贵州晴隆杨寨煤勘矿区钻探施工组织与技术管理

2015-01-01孙孝刚卢忠友

钻探工程 2015年7期

关键词：机台煤系钻具

孙孝刚，王聪，卢忠友，张涛

(贵州省地矿局102地质大队，贵州遵义563003)

0 引言

杨寨煤矿位于贵州省晴隆县北部，矿区面积为10.77 km2。矿区属高原多山地形，沟谷切割强烈，地形坡度大。海拔783～1794.4 m，最大相对高差近800 m，一般多在300 m。沟壑纵横，钻探设备搬迁困难。

矿区具有煤系地层厚、可采煤层多，瓦斯含量较高、漏失、涌水等特点。所有设计钻孔均为直孔，孔深在50～1612 m之间，设计钻探工作量为29548 m(28个孔)。

2005年6月—2006年9月，完成岩心钻探进尺5262.50 m(9个孔)，2006年10月—2008年1月，完成岩心钻探进尺8395 m(16个孔)，2009年6月至2011年8月，补充施工了3410.48 m(7个孔)，以上数次勘查，共计施钻32个钻孔。但所有钻孔施工都遇到了较大的困难——由于矿区煤系地层厚，可采煤层多且厚，瓦斯含量较高，部分地层涌水，易造成孔壁坍塌，难于护壁，没有一个钻孔能照地质设计要求终孔，完全揭露含煤地层，未达到地质勘查设计要求。期间，有不少在该矿区施工的单位和机场畏难而中途撤离。2013年底，我队接受了该矿区的勘探任务，工期为2013年6月至2015年1月。最初由3台钻机进行验证施工，总结经验，2014年4月全面启动，最多时13台钻机同时作业，2015年1月中旬，野外钻探工作全面结束，完成钻探工作量25140.81 m。

1 施工组织管理

1．1 施工队伍构成

该矿区工作量大、难度大、工期短，本单位钻机无法满足钻探施工需要，入场施工单位由本队自有钻机、本系统兄弟单位(贵州地矿114队)钻机和市场招聘钻机等组成。

1．2 管理程序

1．2．1 作业机台的准入条件

进入该矿区的机台必须具备以下条件:(1)设备具有施工该孔的钻探能力;(2)主要材料能满足该孔施工需要;(3)施工队伍具有相应的钻探施工资质或具有施工同等深度钻孔的经验。

1．2．2 技术交底

每个机场在项目组为其布(点)孔后，项目组相关人员必须对机场人员提供该孔的《钻孔地质柱状图》，并对该孔施工的技术、安全、环境进行交底，为钻孔设计确定提供依据。

1．2．3 开孔前的验收

开钻前必须由项目组领导、钻探技术人员、兼职安全员为主体，组成质量验收小组，对机台的安装、安全生产各项设施、钻孔设计进行全面检查，确认各项指标均符合要求，填写《钻孔定位、机械安装通知书》、《钻孔开孔验收记录单》，再由编录员填写好《开孔通知书》后，通知机台开钻。

1．2．4 终孔后的验收

在达到地质目的终孔后，由项目负责人、钻探、地质等相关人员到现场，依据《地质岩心钻探规程》中六大质量指标和施工设计的要求进行验收，评定钻孔质量等级，并填写《钻孔终孔通知书》和《钻孔封孔设计和封孔记录》。机台按照《钻孔终孔通知书》和《钻孔封孔设计和封孔记录》的要求终孔后进行封孔，并在孔口用混凝土浇注水泥柱，树立标识;施工结束后，由项目部对资料进行汇总、整理。

1．3 施工管理机构及职责(见图1)

图1 施工管理机构及职责

1．3．1 安全管理职责

机台的安全管理，由机长(兼职安全员)全面负责落实各项安全技术措施的执行，督促检查及隐患排查整改。实行安全交接班制度、每周自查制度;项目经理(兼职安全员)对所有机台进行督促检查，监督隐患整改落实;大队安全管理科负责对所有机台进行巡查、抽查和督查，对员工进行安全知识、技术培训。

