起拔钻具工艺技术在崔木煤矿瓦斯地质勘探中的应用
2015-10-21张建新李治国
张建新 李治国
[摘要]通过起拔钻具工艺技术在崔木煤矿瓦斯地质勘探中的应用实际，解决了瓦斯地质勘探中存在的钻具起拔问题，为煤矿瓦斯地质勘探提供了新的钻探技术。
当前，煤炭作为我国重要的一次性能源之，在促进我国国民经济发展中发挥着重要的支撑作用。但是最近几年，随着我国煤炭开采行业的不断发展，煤矿的安全事故频频发生，再加上煤矿深处地下，底层结构较为复杂，在实施钻探工作时难免引发各种安个事故，严重影响钻具的正常工作，甚至导致钻具无法拔出等等，进而引发了起拔加压钻进等问题。本文笔者主要对煤矿地质瓦斯起拔钻探技术进行简单的探讨，希望能够为提高我国煤矿瓦斯排放井的钻探水平尽自已的微薄之力。
[关键词]瓦斯地质钻孔；起拔钻具工艺；应用
引言
采用不科学起拔工艺的煤矿瓦斯地质钻探存在的问题：在煤矿瓦斯勘探孔施工过程中，由于不科学的钻具起拔工艺，常常导致严重的埋钻事故和卡夹钻事故，处理此类事故将耗费大量的人力物力和时间，一旦事故处理不当，甚至会造成钻孔报废，形成巨大的经济损失，严重影响到整个工程的施工。
起拔钻具工艺的定义：即通过科学合理的施工技术，处理好钻具起拔时的孔内各种复杂情况，保证钻具顺利起拔。
一、崔木煤矿地质概况
崔木煤矿位于永陇矿区东端，属陇东黄土高原南缘梁塬沟壑区。矿区为第四系黄土及新近系红土所覆盖，地表在沟谷中零星出露有白垩系下统洛河组。据以往钻孔揭露的地层由新到老依次为：第四系（Q）、新近系（N）、白垩系下统洛河组（K11）、宜君组（K1y），侏罗系中统安定组（J2a），直罗组（J2z）、延安组（J2y）。现分述如下：
二、起拔钻具工艺的应用
主要指的是对煤岩层中赋存的瓦斯通过采用钻孔的技术对其进行抽放，从而最大程度减少矿井瓦斯涌水等灾害对煤矿生产产生的安全隐患，有助于提高煤矿生产的安全性。最近几年，随着煤矿钻探技术的不断发展，煤矿钻探技术的不断发展，煤矿瓦斯地质起拔钻具工艺技术作为一种新型的钻探技术被广泛运用于煤矿瓦斯钻探中，但是由于煤矿系统自身缺乏专业的钻探技术人员导致煤矿在大规模实施地质钻探工艺时基础理论方面的研究还不够充分，针对钻探工艺相关的配套还需要进一步完善，所以研究煤矿瓦斯地质钻探工艺是当前煤矿瓦斯开采的迫切需要。
（一）煤矿瓦斯地质钻孔起拔钻具工艺对钻具的要求
当前，在起拔钻具工艺中最基本的理论为非平衡钻探工艺理论，通过对该理论的分析研究我们可以总结出：在煤矿瓦斯地质钻孔起拔钻具时，施加的压力越大，钻具丝扣所承担的压力也越大，因此如果强行将钻具起拔会严重缩短钻具的使用年限。因此在煤矿瓦斯地质钻孔起拔钻具工艺中，对钻具主要有以下几方面的要求：一是要提高钻杆壁的厚度，主要是为了提高钻杆承受摩擦的能力，增强钻杆抵抗摩擦的性能；二是要對钻杆的丝扣进行技术处理，从而提高丝扣的机械强度，提高其使用寿命；三是要正确配置好钻具的级配关系，要根据煤矿瓦斯排放孔的钻孔结构，使用相对应的钻具级配合以及防突钻头来构成合理的钻具级配。
（二）煤矿瓦斯地质起拔钻具工艺分析
1、孔内岩性状况分析
在通常情况下，实施煤矿瓦斯地质起拔钻具工艺时，孔内岩性主要有以下5种存在状况：
（1）各种类型的坍塌物；（2）瓦斯、钻渣以及水形成的混合物；（3）小构造带中角砾岩和采空区的回填物等；4）在煤系地层中，因此泥岩的塑性作用以及软煤层在瓦斯的压力下形成的孔隙；（5）孔内变径台阶部的积渣。
2、孔内不同岩性的钻进参数变化分析
当前，引起孔内不同岩性的钻进参数发生变化的因素有两类，一类是由卡钻因素导致的起拔钻探参数值发生变化，另类是坍塌埋钻导致的起拔钻具参数值发生变化
（1）卡钻因素导致拔钻具参数值发生变化
卡钻因素导致拔钻具参数值发生变化，主要分为断层角砾岩式卡钻和采空区回填物料时卡钻两种情况。
①当钻头在钻进断层角砾岩一带时，角砾岩一带因为受到强烈震动破碎，因为失去了岩石的支撑导致钻头在工作下失去了稳定性，被震松的角砾岩遇到钻头钻进时钻进参数会不断加大，且回转时产生的阻力达到极限值。然而随着钻头回转时间的不断延长，钻具在煤矿瓦斯钻孔中起拔时所遇的阻力也会逐渐加大，进而形成了起拔不动的现象。
