煤田绳索取心钻探应建立新的行业钻探体系

黄才启，熊青山，黄全宜

（1.安徽工业经济职业技术学院，安徽 合肥230051；2.安徽地质矿产勘查局321地质队，安徽 铜陵244033；3.北京多牛互动传媒股份有限公司，北京100089）

0 引言

绳索取心钻进是一种优质高效低耗的先进钻探方法，有利于稳定复杂地层孔壁、减少钻杆螺纹磨损和钻孔事故（包括次生事故）、提高纯钻时间利用率、降低劳动强度，在非煤地质勘探中得到广泛应用，尤其是深孔钻探时优点更加显著。

近年来煤田勘探向着深部发展，绳索取心钻进应是首选的钻进方法。然而绳索取心钻进技术未被煤田勘探业界重用。绳索取心技术在煤田地质勘探应用自20世纪80年代以来探索不止，但效果不甚理想，普遍认为是煤系地层水敏性较强。笔者认为水敏问题是客观的，固然重要，但更重要的是没有形成符合煤田勘探自身特点的绳索取心钻探体系，需要建立新的理论体系及其相应的装备体系。

笔者曾主持研究了安徽省地矿局科技项目“深孔煤田钻探绳索取心钻进工艺技术研究”课题，本文在此成果基础上，提出了建立“煤田绳索取心钻探（理论）体系”的见解和观点，供业界行家参考、讨论。

1 煤炭勘探任重道远

1.1 国家发展仍然需要煤炭能源的支撑

国家建设、社会发展、人类生存离不开能源。BP世界能源统计［1-2］显示，煤炭仍然是世界主要能源之一，中国需求更为突出，但中国探明的储量远低于世界水平，向深部勘探成为必然（参见表1）。

表1 世界煤炭资源信息（2009-2019）Table 1 World coal resources information(2009-2019)

（1）全球煤炭消费量和开采量近10年仍呈增长趋势，中国目前占世界1/2左右。

（2）煤炭仍然是发电最主要的能源，占全球总发电量的36%。中国发电量及增幅世界第一（发电量占世界总量的27.8%），且燃煤发电占全球燃煤发电总量的49.4%。

（3）中国探明储量近10年平均增长仅2.1%，低于世界2.6%的水平，储采比仅为37，远低于全球的132，说明我国煤炭储备远远低于全球。

（4）中国人均能源消耗量居世界第63位，居较低位置，具有很大增长空间。

（5）据中国煤化工网数据显示，我国近年煤制油、煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙醇等项目产能持续上升，未来煤化工需求量将进一步大幅提升。煤炭有了新的使用价值，需要有足够的煤炭资源储备。

1.2 向深部勘探成为必然

煤炭资源开采必然向深部进发，煤炭勘探必然先行一步，向深部进军。深部的资源探求具有未知性，必须有先进可依靠的勘查技术方法［3］。前期课题研究成果表明，因受地层断裂错动、褶皱扭曲或倒转等地质构造影响，采用无岩心钻进会导致层位错判，可能出现“无为有”或“有为无”的错误结果，地质成果不可靠，或许会造成不可估量的损失。绳索取心是最值得信赖的先进技术方法之一，既优质高效，又避免盲目。

2 非煤资源绳索取心钻探技术体系已十分成熟

（1）非煤和油气类资源勘探中推广绳索取心技术十分成功，尤其在非煤固体矿产勘探中已基本全面普及，在深部钻探中已显示出强大的生命力。

（2）几十年的探索追求，煤田勘探绳索取心钻进成功案例并不鲜见，发现的问题和行之有效的解决方法积淀了基础［4-9］。

（3）现代的基础工业为绳索取心钻进技术装备（机械、工具、器具）制造提供了强有力的支撑。钻机、钻架、泥浆设备的性能和功率都得到大幅提升。生产工具机械化、生产设备智能化有望代替传统的人力劳动。工业管材系列已满足套管和杆具系列配套需要。

（4）高效生产力方式一直成为人们的追求，行业的技术工作者仍在不断努力，一直在积极探索中。

所以，煤田勘探绳索取心钻探是可行的，技术是先进的，其钻进效率已接近甚至高出无心钻探。普通无岩心钻进与绳索取心钻进效率对比见表2［7-8，10-11］。

表2 普通无岩心钻进与绳索取心钻进效率对比Table 2 Comparison of efficiency between conventional full face drilling and wire-line core drilling

