榆横矿区赵石畔井田勘探钻探施工技术

2013-12-04臧世权汪传武郭保铎

钻探工程 2013年4期

关键词：岩心陕北钻机

臧世权，汪传武，张波，张涛，郭保铎

(陕西省地勘局西安地勘院，陕西西安710100)

1 工程概况

赵石畔井田位于陕西省陕北侏罗系煤田榆横矿区北部，为了促进地方经济发展，加快陕北能源重化工基地建设步伐，为煤矿建设项目提供可靠的地质依据，2011年底陕西省产业投资有限公司委托西安地勘院对该井田进行勘探。

1.1 地理条件

井田地处毛乌素沙漠东南缘与陕北黄土高原接壤地带，地表基本被第四系松散沉积物所覆盖。区内地形相对起伏较大，地势总体南高北低，海拔标高一般在1100～1250 m之间。区内水系发育，属温带大陆性干旱、半干旱季风气候，年平均降雨量397 mm。

1.2 区域构造

赵石畔井田位于鄂尔多斯盆地中部次级构造单元陕北斜坡中南部。陕北斜坡为一单斜构造，岩层北西西向微倾，局部发育有宽缓的短轴状向斜、背斜及鼻状隆起等次级构造。

1.3 地层及岩性

上部主要为第四系松散沉积物覆盖，主要有风积沙，洪积层，马兰黄土等，中部为侏罗系中粒～细粒长石砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、煤层等，下部为三叠系砂岩、粉砂岩、泥岩等。区内煤层也一般为7层，普遍可采煤层为4层，最底部煤层埋深大多在450～600 m之间，煤层比较稳定。

1.4 钻探工作量

赵石畔井田面积约234.12 km2，设计钻孔145个，其中探煤孔137个，水文孔8个，设计钻探工作量78437 m。根据设计要求探煤孔终孔口径≮91 mm，煤层采取率≮90%，一般地层岩心采取率≮75%，孔斜必须符合规范要求。勘查结果提交先期开采地段探明的资源量3.53亿t，控制的资源量1.87亿t，以满足拟建矿井生产煤炭资源量的需求。

1.5 施工主要困难

(1)工作量大，要求5个月完成野外钻探工作，工期要求紧。

(2)上部覆盖层较厚，一般为50～120 m，上部基岩风化严重，与覆盖层交界处易漏失，部分孔段岩心采取率较低。

(3)部分孔段较破碎，易发生岩心堵塞现象，影响钻探效率。

(4)钻进时岩粉较多，不易排出，易发生憋泵现象，严重时发生埋钻等孔内事故［1］。

2 钻探设备及器具选择

2.1 设备选择

该井田钻孔设计最大孔深650 m，最小孔深440 m，平均孔深540 m，因此选择主要使用XY－5型钻机，使用4135－80HP型柴油机。由于钻进时岩粉较多，为了提高岩粉排出效率，减少孔内事故，需选择大泵量泥浆泵，采用NBB250/60型泥浆泵。为了提高钻探效率，加快提下钻速度，提高钻塔安装、拆卸效率，同时增加钻杆立杆长度，使用AJ18型钻塔，一次可以提下13.5 m钻杆立杆。

2.2 钻探器具选择

为满足钻孔终孔口径≮91 mm的地质设计要求，一般地层采用单管肋骨正循环钻探工艺，钻具组合为60 mm钻杆+110 mm岩心管接头+89 mm岩心管+110 mm卡断器+113 mm复合片肋骨钻头。

2.3 单管肋骨复合片钻头+卡断器钻探工艺

经过陕北煤田勘探的长期施工探索和经验总结，使用单管肋骨复合片钻头+卡断器钻探工艺进行煤田钻探施工，不仅很大程度提高了钻探效率，减少孔内事故，而且能保证岩心采取率。该钻探工艺有以下几个方面的优点:

(1)很少发生岩心堵塞，岩心经过卡断器进入岩心管后，在加杆过程中不会出现又掉出来，不仅能保证提钻时岩心不会掉落，基本能采完孔底岩心，同时也很少发生岩心堵塞现象，减少了提钻次数和扫孔次数，提高了钻探效率。

(3)使用肋骨钻头钻探，增加了环状间隙，基本不磨损岩心管，减少了孔内卡钻、断岩心管等事故;增加环状间隙，加大泵量，有利于孔内岩粉的排出，减少孔内事故［2］。

(4)使用肋骨钻头虽然增加了岩石切削面积，由于陕北榆林地区岩石硬度不是太大，不会增加多少纯钻进时间，根据长期在该地区钻探经验，一般纯钻进时间增加10%左右。加长岩心管、减少岩心堵塞现象，很大程度上提高了钻探效率。

3 钻进工艺

3.1 钻孔结构

该地区上部覆盖层较厚，覆盖层中夹有黄土层，覆盖层全部下入套管较难起拔，一般采用覆盖层只下入9 m套管。一般钻孔结构为:开孔使用150 mm钻头，下入146 mm套管，换130 mm钻头钻至基岩面，换113 mm复合片肋骨钻头钻至终孔。