1．3．2 钻探技术管理职责

项目部钻探技术人员负责编写和修订钻孔设计。开孔前，对所有机场进行钻探技术培训。施工中，严格按照《地质岩心钻探规程》(DZ/T 0227—2010)中六大质量指标和施工设计的要求进行质量控制，总结先期施工中的经验，指导后期施工作业。

2 钻探技术管理

2．1 优化钻探实施方案

在钻探任务落实后，全面收集与本区地质特征相近的钻探工艺资料，了解同类地层施工的先进经验，查找以往在该矿区施工钻孔失败的原因，确定该矿区内先期施工的2个“验证孔”(即:KZK1301、KZK301，其目的是验证地层地质情况是否与“地质勘察设计”相符)的钻孔结构、设备选型和钻进工艺，并指导钻探作业。“验证孔”施工中，详细记录施工中所使用的泥浆材料、配方、性能，以及事故处理方法和效果，然后进行综合分析归纳，从而筛选出最佳的钻探施工方法。

在“验证孔”施工的同时，全面研究该矿区内所有钻孔所钻的地层情况，待“验证孔”施工结束时，认真总结施工经验，优化钻探设计，指导钻探工程的全面展开。

2．2 钻探技术培训及交底

在钻探施工工作全面展开之前，召集该项目所有钻探机长(钻探技术负责人)集中培训，进行技术交底，即:详细介绍“验证孔”施工的具体情况，设备选型和钻孔结构确定依据，护壁措施和事故处理的经验。全面介绍该矿区的地层情况，可能遇到孔内的问题，以及应对(处理)方法和建议措施。

2．3 钻进工艺

2．3．1 钻进方法

为了提高钻进效率，尽快完成施工任务，所有施工钻孔，除开孔口径(172、150 mm)和备用径外(150、130、110 mm)，其主径(96、77 mm)必须选择金刚石绳索取心钻进。

2．3．1．1 操作注意事项

(1)选用合理的钻具级配，缩小钻具与孔壁的环状间隙，减小孔斜，使钻孔能达到《煤炭地质勘查钻孔质量标准》(MT/T 1042—2007)规定的有效孔标准。如HQ系列:钻头、钻具上下扩孔器、钻杆直径分别选用95.5、96、91 mm，NQ 系列:钻头、钻具上下扩孔器、钻杆直径则分别选用77、77.5、71 mm，在环状间隙不大的情况下，能保持冲洗液正常循环。

(2)下绳索取心钻具前，应严格检查其单动性能是否良好，各部件之间的同心度是否一致以及钻具总成各间隙是否达到要求。

(3)打捞器将接近内管上端时，应放慢下降速度，反复捞取内管无效时，不得猛冲硬墩，应提钻查明原因。

(4)孔内为干孔时，不得直接投放内管，应用打捞器将内管送入孔底，或开泵以最大排量向钻杆内泵入冲洗液后立即投放内管。

(5)内管未到底前，不准扫孔钻进。

(6)选用合理的钻进规程参数，适当提高转速，减小钻压保持钻具相对稳定的轴线和垂直度。

(7)钻孔孔深到达煤系地层顶板时，应起大钻全面检查钻具一次，尽量避免在煤系地层中起大钻。

(8)在煤系地层扫孔时，严禁用单管钻具扫孔，以避免钻具被“堵死”起钻产生抽吸，从而破坏孔壁的稳定。

2．3．1．2 卸压打捞内管

当钻具钻入高瓦斯地层时，由于“瓦斯”产生的高压作用，致使内管弹卡与弹卡挡头台阶“抵死”，打捞器难将内管提动的现象发生。此时，严禁全孔起拔钻具，避免因起钻而导致孔壁坍塌、掉块，发生孔内事故。其处理方法是“卸压”，具体步骤:(1)下入脱卡器脱卡，将打捞器提出孔外;(2)起钻，卸去1～2根钻杆后，再进行打捞，若还提不动，再脱卡将打捞器提出后，再起钻卸去1～2根钻杆打捞，直至卸压成功打捞出内管。图2、图3分别为该矿区所钻取的块状和粉状煤矿心。