②当钻头在钻至采空区时，接触到的回填物料的空隙密度较大，这时钻头主要是沿着回转共转性的径向摆动。随着岩层的不断塌落，进行起拔和钻进的难度加大，且起拔钻进的参数超过正常的范围，增加事故发生的概率。
（2）坍塌埋钻引发起拔钻具参数值发生变化
在煤矿瓦斯地质钻孔起拔钻具中，常见的坍塌有前置式坍塌、后置式坍塌以及联合式坍塌三种。前置坍塌会增强钻具回转的阻力，导致钻具回转不均匀，①如果起拔钻探时，发生了导致进给压力参数不断降低，针对这种情况在钻进时应该及时调整给进压力，从而保证钻进工作的正常开展。②起拔钻具时出现了后置式坍塌，会导致钻具的提升阻力加大而回转扭矩和给进压力都没有显著变化，但是起拔力不断升高，如果在这种情况下依然强行拔起就很可能导致钻具无法拔出、甚至断裂。针对这种情况最好先让钻具继续保持回转，然后将坍塌的堆积物彻底扫碎、清除干净。③如果在起拔钻具时发生了联合式坍塌，钻探参数的变化较为明显，回转阻力不断升高，钻具难以钻进，泥浆泵的压力急速升高导致憋泵状态，这种情况事故处理难度较大。
3、煤矿瓦斯地质起拔钻进中的排渣原理分析
（1）坍塌埋钻的排渣原理分析
①前置式坍塌排渣原理：首先立即停止钻进工作，并将钻具的转度适当降低。针对憋泵较为严重的情况，应该马上关闭泥浆泵，上下缓慢串动钻具，然后开泵，利用高压水来冲击坍塌物，使其逐渐松动，在整个过程中要严格观察泥浆泵的情况，如果发现泥浆泵的压力下降时可以对其注水，并注意控制好泥浆泵的压力，将钻具慢慢从坍塌物中逐渐起拔出来。一般情况下钻孔的深度越大，排渣所耗的时间也越多。最近儿年，随着煤矿瓦斯钻孔的深度不断加大，其作业时间也越来越长，这给排渣工作增加了难度。但是在坍塌埋钻排渣中，排渣的时间并非仅仅是由孔的长度来决定的，另外钻孔的倾角和钻孔的轨迹也会影响排渣的时间，钻孔的倾角越大、轨迹越弯曲，排渣所需的时间也越长。
②后置式坍塌的排渣原理：首先应该切忌不能强行起拔钻具，要继续让钻具保持较低的回转速度，使前后松动钻具。如果出现了憋泵的现象，应该马上停止供水，并让压力水从松动的空隙中排除，待到水泥泵的压力下降时，再缓缓注入水，从而实现排渣的目的。
③联合式坍塌的排渣原理：首先应该要让钻具在低转速和大转矩的情况下回转，与此同时应该马上停止给进，并将给进主动钻具向上撤回从而给钻具下部留下可以活动的空间，为了能够让出现坍塌的底层稳定下来，需要先停止泥浆泵的供水，然后关掉泥浆泵，将钻具调整到柔性活动以此来达到疏通埋渣的目的。最后，工作人员还应该严密监察孔口排渣、钻机参数以及泥浆泵压力的变化情况，在排渣时要按照由少到多的原则。坍塌埋钻的排渣如果出现瓦斯突出时，则应该根据实际情况来判断突出量，从而采取有效措施避免发生火灾及瓦斯中毒事故。
（2）起拔钻具造成的钻渣拥堵的排渣原理
首先应该马上停止对钻具的起拔工作，并同时注意观察钻具在无水状态下的回转运作状态，切记不能强行起拔钻具。其次要对拥渣的具体情况进行及时判断，从实际情况出发采取有效措施进行排渣。如果钻具在起拔時压力不断增加，则需要马上停止拔起，通过对钻进参数进行调整等途径来将孔内的拥渣逐渐排出来，或者可以采用高压水对钻孔进行冲刷，当冲刷的水逐渐变清澈时可以继续起拔钻具。
（3）钻孔揭露瓦斯地质构造带排渣原理
在煤矿瓦斯开采中，判断瓦斯是否富集的重要条件是瓦斯的地质构造环境，在钻孔揭露瓦斯地质构造带中，因为瓦斯的推动，在钻孔中的各种混合物会沿着孔的间隙不断喷出，主要有瓦斯气体、泥浆以及钻渣的混合物和瓦斯、钻渣以及压力风混合物。前者的排渣较为简单，效果也显著。但是后者因为受到构造的影响以及地层缺乏稳定性，在瓦斯的推动下，很容易引发坍塌，导致风量排渣难度较大，增加了钻进的难度。
三、应用效果分析
在崔木煤矿瓦斯孔钻探施工中，采用科学的起拔钻具工艺配合双壁气举反循环技术以后，和以往瓦斯孔的施工效果相比，钻具起拔工序中的卡夹钻、埋钻事故大大降低，施工效率提高了近18%，取得了很好的工艺效果和经济效果。
四、总结
综上所述，通过实施瓦斯排放孔科学高效的钻具起拔技术，能大大提高瓦斯排放孔的钻探施工效率，对煤矿瓦斯进行科学的开发和利用、有效降低煤矿瓦斯发生不安全事故的概率，有着很高的实用价值。不仅有利于实现煤矿的安全生产还能够进一步保证工作人员的安全，促进煤炭经济的可持续发展。