3.2 钻进参数

3.2.1 钻压

3.2.2 转速

复合片钻头主要靠切削碎岩，采用肋骨钻头，钻头直径较大，钻孔与钻杆环状间隙较大，不易使用高转速，其线速度为0.5～1.2 m/s较为适宜，一般地层采用200～350 r/min转速，煤层采用140～200 r/min转速。钻进坚硬，强研磨性地层，及软硬差别大的互层地层时，应降低转速，以减少钻具振动，延长钻头寿命［3］，提高岩矿心的采取率，防止孔斜。

3.2.3 泵量

由于采用肋骨钻头，钻头切削面积大，复合片钻头水口较大，而且该井田地层相对较软，钻进速度较快，产生的岩粉量大，防止孔内岩粉沉淀，需要采用大泵量。同时应满足冲洗液上返速度的要求，一般钻进上返速度0.5～1.0 m/s。一般地层钻进泵量选用120～200 L/min，煤层钻进泵量选用60～120 L/min。

3.3 泥浆配制

3.3.1 泥浆要求

该地区上部覆盖层较厚，一般不下套管，钻孔需要优质泥浆维护;部分基岩面有泥浆漏失现象，需要堵漏;下部地层一般较稳定，局部有掉块现象;有时页岩地层掉块严重，可能会发生孔壁坍塌或缩径现象。通过长时间的探索和实验，采用一种低固相不分散泥浆在该地区应用，能达到较好的护壁、携粉、堵漏和润滑的效果。

3.3.2 泥浆配方

一般泥浆配方:清水1 m 膨润土50 kg+CMC 4 kg+PAC －141 0.5 kg+PAM 1 kg。

泥浆基本性能参数:密度1.05 g/cm3，漏斗粘度25 s，API滤水量 10 mL，泥皮厚度 0.5 mm，胶体率96%，pH值8。

泥浆密度小，表观粘度较低，失水量适中，泥浆流动性好，护壁效果较好，有利于岩粉沉淀，能有效地提高钻探效率。

在钻孔基岩面有泥浆漏失发生时，泥浆中加入SD－2堵漏剂和棉籽壳，一般能有效堵漏。局部有页岩地层时，加入适量的KCl能有效抑制页岩坍塌或膨胀［4］。

3.3.3 泥浆维护

有适合的泥浆配方，现场泥浆维护是关键。现场泥浆循环系统尽可能加长，一般要大于15 m，坡度1/100～1/80，泥浆槽设置2～3个沉淀池，及时清理捞砂，保持泥浆性能;循环槽上沿高于地表，防止雨水及杂物进入循环系统而改变泥浆性能。现场配备一台泥浆搅拌罐，将待加入的处理剂预先在药剂桶内水化、溶解后倒入搅拌罐搅拌均匀，根据钻进中处理剂消耗情况，搅拌罐内搅拌好的处理剂溶液有控制地加入到循环槽或泥浆池内［5］。

现场配置马氏漏斗粘度计、密度计、含沙量测定仪、失水量测试仪等泥浆测试仪器，经常测试泥浆性能，随时掌握泥浆性能变化，及时进行性能调节，并做好配制、净化处理、捞砂工作。根据地层变化及时调整泥浆性能，加强净化并适时补充处理剂来恢复其性能。调配好的泥浆，不得随便加入清水。加强泥浆岗的培训和指导，提高泥浆质量，未经技术人员批准，不允许随意擅自更换冲洗液及冲洗液配方。

4 施工要点及效果

4.1 质量保证措施

(1)钻机安装稳固，保证天车、立轴、孔口三点一线;钻机底座水平、稳固，并在钻进中经常检查，随时校正，防止地基随钻进中的震动产生倾斜;钻塔必须按规定安装绷绳和避雷针。

(2)钻进过程中，出现岩心堵塞时必须提钻检查，严禁超管钻进，不许打懒钻，确保岩心采取率。

(3)根据地质设计和钻进过程中标志层的判断，钻进至煤层顶板后，换双管单动钻具采取煤心，双管钻具保证转动灵活，内管与钻头间隙合理(一般2～4 mm)，使得泥浆冲刷不到煤心;钻进时轻压慢转，控制泵量，确保煤心采取率达到设计要求。

(4)班报、水文观测、钻具丈量记录要按规定的内容填写，做到准确、齐全、及时、整洁;按规定校正孔深，超差时必须找出原因，合理平差。

(5)提下钻过程中，避免钻具和钻孔的抽吸现象影响孔壁的稳定性，提下钻速度要慢和保持匀速，避免猛下和猛提现象，要及时回灌泥浆，确保孔壁稳定。

(6)加强员工培训，在设备安装、拆卸、搬迁和钻进过程中注意安全，保证安全设施和装备齐全，确保安全生产;泥浆排放到指定区域，并及时处理，做好环境保护。

4.2 技术经济指标

赵石畔井田钻探施工共使用13台钻机，5个月完成施工任务，实际完成钻孔145个，平均深度549.19 m，钻探进尺79632.7 m。钻机平均台月效率1225 m，最高台月效率为2032 m，纯钻率65.3%，平均回次进尺8.49 m，平均采取率92.7%，材料消耗152.8元/m，直接钻探成本291.5元/m。通过改进钻探工艺，增加回次进尺，提高了纯钻时间和钻探效率，降低了钻探成本。