杏坑北煤勘区钻探施工存在的问题及工艺技术研究

陈金照

（福建省121地质大队，福建龙岩364021）

1 问题的提出

杏坑北煤勘区ZK403孔钻探施工中存在的主要问题是：①岩层倾角大，部分孔段（如939.69～1046.55m）岩层的倾角为60°～70°，岩石裂隙发育，含丰富的菱铁矿结核；②岩芯破碎，在孔深786.40～1204.44m等多处孔段岩性为泥岩、砂质泥岩、细砂岩等组成的构造破碎带，岩芯破碎。钻进时在钻具敲击和冲洗液的冲刷破坏下，钻孔掉块、坍塌，孔内的沉渣多，泵压高、钻具下不到底，孔内阻力大，造成钻具折断孔内事故等现象，曾采用水泥封孔，未能奏效，无法继续施工，造成报废了2个半截孔（933.27m、937.62m），计1870.99m，钻探施工难度大。

2 地层概况

杏坑北矿区位于永定县约45°方位，直距25km处，隶属于龙岩市永定县抚市镇，矿区范围东西宽2.1km，南北长3.0km，属构造侵蚀、剥蚀类低山丘陵区，相对高差为+196.5m。钻探施工的复杂地层主要是分布在中二叠统童子岩组（P2t），其岩性以灰黑色砂质泥岩、泥质砂岩、细砂岩和煤组成，共揭露童子岩组煤层30层，可采煤层6层，该段地层厚度约455m。

3 钻探工艺技术应用研究

3.1 钻具级配

针对杏坑北煤矿区的地层特点和前期施工钻孔存在的问题，通过总结经验教训的基础上，探索新的钻具级配，增大钻杆与孔壁的环状间隙，减少复杂地层在钻进中可能出现的剥落掉块、坍塌和抱钻事故。开孔为覆土层或松散的堆积层，采用∅130mm口径钻进至完整的基岩后，下入∅127mm的孔口管，使用∅98mm口径钻进，如果∅98mm钻进时遇到复杂地层无法继续施工时，可用∅77mm钻具作为备用口径。

3.2 孔壁稳定的地层因素

杏坑北煤矿区施工遇到的主要问题是：①岩层倾角大，部分孔段（如939.69～1046.55m，）岩层的倾角为60°～70°，岩石裂隙发育，含丰富的菱铁矿结核；②岩芯破碎，在孔深786.40～1204.44m等多处孔段岩性为泥岩、砂质泥岩、细砂岩等组成的构造破碎带，岩芯破碎。钻进过程在冲洗液的冲刷，以及上下钻具等环空液流的作用下，造成孔壁掉块、坍塌，钻孔直径扩大，形成大肚子的孔段，导致发生孔内事故，以致钻孔报废。

3.3 工艺技术因素

钻孔出现复杂情况时，采取适当的技术措施，可以减轻或消除孔内的复杂情况。主要从以下几个方面：

（1）裸眼时间。钻孔施工周期越长，则孔壁浸泡时间越长，容易产生孔壁不稳定，特别是水敏地层，它的破坏有个变化过程，即需要一定的时间，裸眼浸泡时间越长，孔壁破坏越严重，越容易出现复杂问题。在不稳定地层中钻进时，应尽量缩短钻进周期，或者迅速穿过以后，下入套管护壁，这一措施已在浅部钻进中广泛应用。深孔施工时，孔内的温度较高，将影响泥浆的性能，降低泥浆的护壁防塌效果。

（2）泥浆性能。采用符合地层需要的优质泥浆。①对破碎程度较大的岩层、胶结性差的厚粉煤层，可以使用极低失水量的低固相泥浆进行护孔钻进，能够有效地护住孔壁。②在吸水膨胀的泥岩、炭质泥岩层中钻进时，采用有抑制性的钙处理泥浆、盐水泥浆或聚丙烯类的泥浆。③对于倾角较大不稳定地层，要求泥浆液柱压力与地层压力能保持相对的平衡，才能使低失水量泥浆在钻进中取得良好的防塌效果。

（3）钻进工艺。对于不稳定地层要及时回灌泥浆，下降钻具时速度过大，会使孔内压力瞬时剧增而导致漏失。根据实验资料表明：钻孔愈深，压力波动愈大；当孔深一定时，升降钻具愈快，钻具与孔壁间隙愈小，泥浆粘度与切力愈大，则压力波动也愈大。在杏坑北煤矿区施工，钻进到孔深933.27m和937.62m时，钻孔掉块、坍塌，孔内的沉渣多，泵压高、钻具下不到底，孔内阻力大，造成钻具折断孔内事故等现象，曾多次使用水泥封孔未能奏效，无法继续施工，造成报废了2个半截孔。

