煤田钻探若干技术问题探讨

2016-02-24彭万利

西部探矿工程 2016年7期

关键词：煤田绳索钻杆

彭万利

（河北省地矿局第三地质大队，河北张家口075000）

煤田钻探若干技术问题探讨

彭万利*

（河北省地矿局第三地质大队，河北张家口075000）

在现有地质钻探装备和技术的基础上，论述了煤田地质钻探设备配套、液动锤钻探技术的应用、空气钻探工艺的应用、钻井液配制等问题，以期提高煤田地质钻探的质量和效率，实现经济效益最大化。

煤田钻探；设备配套；液动锤钻探；空气钻探；钻井液

近十多年来，随着我国科学技术的发展和经济实力的增强，煤田地质钻探技术也有了长足的发展和较大的提高，主要表现为绳索取芯钻探技术和绳索取芯液动锤钻探技术的应用日瑧成熟。在这一阶段内深孔钻探使用的新型钻机、绳索取芯钻杆、绳索取芯液动锤及其他附属机具研制成功并得以应用，从而提高了深孔钻探效率、质量和经济效益。为进一步实现安全、优质、高效地完成复杂地层条件下的煤田钻探工程，促进煤田钻探技术水平的提高，借鉴已有的技术和经验，特提出如下一些建议供同行参考。

1　设备配套

为在中深孔、深孔内实施绳索取芯钻探工艺，目前施工单位使用的钻机为液压立轴式或液压动力头式钻机。使用液压立轴式钻机时动力机有2种：一是柴油机（钻机和泥浆泵均由柴油机驱动），二是电动机（钻机、泥浆泵和绳索取芯绞车等均由同一台发电机组供电）。液压动力头式钻机多由一台柴油机为液压泵组提供动力。在钻探施工中，当停止钻进而用绞车提下内管总成时，此时动力消耗是比较小的，而用一台远超过其需要的较大功率柴油机或柴油发电机组为其提供动力，显然会造成较多的浪费。因为柴油的消耗量是影响钻探成本的主要因素之一，从节约能源、降低生产成本、减少废气排放的要求考虑，可对钻探施工的动力机械做出更为合理的配套安排。

（1）使用液压立轴式钻机时，钻机的动力机为柴油机，泥浆泵、绳索取芯绞车及其他机械的动力机为电动机，配备一台发电机组为其供电。这样，在停止钻进而用绞车提下内管总成时，可将钻机上的柴油机关停，只有发电机组运转，提下内管、钻井液搅拌和清洁等工序照常进行；在停止钻进而提下钻时，可将发电机组关停，只有钻机上的柴油机运转。此种配套方式不足之处是钻机操作者要近距离承受柴油机的噪声。

（2）使用液压动力头式钻机时，钻机的动力机为柴油机，泥浆泵、绳索取芯绞车、泥浆搅拌机、除砂器和离心除泥机由电动机驱动，配备一台发电机组为其供电。钻探现场的发电机组也是电焊机、电动工具和夜间照明的电源。

（3）施工深孔时配备较高的钻塔为好，可以减少提下钻时间（同时减少柴油的消耗），减轻工人的劳动强度（尤其是使用液压动力头式钻机施工倾斜钻孔时），有利于处理孔内事故。但在吊车不能通达的地方，须由人工建拆钻塔，现常用的塔高为23～24m四角钻塔层间距稍大，塔角单节较重，对建塔人员的身高和体力有一定的要求，当缺少符合要求的人员时，建塔会成为不易解决的问题，因此建议探矿机械生产单位设计制造层间距较小且能提下21m长立根的钻塔。

（4）SYZX96/75绳索取芯液动锤在钻进深孔时亦可使用，按常用钻具配备于各机台。

（5）为顺利实施绳索取芯液动锤钻进，须配备泥浆清洁器（由除砂器和振动筛构成）和离心除泥机，使用固控设备，及时对钻井液除砂除泥，可减少施工时费浆排放，降低钻探施工用水量，减轻对环境的污染。

（6）煤田钻探现多为中深孔和深孔，由取芯直径要求和地层的复杂程度决定了钻杆应以使用Ø89mm、Ø91mm和Ø71mm规格的为主。为实现较大的钻深，要求钻杆能承受较大的扭矩和拉力；为减轻钻机的负荷和动力消耗，要求钻杆有较小的质量。为满足此要求，可使用不同钻深能力的Ø89mm和Ø91mm钻杆组成的钻杆柱。对钻杆的结构提出如下要求：将钻杆杆体两端镦粗并做调质处理，Ø89mmÍ5mm钻杆镦粗部位的内外径分别为78mm和92mm，Ø91mm×5.5/5.8mm钻杆镦粗部位的内外径分别为78mm和93mm；Ø71mm× 5mm钻杆镦粗部分的内径为58mm，外径分别为72mm 和73mm，每根钻杆上部配母接头，在钻杆下部镦粗部位加工与母接头相连的公扣（不配公接头），母接头外表面镀硬铬，以增加其使用寿命并降低回转时的阻力。