图2 矿区(块状)煤、矿心

图3 矿区(粉状)煤、矿心

2．3．2 护壁措施

矿区煤层、煤线较多，瓦斯含量较高，砂岩、灰岩破碎段多，易垮塌、掉块。孔内漏失和涌水现象比较严重，泥浆护壁很难长时间保证孔壁稳定，加之部分钻孔施工缺水，所以在钻穿“煤系”地层易坍塌孔段换径后，采用套管护壁。在进入煤系地层后，预留口径(下套管)难于满足钻孔施工需要，仍需配制与钻孔相适应的泥浆护壁。

2．3．3 冲洗液

2．3．3．1 冲洗液配方及适应地层

配方1:3% ～5%粘土粉+1‰ ～2‰Na2CO3+2‰～3‰CMC+3‰ ～5‰X－1成膜剂 +(适量)BaSO4。性能参数:粘度35～40 s，滤失量＜10 mL/30 min，泥饼厚度1～2 mm，密度 1.25～1.35 g/cm3，固相含量＜4%，pH值8～10。适用于泥质(炭质)页岩较完整的地层、高瓦斯块状煤层和涌水地层等易于坍塌的煤系地层。

配方2:3% ～5%粘土粉+1‰ ～2‰Na2CO3+2‰～3‰磺化沥青+3‰～5‰降失水剂+3‰～5‰X－1成膜剂 +3‰ ～5‰防塌剂 +(适量)BaSO4。性能参数:粘度60～70 s，滤失量＜10 mL/30 min，泥饼厚度1～2 mm，密度1.25～1.35 g/cm3，固相含量＜4%，pH值8～10。适用于粘土岩、泥质(炭质)页岩较破碎的地层、高瓦斯粉状煤层和涌水地层等极易坍塌的煤系地层。

以上配方中BaSO4的加量，应根据孔内煤层中瓦斯压力的大小、涌水水头的高度，适时添加(减)，调整冲洗液的密度，以达到护壁的目的。

2．3．3．2 冲洗液密度和滤失量调节

冲洗液的密度和滤失量两大性能参数，在高瓦斯、涌水和水敏性地层中钻进是最重要的。在实际施工中调节方法如下。

(1)密度。在高瓦斯煤系地层钻进过程中，若循环槽内冲洗液有气泡渗出(见图4)或煤粉泡漂浮其上(见图5)，说明泥浆的密度不够，应加入适量的BaSO4，反之，应停止添加。在涌水地层钻进过程中，若泥浆被稀释或有间断性清水涌出孔口，说明冲洗液的密度不够，应加入适量的BaSO4，反之，应停止添加。

图4 冲洗液有气泡渗出

图5 煤粉泡漂浮

(2)滤失量。在水敏性地层钻进过程中，若泥浆池或泥浆沉淀池液面上有清水渗出，说明冲洗液的性能变坏，滤失量较大，应加入适量的降滤失等处理剂，除砂，及时调整冲洗液的性能，反之，不必添加，只需维护。

2．3．4 同径偏斜

在深孔岩心钻探中，遇孔内事故(烧、埋钻和掉钻具)难于打捞或消灭，以及严重坍塌不能通过时，除在孔深较浅时移孔外，选择同径偏斜是最有效的途径。其偏斜方法有自然偏斜和偏斜器偏斜2种方式。