3 当前制约煤田绳索取心钻进技术普及应用的问题分析

笔者研究了数十个煤田（煤炭、煤层气）绳索取心钻探案例资料，跨越30年（1989－2019年），地域分布全国十几个产煤大省，研探的内容包括：钻探技术层面、效率与成本层面、机具力学与制造层面、综合技术管理层面，分析归纳如下［4-6］。

3.1 综合层面问题

（1）当前社会大部分涉煤基层单位在经济压力下往往只注重眼前局部经济效益，不愿意在技术研究上投入。

（2）目前煤炭资源还多是在原资源地进行扩展性勘探，地质地层条件基本查明，为了节省，一般采用全面无心钻进。

（3）地质工程师主导勘探，受专业制约，钻探知识更新少；钻探人无力推进新方法。

（4）绳索取心技术在煤田中应用仍存在一些问题，成效不显著，推行有阻力。

3.2 技术层面问题

（1）煤系地层水敏、不稳定。这些岩组水敏特性有相近相异之分，往往一个钻孔要反复穿过这些相近或相异地层，尤其是针对相异地层的措施往往是相互矛盾或抵触的。

（2）采用旧标准地质钻探钻具，不能很好适应煤系地层钻进。

①钻孔结构系列直径分布紧密，间隙过小，流体力学特性不好，易造成高流阻、高泵压、高流速、高冲刷和高“激动”压力等现象，从而必须采取降低泥浆泵流量（限流）等措施。

②限流则产生排屑不畅问题，钻孔深部沉屑多、钻具钻头磨损严重，甚至钻具难以扫孔到底。排屑不畅也可能引发孔内和机械事故。

③管材套用非煤地质钻探系列，几乎清一色Ø108 mm/Ø89 mm/Ø77 mm配置。因为没有煤田勘探理论体系和标准体系，造成煤田勘探管材系列缺失。

④空间限制导致钻具结构紧凑，部件强度低，抵抗高流速冲刷破坏作用能力小，克服复杂地层阻力的能力小。

（3）不重视泥浆性能的优化与固控净化。煤系地层钻进岩屑颗粒粗大，呈（粉细）砂状悬浮于泥浆当中，传统煤田地质钻探泥浆固控净化不力，泥浆含砂量大，污染严重，经常失效，危害极大［12-13］。

①小间隙高流速冲刷破坏作用强，一则钻具损坏寿命短、机件性能易失效；二则孔壁泥皮难形成，或形成的护壁泥皮无韧性，也或局部被冲刷破坏。

②限流致使钻杆内流速低，钻杆高速旋转的离心作用使钻杆内壁结垢，内钻具打捞卡阻，或引起事故；也或投放不到位而打空管。

③泥浆滤失量大，或粉渣泥皮易脱落，引发坍塌埋钻事故；或粘性地层膨胀缩径，引发吸附卡钻事故。

（4）钻头寿命影响提大钻间隔指标。目前钻头制造技术有所提高和创新，但抗冲刷耐磨损、广谱适应性还不是很好，与钻进效率呈负相关，影响经济指标。

（5）事故多由技术问题未能全面解决而引发。事故是绳索取心钻进效率的最大影响因素，是推高成本的根本原因，是阻止绳索取心推广应用的基本原由。

3.3 解决技术层面问题就是解决根本问题

技术层面决定了综合层面，是根本问题。技术问题是直接表象，是影响绳索取心应用的根本要素。解决技术问题首当其冲，是最直接、最有成效的切入点。

4 技术问题的症结

煤田地层软弱特性决定了钻探对象的复杂性。目前煤田勘探的钻探技术问题不外乎恐水、惧砂、钻具（小，强度）弱（笔者称之为“弱具”）3个方面。

（1）恐水——岩石结构力弱，遇水膨胀、散坍、剥落、溶解、浸蚀等水敏现象，导致了空间异常变形——缩径或超径，其介质改变了作为初始目的冷却、携屑、润滑作用的钻进液的性状。此为“水损”。

