洗液可護(hù)壁堵漏；在破碎、裂隙發(fā)育、掉塊或中漏失地層，采用泡沫泥漿作沖洗液，可在配方中加2%～3%磺化瀝青強(qiáng)化孔壁，能抑制破碎掉塊，并減少?zèng)_洗液漏失；在膠結(jié)性差的松散覆蓋層或第四系未固結(jié)不穩(wěn)定地層，采用泡沫泥漿作沖洗液，由于其流變性為平板性層流，能保持孔壁相對(duì)穩(wěn)定，靠低返速高結(jié)構(gòu)黏度有效攜帶巖粉；在水敏性地層，采用泡沫泥漿作沖洗液，因失水量小且泡沫泥的吸附能力強(qiáng)，能有效防止坍塌。

(3)泡沫泥漿應(yīng)用情況：泡沫泥漿配方：水 0.75～0.8 m3；優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土25～50 kg；堿1～1.5 kg；鉀4～6 kg；護(hù)壁劑 0.5～1 kg；胺(將1 Kg聚丙烯酰胺溶于100 kg水中)6～8 kg；腈(將1 kg聚丙烯腈溶于100 kg水中)5～6 kg，纖維素(將 1 kg 纖維素溶于100 kg水中)5～6 kg，發(fā)泡劑(十二烷基磺酸鈉)0.5 kg。若漏失較大可適量加入大裂隙堵漏劑或其他惰性材料。

現(xiàn)場(chǎng)泡沫泥漿使用情況：在河南省陜縣鐵爐溝鋁土礦生產(chǎn)勘探ZK1906鉆孔鉆進(jìn)至213 m孔段時(shí)，孔內(nèi)出現(xiàn)漏失情況，基本每個(gè)臺(tái)班需補(bǔ)充一次泥漿，孔底殘留巖粉2～3 m，水泵壓力近3 MPa。針對(duì)這種情況，決定采用泡沫泥漿鉆進(jìn)，為提高泡沫泥漿攜帶巖粉能力及增加堵漏效果加入2%～-3% 磺化瀝青?，F(xiàn)場(chǎng)觀察泥漿循環(huán)一段時(shí)間后，孔底基本干凈，水泵壓力穩(wěn)定在2.2 MPa，地層漏失情況明顯改善，基本達(dá)到不漏的程度。鉆探效率明顯提高，純鉆效率達(dá)到2.93 m/h，一直到終孔未出現(xiàn)孔內(nèi)事故?，F(xiàn)場(chǎng)泡沫泥漿(圖2)性能：密度 0.9～1.05 kg/m3，黏度21～29 S，失水量小于8 ml/30 min。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)泡沫泥漿照片

3.3 自動(dòng)解卡球卡卡取器在事故處理中的應(yīng)用

(1)自動(dòng)解卡球卡卡取器的結(jié)構(gòu)及工作原理：自動(dòng)解卡球卡卡取器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造簡(jiǎn)單。具有操作簡(jiǎn)單易學(xué)、使用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。上端可通過變徑接頭與各種規(guī)格的鉆桿連接，下端可根據(jù)被打撈物件的外徑任意加工。被打撈物件隨導(dǎo)入孔進(jìn)入打撈器錐形球卡器內(nèi)摩擦力越來越大直到卡牢，然后提鉆帶出打撈物件。具體結(jié)構(gòu)及成品分別見圖3、圖4。

圖3 自動(dòng)解卡球卡卡取器結(jié)構(gòu)圖1—上接頭；2—上齒套；3—下齒套；4—彈簧；5—滑塊6—鋼球架；7—鋼球；8—內(nèi)錐形下接頭；9—安裝孔

圖4 自動(dòng)解卡球卡卡取器成品圖

(2)自動(dòng)解卡球卡卡取器應(yīng)用情況：煤系地層復(fù)雜，鉆探施工過程中孔內(nèi)事故時(shí)有發(fā)生。一般的鉆桿鉆具折斷及脫扣脫落事故都有常規(guī)的公錐或母錐錐取，但繩索取芯鉆具內(nèi)管掉在孔內(nèi)，由于內(nèi)管自身結(jié)構(gòu)的特殊性(內(nèi)管上部是一個(gè)活動(dòng)的打撈茅頭)，在孔內(nèi)處于自由活動(dòng)狀態(tài)，常規(guī)公錐母錐在錐取過程中內(nèi)管及打撈茅頭會(huì)隨打撈器轉(zhuǎn)動(dòng)而無法錐取。一般都是用特殊主磨鐵鉆頭將內(nèi)管全部削滅掉，這樣既浪費(fèi)時(shí)間又不安全，稍有不慎可能會(huì)造成二次事故甚至廢孔。針對(duì)內(nèi)管掉入孔內(nèi)打撈困難這種情況，作者團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了自動(dòng)解卡球卡卡取器，通過幾次打撈事故處理應(yīng)用，均打撈成功，效果良好并已取得實(shí)用新專利。

4 成果及效益分析

4.1 純鉆效率明顯提高

通對(duì)5個(gè)鉆孔鉆進(jìn)效率(表3)計(jì)算分析，河南省煤系地層比較適合復(fù)合片肋骨鉆頭鉆進(jìn)，能提高純鉆效率，減少孔內(nèi)事發(fā)生率。采用復(fù)合片肋骨鉆頭鉆進(jìn)純鉆效率比非研究鉆孔鉆進(jìn)純鉆效率提高30.94%。整體來說，研究鉆孔比非研究鉆孔純鉆效率提高了29.15%。

表3 鉆進(jìn)效率分析表

4.2 鉆進(jìn)工藝參數(shù)優(yōu)化

通過研究鉆孔的施工及鉆進(jìn)參數(shù)的采集整理對(duì)比分析優(yōu)化，探索豫西煤系地層鉆探施工技術(shù)措施。并總結(jié)出煤系地層鉆探施工最優(yōu)參數(shù)(表4)，提高了鉆探質(zhì)量和效率，供業(yè)界參考使用。

表4 煤系地層鉆探施工參數(shù)優(yōu)化表

4.3 效益分析

通過本次研究，鉆探施工純鉆效率提高了30%左右，大大縮短了施工時(shí)間，節(jié)約了工程成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。通過新材料新技術(shù)的應(yīng)用，使單位員工能夠掌握新材料新技術(shù)的使用方法。同時(shí)提高了單位的綜合能力及競(jìng)爭(zhēng)力，樹立品牌效應(yīng)，提高單位在社會(huì)上的影響力，對(duì)單位的發(fā)展具有十分重要的意義。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，河南是我國(guó)重要的鋁土礦資源大省和鋁工業(yè)大省。探索研究煤系地層鉆探快速成孔工藝，對(duì)加大鋁土礦資源的勘查力度和勘查深度，保證我省鋁土礦資源開發(fā)可持續(xù)發(fā)展，具有指導(dǎo)意義并能產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)工作區(qū)地質(zhì)條件、煤系地層復(fù)雜情況進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化、泥漿護(hù)壁堵漏、設(shè)備選型及鉆頭鉆桿鉆具選擇，可大大縮短施工時(shí)間，節(jié)約工程成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(2)河南省煤系地層比較適合PDC復(fù)合片肋骨鉆頭鉆進(jìn)，可提高純鉆效率，減少孔內(nèi)事故發(fā)生率。

(3)自動(dòng)解卡球卡卡取器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單易學(xué)、實(shí)用性強(qiáng)，在事故處理的應(yīng)用中取得了良好的效果。