2．3．4．1 自然同径偏斜

在松软、硬度较小的地层(如粘土层、泥岩、泥质页岩、炭质页岩及煤层等)，一般选择自然偏斜方法。其步骤是:(1)用425水泥+0.05%三乙醇胺+1% ～2%NaCl，按0.5～0.6水灰比配置水泥浆，在事故头(事故孔段)往上封50～100 m;(2)待水泥浆凝固5～6 d后开始钻进，其钻进操作过程中必须做到“一轻、两慢”，即钻压要“轻”，压力尽量小，转速要“慢”，尽量开低转速，给进要“慢”，钻进速度不宜过快。在该矿区ZK1310孔、ZK402孔(埋钻)、ZK003孔(严重坍塌)和ZK1201孔(烧钻)，孔深分别在624、556、1070、534 m用上述方法成功偏斜。

2．3．4．2 偏斜器同径偏斜

在硬度较大的地层(如茅口灰岩、长兴灰岩等)，选择偏斜器偏斜方法。其步骤是:(1)用425水泥+0.05%三乙醇胺+1% ～2%NaCI，按0.5～0.6水灰比配置水泥浆，在事故头(事故孔段)往上灌浆20～30 m;(2)随后将偏斜器下入预定位置;(3)待水泥浆凝固，将偏斜器固定后(一般5～6天)开始钻进。在该矿区ZK1501孔(埋钻)孔深在437 m用上述方法成功偏斜。

2．3．5 分段测井

为了防止终孔后拔出套管测井孔壁垮塌，一般先测井后下套管。在终孔后，将下部孔段测井后再起拔套管的作业方式，避免了埋“物探测管”事故的发生。

3 安全、环境保护管理

矿区沟壑纵横、坡陡沟深，将安全、环境保护纳入规范管理也是施工中不可缺少的重要一环。

3．1 安全管理要求及措施

(1)建立健全安全生产机构保证体系和各安全生产岗位责任制。成立以项目经理(兼职安全员)为组长，项目专职安全员为副组长，机长(兼职安全员)为组员的项目安全生产小组，负责本项目的安全生产组织领导和检查落实。建立健全各岗及各工种的安全生产责任制。项目部安全员每日深入各施工现场，专职安全员在施工前对其进行安全技术交底，在施工中进行巡回检查，针对机台实际情况，制定行之有效的安全防范措施，并督促措施的落实。机长分别对机台各岗位进行安全检查、记录、处理、每月考核一次。

(2)专职安全员负责对全体上岗人员进行岗前安全生产培训教育，提高职工牢固树立“安全第一，预防为主”的思想意识，熟练掌握施工中的安全操作规程及注意事项的能力。

(3)严格安全管理制度，遵守安全操作规程，杜绝“三违现象”，严格落实安全生产奖罚制度。

(4)项目部每月组织一次安全生产大检查及安全生产总结会，总结本月工作，提出下月工作计划及措施意见。

3．2 环保要求及措施

(1)施工中，严格执行《环境保护法》的相关规定，加强环境保护知识学习，提高全体职工的环境保护意识，创造一个文明、整洁的施工环境。

(2)应制定不扰民措施。经常检查并与当地居民定期联系听取意见，对合理意见应及时采纳。

(3)在修建钻场、道路时，尽量少开挖，保护生态环境。

(4)搞好工作区域的环境卫生。施工钻场不得乱扔垃圾、废品、烟头等影响环境卫生的杂物，不得随意排放污水、废浆和焚烧有毒有害物质，做好漏油及废料的处理工作，不污染水源。

(5)施工完工后，做好封孔、泥浆池、水池的回填工作。

(6)搞好生活区域的环境卫生、食堂卫生和饮食卫生工作，防止流行病毒的传播，努力为职工创造良好的生活环境。

4 成果

4．1 钻探技术成果

晴隆杨寨煤勘项目，实际完成工作量25140.81 m(22孔)，其中优质孔5个，合格孔17个，钻孔质量均能满足地质设计要求，创造了我队在煤系地层钻探施工中煤层最多(厚、薄80多层)、煤系地层最厚(＞1000 m)、瓦斯含量最高和钻孔最深(1668.08 m)、施工速度最快的记录，该矿区煤勘项目钻探技术成果见表1。