（2）惧砂——不同粒径的钻屑颗粒，在钻进过程中多具负作用——冲刷毁蚀、沉积埋具、砂化浆液，表观为“乳状”泥浆变“砂浆”，对钻探工作具有极大的伤害性。一是冲刷破坏作用，不仅冲刷毁损钻杆（具），也冲刷毁损护壁泥皮；二是使护壁泥皮糠渣无韧性，易散脱。此谓“砂害”。

（3）钻具弱——钻具结构小，强度弱，其抵御、抗衡“水损砂害”及其负作用能力小。钻探是在长度型的线性窄小空间工作，传统的地质勘探指导思想和考虑经济性，决定了要使用小口径，钻探设施轻小，特别是钻杆（具）几何尺寸受限，强度弱小，能力不足。煤田钻探也依据这个思想使用小口径（而且还是同一系列的小口径），其强度远不足以抗衡制约煤田地质岩组弱结构性对钻探的伤害。“弱具”必然采用小规程，小规程必然使得克服问题的力度不够。

通览3大因素可以看出，这是一个系统性的问题。岩层“恐水”，导致“砂害”。“恐水”是主因，不可避免，采用“弱具”不能有效克服“砂害”。应该采用强力措施，抑制伤害，应对客观。因此，笔者认为，目前煤田勘探绳索取心钻探的使用困局在于没有独立的煤田绳索取心钻探理论体系，没有深度思考系统解决问题的途径。

5 技术理论体系的建立

建立理论体系要有认识高度，总揽全局，依据科学，建立配套规则，系统解决问题。煤田勘探绳索取心必须建立具有行业特点的钻探体系，这个体系必须要有科学理论为依据，并要有可实践性。

5.1 要有分析认知体系

（1）首先要有分析问题现象、揭示问题本质的体系，找出问题的根，揭出问题的因。

前述岩层的水敏特性问题，其使得钻探必须要使用泥浆，也使得泥浆的含砂、含泥量甚高（砂糊状），这是客观原因，不可回避。（这方面理论都很成熟，本文不作赘述。）

（2）其次要有解决问题的措施体系。

提出解决问题的措施，并分析其有效性，需要理论作指导，运用科学知识全面透彻地加以解决。笔者认为，措施体系的核心是：摈弃陈旧固有的小口径思维，解决“弱具”问题，用“大而强”的动能体系去解决煤田绳索取心钻探所面临的客观问题。

5.2 要有基础理论体系

比如，现阶段小口径思维做法，对于煤田绳索取心钻探有许多弊端，需要进行分析研究。我们选择一个常见的高泵压问题来做分析，并对比在有限条件下稍微扩大钻孔直径的效果。

根据流体力学［14］，将钻杆内外沿程水头损失进行比较。

静态理想状态雷诺数：钻杆内：

钻杆外：式中：Ren——钻杆内静态理想状态雷诺数；Rew——钻杆内静态理想状态雷诺数；vn——钻杆内泥浆流速，m/s；vw——钻杆外泥浆流速，m/s；dn——钻杆内径，m；dw——钻杆外径，m；Dk——钻孔直径，m；μ——动力粘度系数，mPa·s；ν——运动粘性系数，m2/s。

现行的绳索取心工艺泥浆的动力粘度基本集中在1.5～8 mPa·s之间，且大多在2～5 mPa·s之间，以粗略均值3.5 mPa·s计算雷诺数。通过简化，计算出的现行S77/S95常用普通绳索取心钻进工艺的几个水力参数见表3。

表3 现行S77/S95常用普通绳索取心钻进几个参数简化计算结果Table 3 Simplified calculation results of several parameters of current common S77/S95 wire-line core drilling

宾汉流体的临界雷诺数Rec=2100或静状圆管偏心缝隙Rec=1000，实际由于钻杆在不停地公转+自转及所产生的摆动、振动，临界雷诺数更低。表3说明，无论钻杆内还是钻杆外环空，泥浆都呈湍流状态流动，因此泥浆的沿程阻力（水头损失）与雷诺数无关。

