1、绳索取芯钻探在复杂地层矿区施工技术措施 彭步涛 （福建省 121 煤田地质勘探队，福建 龙岩 364021 ） 摘要：该文主要论述了绳钻技术在复杂地层煤田勘探矿区中研究应用情况及取得的效果，即从钻孔结构冲洗液技术、护壁堵漏技术、钻具配套及硬岩钻进等方面进行了有效的探索和应用，对类似矿区施工具有较强的实践性和指导意义。主题词：绳索取芯钻探技术 ; 施工措施 ; 含煤矿区复杂地层 “科学技术是第一生产力”。这是邓小平理论对马克思主义科技理论的重要贡献，在这一理论的指导下，我国的科学技术水平出现蓬勃发展的局面。作为煤田地质勘探专业队伍的福建省 121 煤田地质勘探队，从上个世纪八十年代中期为加快勘探
2、步伐，缩短勘探周期，依靠科技进步，积极推广应用绳索取芯金刚石钻进技术（以下简称绳钻技术）；经过二十多年的努力和探索，使绳钻技术不断完善，钻进效率和勘探质量明显提高。二十二年来累计完成钻探进尺 48.4 万米，在闽、云、贵、川等省份探明煤炭储量 50 余亿吨，为当地的经济建设做出突出贡献。通过多年对该技术的研究和应用，使福建省 121 队的钻探技术竞争力不断提高，绳钻技术应用水平达到国内领 先。 1 含煤田地层的基本特点 煤田勘探施工的主要区域分布在福建、云南、贵州、四川等省份。福建煤田地质主要勘探对象见三叠纪童子岩组，童子岩组之上由翠屏山组所覆盖，为非煤系地层，主要岩层见泥岩、粉沙岩、细粉砂岩
3、和中粒沙岩。云、贵、川主要含煤地层为二叠系上统龙潭组，主要岩性以粉砂岩、细砂岩、泥质砂岩、粉质泥岩为主，而覆盖其上部的三叠系个旧、永宁镇组以灰岩为主。 福建省 121 队煤田勘探矿区按钻探施工技术要求，有如下几个特点： （ 1 ）钻孔漏失严重为主要特点。特别是永宁镇组、个旧组中的 石灰岩溶洞发育，溶洞最大达 20 米 。童子岩组的风化带和断层破碎带也是主 要漏失区，属裂隙裂缝性，有时也出现小溶洞，并有地下水活动。另外，由于绳钻工艺环空间隙小，泵压损失大，常使地层失去平衡以致诱发漏失。 （ 2 ）孔壁坍塌也是绳钻工艺施工中常见现象，坍塌常出现在断层破碎带中。另外，在厚煤层中（特别见粉煤层）钻进，
4、由于钻孔护壁不稳定，上下钻具操作不当也易引起煤层坍塌，这种现象在各勘探区都经常遇到。 （ 3 ）硬岩“打滑”地层，在翠屏山底部约 40m ，属硅质胶结的石英砂岩。同时，含有少量的隧石，岩石硬度在 X 级以上。采用一般金刚石钻头钻进其效果差，钻效低，新钻头投入使用后很快被磨钝而打滑不进尺。 （ 4 ）煤系中煤层多，一般钻孔都可见煤层十几层，煤层有块煤、粉煤两种。粉煤取芯难度大，若操作不当往往造成采取率达不到要求致使钻孔质量降级。 （ 5 ）岩层倾角变化大，软硬互层频繁，属易斜地层。 （ 6 ）龙潭组中部分泥岩遇水膨胀，钻进中发生缩径现象，对泥浆性能要求高。 总之，煤田地质工作条件的特点综合反映了
5、南方各省普遍出现的“硬、脆、碎、漏、塌、斜、胀”的复杂面貌，直接影响钻探效率和钻孔质量的提高。 2 绳钻施工技术的研究和应用 2.1 对钻孔结构的设计和选择 钻孔结构设计和选择正确与否，直接影响钻探效率的提高和施工成本的降低，该项工作对钻孔的顺利施工影响极大。因此，根据客观条件选择合理的钻孔结构是保证绳索取芯钻进正常进行的重要条件，可以减少重复扩孔和起下技术套管的程序和时间，从而提高钻进效率。(1) 对构造简单、开孔为煤系地层且钻孔较浅、岩石较完整的矿区，一般选用 2-3 级钻孔结构，下 1-2 层技术套管。如一开 110 、二开 95 、三开 77 为常用的钻孔结构。 (2) 对上部较复杂、
6、无煤系开孔的钻孔、或存在灰岩溶洞的矿区，一般选用 4-5 级钻孔结构，利用技术套管将上部复杂地层隔离后，再使用 S75 钻具完成煤系地层的施工；即一开 130 或更大、二开 110 、三开 95 、四开 77 终孔，为常用的钻孔结构。（见表 1 ） 表 1 云南老厂矿区钻孔实际成孔结构一览表 套管 序号 孔号 终孔深度（ m ） 146 127 108 89 备注 1 4225-2 1026.69 18.61 19.77 196.58 536.46 2 4213-1 887.18 21.74 29.67 144.04 3 4307-1 806.18 19.06 562.00 589.41 4