2　液动锤钻探技术的应用

钻探施工实践表明，无论是实施单动双管液动锤钻进，还是实施绳索取芯液动锤钻进［1］，在提高纯钻进小时效率和岩芯采取率、增加回次进尺长度、减轻钻孔弯曲程度等方面取得了显著的效果。为进一步发挥液动锤钻进的优越性，提高煤田地质钻探的技术水平，在已有应用的基础上可扩大其应用面。

（1）覆盖层内钻进卵砾石层时，钻进速度低，钻孔易偏斜，作为一种提高钻进时效并降低钻孔弯曲程度的一项措施，可采用Ø91mm绳索取芯钻杆+YS-89 或MTK-91液动锤+Ø108mm或Ø127mm岩芯管+ Ø113mm或Ø133mm单管金刚石钻头组成的钻具，实施液动锤钻进。

（2）在返水钻孔内使用N口径绳索取芯液动锤钻具时，为降低钻井液上返时形成的背压，可使用接头外径不同的Ø71mm绳索取芯钻杆组成的钻杆柱，将接头外径为72mm的钻杆置于下部，将接头外径为73mm的钻杆置于上部并让其处于Ø89mm套管内。

（3）以往，粉状煤层内取芯钻进时多采用取煤器并限制回次进尺的方法，作为保障煤心采取率的一项措施，可采用配有半合管［2］、隔水底喷钻头和拦卡簧［3-4］的绳索取芯液动锤钻具。

（4）在基岩内的严重漏失地层及采空区内钻进时，配用具有干孔（无水位钻孔）放送内管总成功能的打捞器，实施绳索取芯液动锤钻探工艺，可在低转速条件下提高钻速，同时可解决常规绳索取芯钻进无泵压显示的问题。

3　空气钻探工艺的应用

在严重漏失地层及采空区内除了采用钻井液顶漏钻进外，当供水难度大、待水时间长或水价较高时，可采用气动潜孔锤单动双管钻探工艺。实施此钻探工艺时，使用由Ø91mm绳索取芯钻杆+90型气动冲击器（其外径为80mm）+Ø89mm/Ø73mm单动双管+普通双管金刚石钻头组成的钻具，选用壁厚为6mm的45MnMoB材质的岩芯外管，岩芯内管长度不小于4.5m。选用供气量为7～8m3/min、供气压力为4MPa的空气压缩机，其产生的压缩空气量可满足冲击器做功、冷却钻头及排除孔底岩粉的要求。为减轻气流对较软或破碎岩芯的冲蚀、提高岩芯采取率，需使用底喷式金刚石钻头并配用相应的卡簧座。钻进时在压缩空气内压入不大于10L/min的皂化油水溶液，以润滑冲击器内部的活动件和岩芯，提高岩芯采取率，降低压缩空气的温度，提高水接头内密封圈的使用寿命。在严重漏失地层内实施空气钻探工艺时，孔口无上返物，钻进时需从钻杆外向孔内输入润滑溶液，以降低钻杆接头与孔壁之间的摩擦系数并避免接头因摩擦产生过高的温度。

4　钻井液的配制

（1）为顺利实施绳索取芯钻探及液动锤钻探工艺，宜配制使用无固相钻井液［3，5］。对钻井液的性能要求是同钻进地层相适应的粘度、密度、尽可能低的滤失量及较好的流变性能。选用的钻井液配制材料应为易溶于水、多功能、价格适中，在常用添加剂中选择PAC141（复合离子型聚丙烯酸盐）、植物胶、磺化沥青作为钻井液的主要配制材料。PAC141具有降低滤失量和增粘作用，还能调节流型、改进钻井液的剪切稀释性能，抗盐可达到饱和［7］。植物胶能提高钻井液的粘度、降低钻井液的滤失量，能有效抑制钻井液中的水向地层渗透，润滑减阻作用明显，也能改进钻井液的剪切稀释性能［8］。磺化沥青在钻井液中可阻止页岩颗粒的水化分散，同时又能封堵孔壁中的孔隙，并可覆盖在孔壁表面，还能降低滤失量、起到润滑减阻作用［7］。

（2）在砂岩、石灰岩等遇水不坍塌的岩层内钻进时使用的无固相钻井液用淡水和PAC141配制，控制钻井液的粘度在16～18s之间。当孔内钻井液不漏失或漏失量少时，在钻井液内加入皂化油，当孔内钻井液严重漏失时，可不加皂化油。

（3）在完整的泥页岩内钻进时使用的无固相钻井液用淡水、PAC141和植物胶配制，控制钻井液的粘度在19～21s之间。

（4）在断层破碎带、煤层和覆盖层内钻进时使用的无固相钻井液用淡水、PAC141、植物胶和磺化沥青配制，控制钻井液的粘度在25～28s之间。

（5）在涌水及瓦斯突出孔段内钻进时使用加入重晶石粉的低固相泥浆，粘度＞35s、滤失量＜10mL/30min、密度＞1.25kg/L；若提高钻井液的密度不能解决问题时，在钻井液中加入PAC141，在较高密度的基础上逐步提高钻井液的粘度，以抑制涌水及瓦斯突出［2，6］。