沿程水头损失公式为：

式中：hf——沿程水头损失，m；v——泥浆平均流速，m/s；l——钻杆长度，m；d——通道当量直径，m；g——重力加速度，m/s2；λ——沿程阻力系数。

现行S77/S95常用普通绳索取心工艺沿程阻力简化计算结果见表4。

表4 现行S77/S95常用普通绳索取心钻进沿程阻力简化计算结果Table 4 Simplified calculation results of flow resistance for current common S77/S95 core-drilling

由表4可以看出：（1）沿程阻力几乎全为钻杆外环状间隙阻力，钻杆内阻力极小。（2）钻孔直径增大3 mm，同级流量沿程阻力降70%以上。这大大降低了泥浆泵的负荷，因此可大大提升泥浆泵的钻孔适应能力，大大提高泥浆泵的能效。（3）扩大孔径，可以提高泥浆流量，增加携粉能力，有利于孔底清洁和钻头克取岩石的有效性，还可提高钻杆内流速，有利于阻止杆内结垢。

在实践中，多采用Ø108 mm/Ø89 mm/Ø75 mm口径级配，加大钻头外径，起到了一定的效果：泵压降低、糊钻减少。但受套管级配的限制，钻头直径加大也是有限度的。这里选录几个案例（见表5［5，15-16］）说 明 千 米 深 绳 索 取 心 钻 进 增 径 降 压 的效果。

表5 加大环隙（钻头）降低泵压案例Table 5 Cases of increasing annulus(bit)to reduce pump pressure

还有诸如绳索取心高流速的冲刷破坏问题，钻杆（具）强度低的问题，等等，这些都需要深入地进行量化模型分析。

5.3 要提高泥浆净化重要性的认识［17］

泥浆是钻探的“血液”，绳索取心钻进对泥浆的要求更高。泥浆净化是保持泥浆指标、维持泥浆功能的必要措施。

钻探使用泥浆主要是用于护壁，其次用于携屑。泥浆形成的护壁泥皮属于弱护壁层，极易受到破坏，如提钻抽吸负压和刮刷、钻进中压漏、缝隙高速流冲刷、孔壁吸水物化离析或膨胀、钻杆撞击等作用使其破坏。这是一个多因素的复杂的问题，首先应该重视和搞好泥浆本身的性能质量。

提高泥浆的适用性，保持泥浆的洁净性，维持泥浆应有的性能，是发挥泥浆有效作用的关键。我们日常中，绝大多数地勘队伍不重视泥浆工作，尤其是不重视泥浆的净化工作，鲜有单位配备净化设备的，偶有配置一台简易旋流除砂器已是很不错的了。其原因：一是认识不到位，依靠经验主义；二是缺乏知识，基础薄弱；三是装备稀缺或低端。对于泥浆的净化，已有的泥浆理论体系研究与科普极少。

搞好泥浆，首先要选对泥浆类型和有效配方。泥浆需要根据岩层吸水物化破坏作用类型选对配方，应具有强抑制性。一个钻孔往往反复穿越数层不同水敏特性岩层，差异性较大，有些彼此矛盾，抑制作用相互抵触，组合配方尤为重要，解决局部问题的同时要兼顾整体抑制效果。实践中配制各类抑制性浆液已很成熟，表6是我们研究项目配制的泥浆［13］。

表6 研究项目现场使用泥浆配方与性能参数Table 6 Mud formulations and properties used at our research project site

其次是净化，保持泥浆的纯净。配方确定后，净化是决定性工作。

泥浆中的砂，即钻进岩屑和水化脱离物或结合物等，会使得泥浆失去原有的性能，没有了应有的“润”的观感、触感和效果，粘粒与粉粒、砂粒胶混一起，粘润性能被破坏，不分散变粗分散，粘稠变离析。

泥浆中的泥，通常粒径20～74 μm，一般是泥砂混体。泥质分散越彻底，颗粒越细小，活性越大，占据消耗了泥浆中有益成分——抑制作用的高分子链，使其失去抑制孔壁作用和效果。

泥浆中的泥和砂有许多负作用：（1）使泥浆失去应有的性能和功能；（2）使泥皮粉渣化、厚而散，无韧性，增加了流动阻力，且碰撞易散落；（3）增大了泥浆的密度，增大了水头压力，易压漏地层；（4）减弱了岩屑悬浮和携带作用；（5）在过流窄小断面处（如绳索取心钻具悬挂机构、钻头）产生极强的冲刷破坏作用等。

