“三软”煤层防塌孔钻进技术的研究

2020-10-21田云鹏侯艳华

视界观·上半月 2020年3期

田云鹏　侯艳华

摘要：在煤矿矿井钻探过程中，如遇低硬度煤岩层，顶底板及煤层松软，即所谓的“三软”煤层，则极易产生塌孔，给施工带来诸多不便。在井下探放水过程中，需根据水压大小，选择不同长度的套管来保证安全探放水，下完套管注浆加固后，由于管内水泥凝固硬度较大，特别有利于正常钻进。为此，我们可以采用下多级套管，多次循环注浆加固，多次循环钻进的方法预防塌孔事故的发生，较好地解决了“三软”煤层钻进过程中的塌孔问题。

关键词：煤矿;探放水;钻探;套管;注浆加固

一、实施背景

石壕煤矿主采煤层为二1煤层，特厚煤带主要分布于井田西部，厚煤带分布于井田中部及南部，不可采范围及无煤带主要分布于井田中部，煤层厚度基本上呈南部较厚，北部相对较薄之趋势。煤层厚度变化主要有三个特征：

1.煤层厚度局部短距离内有突然增厚变薄现象。

2.薄、无煤带较少，全区仅6处，多位于矿区中部，沿走向零星分布。

3.煤层顶板较平整，而底板起伏不平。一般情况下，在煤层底板突起处，煤层变薄或尖灭，而底板坳陷处煤层变厚，结构变复杂。

井田内二1煤层厚度的变化主要受成煤环境和后期改造等因素影响。

自然地质条件决定了石壕煤矿典型的“三软”煤层特征，即煤层的顶、底板较软，易变形，且裂隙发育，打钻过程中，容易发生塌孔事件，一旦塌孔，钻杆和钻头很难拔出，损失较大，给井下探煤、探水等施工带来了一定难度。

二、技术方案

井下探放水过程中，下完套管后，由于管内水泥凝固，硬度较大，特别有利于正常钻进，避免了塌孔事件的出现。因此，我们可以大胆猜想，如果不下套管或只下第一级套管，也能够在孔内将水泥凝固成一个整体，这样就较好保证了塌孔，因为硬岩中钻进的塌孔几率远远小于软岩。

可采用多次循环注浆，加固孔口管，固結破碎煤岩的措施，分段循序渐近，进行钻探施工。开钻时，需先下一级套管，套管孔径为最大孔径，目前为?133，下一定长度的?127套管，钻进一定长度后，安装闷盖进行首次注浆封孔，待凝固24小时后，换?113钻头继续钻进至一定深度，下二级套管，比如?108套管，继续注浆封孔，下三级套管，依次类推，打一段，注一段，保证了钻进深度，避免了塌孔。通过这种分段注浆加固，分段钻进的方式，有效减少了塌孔事件的发生。

浆液技术要求，注浆时的水灰比例，一般为5：1～1：0.7，依据岩层硬度和钻进深度，需通过多次实验不断调整，进行适当调整，水泥凝固时间需24小时以上方能重新扫孔。也可加水玻璃进行辅助注浆，水泥与水玻璃体积比为：0.3：1～0.5：1。采用水玻璃辅助注浆时，凝固时间可缩短至12小时，但成本较高。

三、优缺点分析：

1.优点：采用多次注浆，多次钻进的方式，避免了塌孔，增加了钻进深度，有效防止透水、孔口瓦斯突出等事故的发生。

2.缺点：施工工期长，耗费材料多，施工过程繁琐，不使用于工期短，时间紧迫的工程。

四、应用效果分析及存在的问题

1.孔内事故分析

孔内事故按其成因可以分为人为事故和自然事故

人为事故：指事故发生的主要原因是操作人员或有关人员没有严格执行钻探操作规程，没有根据生产的具体情况采取相应的技术措施而造成的事故。例如，断脱钻具、跑钻、烧钻等事故。

