过泥岩层钻孔的施工工艺

周访玉 殷元祥 周战球 许丛洲

（徐州矿务集团有限公司张集煤矿 江苏 徐州 221147）

1 问题的提出

煤矿井下钻孔施工的最大困难是过泥岩层。在近水平钻孔或倾角较小的钻孔采用传统的静压水排渣过泥岩打钻工艺，一旦钻头进入泥岩层就开始出现糊孔、塌孔、卡钻、埋钻、掉钻杆等打不进去现象。往往因钻孔垮孔、 塌孔不得不等其自行放弃钻孔施工， 导致钻孔报废、材料及工时浪费，煤层位产状、赋存探测不清，突出危险性得不到消除，严重制约矿井的安全生产。 因此，过泥岩层段深孔钻进技术一直是亟待解决的技术难题。

2 原因分析

2.1 一般情况下，钻孔施工在遇水敏性粘土、砂质粘土等岩性时，一旦钻头在进入岩泥层，因泥岩的坚固性系数较低，泥质粘土粘稠度较大，钻头在切削、挤压、搅拌泥岩过程中，分离出来的粘稠胶质泥岩与部分砂岩易沉积孔底，沉积孔底的泥岩孔隙度较小，细屑结构被水冲散后，很快又固结，靠钻进水压不足以顺畅排渣，就出现糊堵钻头而滞死钻杆现象。

2.2 钻孔过砂质泥岩时， 钻头在旋转切削泥岩层过程中易产生较大颗粒的钻屑，尤其是下山孔施工时，孔底粒度较大的钻屑难以从孔口顺畅排出，大量破碎的泥岩颗粒不断聚集挤压在孔壁周围而将钻杆和钻头箍紧、抱紧，终使钻杆所受摩擦力大于钻机的扭矩力而发生钻头无法进退即卡钻事故的发生。

2.3 原岩应力集中时施工过泥岩钻孔， 因钻孔的施工改变了围岩的地应力平衡的状态，应力的重新分布而在孔壁周围形成了高应力峰值区，一旦孔壁受力平衡状态失稳就会使孔壁崩裂，形成塌孔或缩孔。而崩裂的泥岩颗粒往往造成钻孔堵塞是钻孔难以施工影响原因之一。过泥岩钻孔施工过程中出现的堵孔、糊孔、塌孔、缩孔、喷孔是不同的现象，但又相互联系的，最终结果都是卡钻，或出现扭断钻杆、丢失钻头使钻孔施工举步维艰，成孔率极低。

3 过泥岩层钻进技术方案

过泥岩层深孔钻进方案的确定首先必须充分分析造成钻孔钻进困难的根本原因，这样才能有的放矢地提出针对性的方案。 在现有钻机、钻具基本相同的情况下，提高钻孔深度的关键在于研究和掌握打钻工艺，进行打钻工艺的探索和创新。

3.1 俯角钻孔技术方案

1）浅孔钻进

（1）施工工艺

采用光钻杆配以风水混合排渣。 工艺流程：钻进→切削→岩体粉碎→风水混合孔底灭尘→排渣。

（2）施工效果

①采用光钻杆、 风水混合排渣施工浅孔过泥岩段钻孔排渣率达95%以上。 风水混合技术能随时控制孔内排碴的干湿程度，保证排碴畅通，不会造成卡钻、钻孔中水流停滞、排碴不畅等现象。

②使用风水混合排渣，能够有效防止钻孔孔壁受水压浸泡发生泥岩层垮塌，堵孔现象的发生。

2）较深孔钻进

（1）施工工艺

采用螺旋钻杆、静压水排渣。工艺流程：钻进→切削→岩体粉碎→排渣。

（2）施工效果

①采用螺旋钻杆、静压水排渣施工深孔过泥岩段时，在排渣水压作用下，麻花钻杆将水流沿岩层裂隙挤压，当充填所产生的压力大于憋孔压力时，就会出现明显的瞬时激流和脉冲。 进一步增加了钻孔内外的水力压力梯度， 致使这种激流和脉冲变成了爆发性的孔内水压流，能够将孔内钻屑有效排出，达到防卡钻的目的。

②螺旋钻杆通过自身的螺旋曲面能够有效起到对钻孔孔壁的护壁润滑作用，同时利用螺旋钻杆的螺旋旋片对钻孔内的泥岩颗粒不断进行切割和搅运，保证钻孔的成型度和排渣的顺畅。

3）俯角钻孔施工存在问题

a.打下山孔时，因孔内钻屑重量的增加，到一定的深度后可能造成孔底部的钻屑排出不畅。

b.采用风水混合技术时，需要的风量和风压较大，必须采用专用的空压机供风。

c.选择麻花钻杆采用静压水技术时，虽然充分发挥了麻花钻杆的顺畅排渣及螺旋护壁作用，但当孔底岩性发生变化时，钻头遇硬岩旋转时难以有效切入，存在麻花钻杆的导向性差，极易发生钻进漂移，施工效果差的问题。 严重影响钻孔的精准度。