7、4109-2 754.18 18.98 18.21 108.98 5 4229-1 785.78 4.02 4.40 103.78 6 4229-2 874.50 48.00 202.80 7 4221-2 1030.30 80.76 94.53 282.22 8 4221-1 827.42 8.87 92.72 9 4225-3 831.42 13.24 21.69 42.05 10 4213-2 891.23 9.30 36.74 75.86 141.94 11 4109-1 783.95 10.33 80.14 350.36 由此可见，选择合理的钻孔结构，充分发挥技术套管对上部复杂地层的
8、隔离作用，见顺利完成钻孔施工重要保障。 2.2 冲洗液的研究和应用 冲洗液是钻探的血液，是保证绳钻技术能否顺利应用的关键技术。针对煤田地质情况，研制出既符合绳钻开高转要求的“三低一好”（低粘度、低切力、低密度、润滑性好），又能满足不同地层护壁要求的各类冲洗液，经过多年的研究和探索，已形成系列： (1) 无固相冲洗液。与清水相比，具有较好的携带和悬浮岩 屑的能力，且能在井壁上形成薄的吸附膜，具有一定的护壁能力，有较好的 润滑和减阻作用。由于现场配制简单、成本低、钻进时效高等特点，深受一线职工欢迎。该类型的冲洗液主要应用于无煤系地层或条件较好的煤系地层。 常用的无固相冲洗液有：聚丙烯酰胺（ PHP
9、 ）无固相冲洗液、田菁胶（ TG-1 ）型无固相冲洗液、 MY 型无固相冲洗液等。无固相冲洗液适当加入钾离子（ k + ）可提高其护壁能力。 (2) 低固相冲洗液。以优质钠膨润土为基本造浆材料 , 以添加一定量的泥浆处理剂调整冲洗液性能达到即能满 足绳钻开高转数的需要，又能达到护壁的目的。如以（ 3-5 ） % 人工钠土配成基浆，添加硝基铁钾、磺化沥青（ DLSAS ）、广谱护壁剂（ PGS ）、润滑剂等制成的优质低固相冲洗液，适应于破碎带、泥岩、煤层等遇水膨胀、坍塌水敏性地层。 (3) 实例应用 福建省 121 队 2000 年 106 钻机在四川攀枝花矿区施工 2 个孔，累计见可采煤层 4
10、6 层，煤层厚度达 65.46m ，由于冲洗液类型选择合理，性能稳定，没有出现坍塌现象，保证钻孔的顺利施工，使绳钻的优越性得到充分发挥，取得较好的经济技术效果。（见表 2 、表 3 ） 表 2 冲洗液类型的选择及性能 地层 冲洗液类型 密度 (g/cm 3) 粘度 (s) PH 值 失水量（ mm ） 滤饼厚（ mm ） 塑粘（ mm ） 摩擦系数 非煤系 PHP-f 无固相 1-1.01 15-16 8 - - - 0.1-0.13 煤系 PGS-DLSAS-f 低固相 1.02-1.05 18-22 8-10 16-20 0.5 10-11 0.12-0.16 表 3 钻探施工主要经济技术
11、指标 孔号 终孔深度（ m ） 钻月数 ( 个 ) 钻效（ m ） 时效 (m/h) 纯钻率 (%) 孔故率（ % ） 煤层厚度（ m ） 优质层 合格层 钻孔质量 9031 870.68 1.07 813.72 3.11 5.02 0 40.44 15 7 特 9023 942.74 1.40 673.39 3.24 44.3 0 25.02 18 6 特 小计 1813.42 2.47 734.17 3.18 46.2 0 65.46 33 13 从以上可以看出，在冲洗液类型选择方面，一般情况下无煤系地层选用无固相冲洗液，即可以降低生产成本，又可提高钻进时效；在煤系地层，选用低固相冲洗液可
12、实现安全顺利施工。 2.3 适当增大钻头外径 适当增大钻头外径，对钻探施工是非常有利的。根据龙永煤田的实际情况，先后两次增加钻头外径，由 75 到 76 到 77 （扩孔器外径随之加大），直径加大后一是有利于排除岩屑，减少冲刷，有利于孔壁稳定；二是可保证经过改扣的 89 套管能够继续作为技术套管；三是增径后有利于 减少冲洗液的漏失；四是有利于减轻泥浆泵的负荷。见表 4 。 表 4 增径后泵压变化情况表 钻头外径 (mm) 泵量 (l/min) 冲洗液类型 孔深 (m) 工作泵压 (mpa) 75 57 低固相 500-600 3.0-4.0 76 57 低固相 500-600 2.5-3.5