净化，即除砂除泥，首当除砂，其次除泥，包括混入（渗入、溶入）地层中的损害泥浆性能的物质。相比而言，除砂较容易，除泥常被忽视。实践中除泥最困难，细分散的泥质颗粒紧紧吸附着高分子链，或高分子链卷曲包裹着泥质颗粒聚积成团，脱离困难；现实中除完砂后泥浆依然呈砂糊状，其中的泥质和粉质未能去除；从普钻延传下来的传统认识——不重视除泥的思想根深蒂固，认为泥（其实并非是真正的“泥”）是泥浆中有用成分，这种错误的认识一直指导着大多数人的思想，从而忽视除泥这一工作。另一方面，资金投入也是制约泥浆净化设备使用的因素。

5.4 大空间大功率是解决煤田绳索取心钻探困局的有效措施体系

小口径，小空间，必须限制钻杆（具）结构尺寸，自然限制了整体强度问题，对于绳索取心钻具就显得更为明显。钻杆（具）强度低，能力弱［18］，不足以抗衡煤田地层固有的阻力，与之匹配的装备动力自然不能强大，功率小、能效差（解决不了问题而空耗）。这是其致命缺陷。

“钻具弱”只能小功率、小规程（小钻压、小流量）作业，其抗御负面作用能力小，甚或成为附加负作用（比如发生机械性孔内事故）。就实践数据揭露的实际境况，煤田地质弱岩钻探特性在常规条件下，其阻碍钻探的能量是有限度的，往往通过单一小措施就可以解决，说明提高钻具强度、使用较大功率配套装备是能很好解决问题的。

众所周知，煤田钻探以快速高效为好，缩短孔壁地层水化作用时间，利于避免孔壁坍塌的风险。煤田地层的弱岩克取以体积破碎为优，体积破碎应选择切削或者刮削方式，不宜选用磨削方式如金刚石钻进，因此需要大钻压、低转速、大扭矩钻进和大流量排屑；另外，许多钻探事故都是因排泄不畅引起粘钻、糊钻、烧钻或埋钻，都是因阻力大而功率小所致。说明无论是钻机回转，还是冲洗液循环都需要大功率驱动。大能量、大功率驱动，需要有足够强度的钻杆（具）相配套，以抵抗地层客观因素的不利作用。

而现行实际多是采用小口径金刚石钻进的绳索取心工艺，这种适宜于磨削钻探工艺吃硬不吃软，效率出不来，实践中采用切削或刮削方式的大切入量的钻头，效率往往大幅提高，但钻杆强度跟不上而常常折断，泥浆中固相成分因无良好净化而快速增加，钻机负荷继而增大而降低钻深能力；泥浆泵负荷大幅上升，常成为糊钻甚或烧钻的祸因。小功率的金刚石绳索取心钻进在煤田钻探中效率并不理想，也是绳索取心难以推广的因素之一。

大空间有利于增强整体钻杆（具）强度，攻克“水损砂害”具有强大优势。有足够强度的钻杆（具）和足够自由流畅的空间，尤其是对于绳索取心钻具结构复杂紧凑、部件强度相对较弱的状况，这点十分重要。因此，通过增大口径，增大空间，增强钻杆（具）强度是十分有效的措施。

增大口径，增大空间，增强钻杆（具）强度，就可增大配备驱动功率，增强攻克力度。

地质勘探绳索取心钻探钻具标准，从1984年地矿部《绳索取心金刚石岩心钻探管材螺纹》（DZ 1.2—84）及相关系列，经1997年国家技术监督局《金刚石绳索取心钻探钻具设备》（GB/T 16951—1997），再到国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会《地质岩心钻探钻具》（GB/T 16950—2014），有了全面提升，系列和序列有了扩充，覆盖面扩大了不少，参见表7。

表7 绳索取心钻探钻具之套管钻杆参数和间隙数据Table 7 Wire-line core drilling casing and drill rod parameters and clearance