3.4 钻进时造成的复杂因素的预防措施

绳索取芯金刚石钻进，操作时应注意下列事项：

（1）提下钻具时，应先打捞出内管总成，减少冲洗液的抽吸作用和压力激动对孔壁的影响。

（2）合理控制提下钻速度，降低冲洗液压力激动。

（3）提升钻具时，需要向孔内回灌一定量的冲洗液，避免冲洗液柱下降，造成地层压力与孔内液柱之间的压力差，使孔壁坍塌。

（4）遇到松软破碎地层及厚煤层时，投放内管总成应避免大泵量压送影响孔壁的稳定性。

（5）开关泵时，要逐渐加大或减少泵量。

（6）钻进不稳定地层时，严格控制泵量，冲洗液上返速度应控制在0.5～1.5m/s。

3.5 防塌钻井液

根据所施工的地层情况，选配适合地层特点的冲洗液，是减少孔内事故、提高钻进效率的重要措施，选用无固相冲洗液和非分散低固相冲洗液在不同的地层中钻进使用。

在该矿区施工中，钻进遇到的复杂地层主要有：一是在孔深786.40～1046.55m孔段为泥岩、砂质泥岩、细砂岩等岩性组成的多层构造破碎带，岩芯破碎，胶结性差的地层，岩石呈松散堆积状态，在侧压力作用下，易产生掉块、坍塌，孔底沉渣多，同时还存在着漏失现象；二是钻进较厚的粉煤层，吸水后产生掉落剥离现象，浅灰色的泥岩、炭质泥岩、泥页岩层易吸水后膨胀，产生缩径现象；三是939.69～1046.55m，孔段岩层的倾角为55°～70°，岩层倾角大，岩石裂隙发育、部分岩芯较破碎，含丰富的菱铁矿结核，钻进时在钻具敲击和冲洗液的冲刷破坏下，产生钻孔掉块、坍塌，孔内的沉渣多、泵压高，造成抱钻、钻具下不到底等现象。钻进这些复杂地层，必须选用低失水量，以护壁为主的冲洗液，形成薄而坚韧的泥皮，且具有优良的护壁防塌性能的冲洗液。在岩层倾角较大的孔段，适当增加泥浆的粘度和比重，以平衡地层的压力。经过现场摸索选用以下2种配方的冲洗液，较好地解决了这些问题，取得了良好的效果，见表1。

表1 防塌冲洗液配方与性能

表2 防塌冲洗液配方与性能

表1配方主要用于孔深786.40～939.69m浅灰色的泥岩层、泥页岩、构造破碎地层、厚粉煤层等水敏性地层。表2配方主要用于孔深939.69～1046.55m，孔段岩层的倾角为55°～70°，岩层倾角大，岩石裂隙发育、部分岩芯较破碎，含丰富的菱铁矿结核的岩层，也可以在表1的基础上，加入适量的重晶石粉，提高泥浆的比重，平衡孔壁的侧压力，较好地解决了孔内掉块、坍塌、沉渣多的问题，维持正常的钻进施工。

3.6 钻孔护壁措施

（1）水泥浆固孔护壁。在复杂地层钻井中，水泥浆固孔护壁是处理钻孔坍塌掉块的重要措施之一，特别是在长孔段的构造破碎带地层中钻进效果较为突出。然而，在该孔931.71m处，岩层的倾角大（≥65°）封了2次水泥，未能取得成效。

（2）套管护壁。分析总结前面施工的2个报废钻孔的经验教训，在钻孔结构的设计上，采用∅98mm口径作为主径施工，预留了一级∅77mm口径。使用优质泥浆护壁打穿较破碎的岩层和倾角大的岩层，进入完整的地层后下∅89mm的飞管311m到孔深1046.55m。

4 经济效益

该孔从外协钻机接手后9月27日开孔，终孔深度1360.76m，历时55d。钻月效为742.23m/钻月；外协钻机从4月4日开钻至9月16日撤离，历时6个月13d未能打到目的层。挽回大部分经济损失，为今后施工类似的地层提供借鉴作用。

5 结论

（1）针对杳坑北煤勘区地层情况和前期钻探施工中存在的问题分析研究，采取相应的钻孔结构、调整泥浆性能参数、水泥封孔、技术套管等工艺技术措施，解决了复杂地层钻探施工中存在的问题。

（2）使用上述不分散低固相泥在孔深786.40～1046.55m浅灰色的泥岩层、泥页岩、构造破碎地层、粉煤层等水敏性地层使用，具有一定护壁防塌效果。

（3）在中深部岩层倾角较大的地层施工中，孔内存在的掉块、坍塌现象，适当提高泥浆的粘度，并加入适量重晶石粉提高泥浆比重，维护和调整好钻孔的压力平衡关系，在很大程度上是可以保持孔壁稳定的。

（4）复杂地层钻进使用水泥浆固孔护壁无效的情况下，可以使用套管隔离，能够取得良好的效果。