自然事故：指由于复杂的地质条件等客观因素所引起的事故。例如，大块石卡钻、掉块挤夹钻具，孔壁坍塌埋钻等事故。

2.孔内事故预防

（1）钻具折断、脱扣事故的预防

①开钻前应将钻场清理到硬底或对钻场底板进行硬化处理，压柱一定要顶牢，保证钻机安放平稳，固定牢固。

②检查钻头是否完好，钻杆有无裂纹，丝扣是否完好，有质量问题的材料严禁使用。

③钻进过程中的给进压力必须均匀，严禁忽大忽小。

④钻机移动二次对孔时，必须对正，当钻杆在孔内不出现磨擦孔口管、上下活动顺畅、无阻力时，将钻机固定牢靠方可钻进。施工过程中如发现钻杆磨擦孔口管，有扭劲现象，必须停止施工，重新对孔。

⑤施工时操作人员应集中注意力，声音增大、压力、水循环等有变化时，应立即停钻，查明原因并处理后方可继续钻进。

（2）卡钻、埋钻事故的预防

①保证压力水畅通，尽可能增加循环水的压力和流量。确保孔底岩粉冲洗干净。

②钻进遇软岩时，应慢速钻进，穿过软岩后，应反复顺孔，防止缩径导致卡钻。

③施工过程中发现回转阻力大，有憋泵现象，应停止给压钻进，保证压力水能够循环，将钻具慢慢上下移动（上阻下放，下阻上提），使孔内通畅，压力水恢复正常循环后，方可正常钻进，禁止有异常时强行提拉钻具，冒险作业。

④停止钻进时，应将钻具提起一定高度，保证岩粉沉淀不埋钻，重新钻进时，应先冲孔后钻进，缓慢钻至孔底后方可正常钻进。

五、钻孔弯曲的原因与规律

地质因素

影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的各向异性和软硬互层。地质因素是客观存在的，只能通过工艺技术措施来减弱或抵消它的促斜作用

1.岩石的各向异性

某些具有层理、片理等构造特征的岩石，其可钻性具有明显的各向异性。钻头沿垂直于岩层方向钻进的岩石破碎效率最高，平行于层理方向效率最低，倾斜方向破岩效率居中。因此在倾斜岩层中钻进时，极易产生钻孔向垂直于层面的方向弯曲。钻孔弯曲强度与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角的大小有关。钻孔遇层角是钻孔轴线与其在层面上的正投影的夹角。当遇层角约为45?时，钻孔弯强最大。

2.软硬互层

（1）钻孔以锐角穿过软硬岩层界面，从软岩进入硬岩时，由于软、硬部分抗破碎阻力的不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲。

（2）钻孔从硬岩进入软岩时，则钻具轴线有偏离层面法线方向的趋势。但由于上方孔壁较硬，限制了钻具偏倒，结果基本保持着原来的方向，钻孔通过软岩进入硬岩又从硬岩进入软岩时，最终还是沿层面法线方向延伸。

（3）钻孔遇层角存在着临界值。超过此值时，钻孔顶层进;低于此值时，钻孔将沿硬岩的层面下滑（俗称顺层跑）。说明钻进中粗径钻具倾斜面方向稳定是客观存在的。

3.技术因素

（1）开孔阶段

开孔阶段的钻孔弯曲会影响整个钻孔轴线轨迹，使钻孔轨迹产生很大的偏差。这一阶段引起钻孔弯曲的技术因素有：钻机基础不平;钻机立轴安装不正确;未下孔口管或孔口管方向不合要求;主动钻杆过长;钻进参数不合理等。

（2）钻进阶段

钻进过程中造成钻孔弯曲的技术是钻具的结构和尺寸。由于存在孔壁间隙，在压力作用下，钻杆柱将产生弯曲变形，产生水平分力，使粗径钻具偏倒。

當钻进各向异性岩石遇且遇层角为锐角时，钻头唇部形状会影响钻孔弯曲方向及强度：

①唇部平面或椭圆形钻头：孔底碎岩向阻力最小方向偏移（垂直层面方向）;②外锥形钻头：向顺层方向偏移;③内锥形钻头：钻孔向垂直岩层面偏移。

六、应用推广价值