从标准的变化可以看出：

（1）这些绳索取心钻探钻具标准都是针对金刚石钻进技术的，尽管2014年国家标准去掉了“金刚石”字眼，更加说明模糊和弱化了煤田地质勘探行业特点和特殊要求。

（2）套管直径有所增大，壁厚也有所增加，套管级别之间和套管钻杆之间这两个环形间隙有所增加，使得口径朝增大方向（趋势）发展，可以肯定口径级配更加科学合理，特别是改良了口径91 mm以上级的尺寸；但间隙改良主要体现在套管级别之间，而套管与钻杆之间间隙改变不大，还不能很好地适应煤田地质绳索取心钻探技术。

（3）钻杆改变不大，尤其是91 mm（含）以下小口径部分。杆体壁厚无大变，提高强度依赖于解决丝扣连接部分强度，如热处理、局部加厚，目的还是减轻钻杆整体质量，减轻设备负荷。

（4）最新国标《地质岩心钻探钻具》（GB/T 16950—2014）中没有制订P、S序列绳索取心钻探钻具标准，相当遗憾。

煤田地质勘探因取心（样）及采瓦斯样要求，钻孔口径基本要求不小于91 mm，宜选择大直径，应推荐参照采用2014国标H、P、S、U序列口径。在确定了口径序列以后，制订合理的钻具序列结构和规格标准，弥补新国标的缺憾。籍于此，大幅提升配套设备动力能力，制定动力配套规格标准、技术指标标准、检测规范和操作规程，建立起煤炭地勘行业标准体系。

增大空间，增大了钻孔直径，不仅解决了钻具小强度弱的问题，同时也增大了钻孔结构各级套管间隙和套管与钻杆间隙，改善了钻进畅顺度，有利于孔壁稳定钻孔安全，对钻压高低、钻液流速大小、冲刷影响程度、钻屑排泄效果、孔壁变形抑制等，都有积极的显著的作用。

6 结语

煤炭资源仍然是世界的主要能源。煤炭开发已向深部拓展。绳索取心是向深部勘探的优质高效方法。煤田地质勘探绳索取心钻进技术经过40年的探索，取得了长足的进展，单因素的困扰难题都能很好解决，并都取得了成功，有些还具有非常好的成效。

煤田绳索取心钻探技术还未普及，笔者认为，其根本问题是认识和研究深度不够，需要换个角度观察、换种思维思考，因其地层软弱特有的制约因素，煤田绳索取心钻探应具有独特的理论体系，需要全新建立。

目前煤田绳索取心钻进存在的技术问题，可以简单地总结为7个字：恐水、惧砂、钻具弱。煤田地层弱结构特性决定了勘探工程与非煤领域有着很大的差别。地层的弱结构，水化水敏特性（客观因素），导致泥浆砂化或泥糊化（间隔客观因素），损害钻具、泥浆设备和钻孔弱护壁层。业界普遍仅从选择泥浆配比着手，鲜有做好除砂除泥工作的，更有认为“泥”（其实就是粉粒砂）是有益成分的错误观念。

对于绳索取心来说，采用小口径金刚石钻具系列，间隙小、钻具结构复杂、机构部件小，显得单薄强度低，更是惧怕泥砂。小口径，小空间，钻具的几何尺寸受限，强度偏弱，因此只能小动力，小规程作业。小钻具，小规程，不足以抗御固有的阻力，在这种复杂工况下，显然不合理，存在着许多致命的弊端，限制了绳索取心钻探技术的发挥。

解决这个问题，必须是：认识上，要有全新观念，透察老现象，辨识其本质，构筑新理论，建立新体系。技术上，应用新理论，指导实际工作。一要继续选用对的泥浆配方，全力以赴除砂除泥，尤其是除“泥”（除泥等于“除砂务尽”），保持泥浆固有的性能。二要选用大直径系列钻孔结构，推荐采用2014国标H、P、S、U序列口径，制订P、S、U序列钻杆（具）标准，使用高强度的钻具，以大功率设备驱动，强力克服煤田地层弱岩性所带来的困难，实践已证明大直径绳索取心钻探在煤田地层钻进中可以取得优质高效的成果［11］。此外，需要领导重视，敢于投资，积极推动新技术研究和应用。