3.2 仰角钻孔水排渣技术方案

在施工仰角钻孔时， 首先选用大钻头配小钻杆钻进的技术方案，采用水排技术排渣。 即利用水作为介质，依靠水的压力将钻屑顺畅排出孔外，该方法广泛施工于倾角较大的孔深较浅钻孔。

采用大钻头配小钻杆钻进的技术方案，虽然，能够在一定程度上缓解了过泥岩层排碴不畅的技术问题。但水作为一种介质，重力大，对孔口孔壁仍会产生破坏较大，在施工深孔时，在水压作用下，由于泥岩的吸水膨胀和垮落，易出现钻孔变形塌孔，较为粘稠的泥岩颗粒反而易将钻杆和钻头箍紧，成孔率较低现象。

从以上过泥岩层钻孔施工过程可以看出，排碴方式的选择至关重要，它直接影响着过泥岩层钻孔的钻进深度、成孔率、钻进效率的提高。

3.3 深孔过泥岩层的钻进技术方案

1）主要施工设备和钻具

采用西安产MKD-5s 型坑道钻机或MK-4 型坑道钻机，选用外径为Φ74mm 端头双管单动螺旋钻杆和Φ50mm 的光杆， 螺旋叶片内部光钻杆为Φ50mm，钻头使用直径为Φ75mm 复合片钻头。

2）施工方法原理和工艺

针对钻孔施工时，钻头在切割煤岩过程中孔底易产生粒度较粗的煤岩颗粒，逐渐充填到钻杆与孔壁周围，当其产生的摩擦阻力大于钻机扭矩力时，就会出现钻杆被抱死即“卡钻”现象的实质。利用与钻头、钻杆相匹配的端头套管将孔底产生的粒度较粗的煤岩颗粒自行收集到研磨套管中去，当发生“卡钻”的外层套管被抱死后，通过内层管壁间带有锯齿型的高强度螺纹钻杆与端头金刚石复合伞齿的共同挤压研磨作用，将其破碎成细小颗粒，从而便于钻屑排出，能够解决钻孔施工过程中的“卡钻”难题。

采用正常钻进方法， 使用静压水排渣。 静压水参数水压≥2.0 MPa。 钻孔施工过程中要掌握好合适的给进压力，钻机给进压力的极限是固定的，新钻机在打钻过程中，旋转压力可以在14～15MPa，但不能过大，否则容易卡钻，正常打钻时的压力要比钻机最大允许压力少4～5MPa，最大允许压力的测试方法是把钻机的钻杆处瘪死，看压力表的最大压力，即为最大允许压力。如打钻过程中，钻杆压力表摆动幅度大且超过2MPa 时,证明钻孔内泥岩颗粒磨研较粗，马上要卡钻杆，这时必须立即停止向前进，在原有位置进行转动，待表的压力恢复正常后才能往前进。

3）施工效果

（1）实现了过泥岩层的深孔钻进，深孔可达90 米，成孔率95%，钻进速度比风水混合排渣工艺提高2～3 倍。

（2）钻孔成型好。采用双管单动钻进的施工方法，克服了遇岩性较软的泥岩因钻杆自重自然下垂的影响，确保钻头钻进方向沿直线轨迹运行，同时由于双管单动研磨套管外层套管的护壁作用，保证了钻孔的成型效果。

（3）双管单动研磨套管外层套管可先起到岩芯管的作用，预先对孔底岩层进行圆周轮廓线切割，然后再利用金刚石复合片钻头在已切割的轮廓线范围内进行岩体切割。 双钻头的切割能起到保证钻孔成型，防塌孔，护壁的作用。

（4）由于孔深的加大，提高了探煤钻孔和石门揭煤防突措施孔施工的效率，提高了矿井防突工程施工的速度。

4）深孔钻进施工过程中存在的问题和改进方向

（1）随着钻孔深度的加大，钻孔内的阻力越来越大，打深钻容易出现断钻杆、掉钻头等现象，需要进一步提高钻杆强度和钻机的扭距力及功率。

（2）打下山钻孔时，因排碴困难，孔深达不到上山孔的孔深，在下山钻孔施工方面还需要进一步钻研、攻关。

（3）孔深需进一步有所突破，需进一步完善适应钻具和操作工艺。

4 结束语

过泥岩层和高应力区采用双管单动深孔钻进技术，填补了过泥岩深孔技术的空白。 技术的应用从施工工艺本身杜绝了煤尘堆积、飞扬和发生煤尘爆炸事故发生的可能， 同时满足了探煤和施工防突措施孔，治理瓦斯的需求。