13、77 57 低固相 500-600 1.0-1.5 77 92 低固相 500-600 1.5-2.0 2.4 护壁、堵漏技术的研究和应用 (1) 充分发挥技术套管的隔离作用，将上部复杂地层隔离，为下部施工创造条件。如云南老厂矿区上部被永宁镇组、个旧组灰岩所覆盖，该矿区“十山九空，孔孔有硐”，用技术套管将上部灰岩隔离是解决涌、漏水最有效的措施（见表 1 ），该措施适应于灰岩溶洞、采空区、钻孔超径、缩径、涌水量大严重坍塌的钻孔。 (2) 对于渗透性漏失的地层（漏失量小 3.5m /h ）采用综合惰性材料灌孔压堵可取得较好的效果。该办法的堵漏原理是：选用一定粒度的惰性材料与“ 801 ” 堵漏剂、
14、浓泥浆按一定比例配成堵漏浆液。待内管总成打捞起来后，将堵漏浆液倒入绳钻杆内，对上立轴，用水泵将堵漏浆液一部分压到漏失通道，一部分顺环空间隙返到孔口，以达到堵漏的目的，该堵漏措施在龙永煤田效果明显。应用情况如下： 龙永煤田东中矿区 6-7 号孔在孔深 258.50-269.57m 孔段为裂隙漏失，漏失量 2.1m 3 /h, 水位为 48m ，经采用“ 801 ”堵漏剂 3kg + 锯末 5kg + 稠泥浆配成堵漏浆液，从绳钻杆内灌入，在开泵压送后，漏失量减少到 0.9m 3 /h 。 东中矿区 6-8 号孔在孔深 172.10-174.46m 段为裂隙漏层，漏失量达 3.1m 3 /h ，采用
15、“ 801 ” 堵漏剂 3kg + 综合惰性材料 5kg + 浓泥浆配成堵漏浆液，从绳钻杆内灌入，漏失量减少到 0.4m 3 /h 。 培丰矿区 8-2 号孔在孔深 575.50-587.40m 漏失不返水，水位 216m ，采用 DTR 堵漏剂 100kg + 花生壳 25kg + 泥浆 0.5m 3 配制堵漏浆液，泵入后静压 4:30h ，扫孔后返水正常。 富岭矿区 5-1 号孔孔深 128.50m 处出现漏水，漏失量达 2.5m 3 /h 采用高吸水树脂（ PAN-Km ）堵漏剂 5kg + 浓泥浆配成堵漏浆液，从绳钻杆内灌入用泵压堵，先后灌压 3 次，漏失量分别减少到 0.9m 3 /
16、h 、 0.3m 3 /h 和 0.01m 3 /h ，达到预期目的。 可以看出，采用综合惰性堵漏剂材料进行灌孔堵漏效果明显，由于该方法材料来源广、成本低、操作简单，是施工现场最常用的办法之一。 (3) 其他堵漏护孔方法 当遇裂隙较发育、地下水活动历害、灌孔堵漏效果不明显时， 也可采用水泥封孔护壁堵漏、改性沥青球堵漏、粘弹性材料堵漏、化学浆液堵漏等方法，也取得一定的效果。 2.5 完善绳钻钻具配套技术 多年的实践证明：在客观条件复杂的情况下，单一的绳索取芯钻具无法满足多级钻孔结构施工的需要，为提高钻进效率，减少辅助时间，机台应用 s95 、 s75 双套钻具比应用单一的 s75 钻具施工效果要
17、好得多。使用方法是：采用 s95 钻具钻穿复杂地层下入 89 套管后，换用 s75 钻具完成终孔，如东中矿区双套钻具配套使用前后情况对比，见表 5 ： 表 5 东中矿区增配 s95 钻具前后经济技术指标对比 钻具 钻孔数 工程量（ m ） 平均孔深 (m) 时效 (m/h) 纯钻率 (%) 孔故率 (%) 提钻间 (m) 报废工程量 (m) 钻效 (m) S75 11 6448.40 537.36 0.78 27.1 29.8 3.98 851.26 140.13 S95/s75 12 6199.40 563.58 1.38 33.8 12.6 8.04 54.28 339.02 2.6 硬岩
18、石的治理措施 (1) 应用绳索取芯液动冲击回转钻进技术是对付岩石的有效手段。福建省 121 队先后应用 MTZ77S 型、 S75C 型、 S95C 型液动冲击回转钻具在“打滑”硬岩钻进与普通绳钻相比，时效提高 77%-162% 。福建地质八队在紫金山矿区采用普通冲击回转钻进技术，工程量达到 29134m ，比回转钻进小时效率提高 40%, 台月效提高 127% 。 (2) 选用弱包镶防“打滑”金刚石钻头钻进，其基本原理是金刚石钻头胎体磨损比普通钻头快，不容易使钻头胎体抛光打滑，使工作中的金刚石颗粒处于克取状态。该钻头与普通金刚石钻头比时效成倍提高，虽然钻头寿命短（ 10-15 ） m/ 个，
19、但从整体效益评价是可行的。 (3) 投砂钻进法。将内管打捞后向孔内投入适量坚硬的碎石子，将“打滑”后的孕镶钻头胎体进行磨损，露出金刚石颗粒进行钻进，达到提高时效的目的 ; 但采用该方法其钻进参数与正常钻进有所不同，钻头压力提高约 20% ，转数降低 100-200rpm, 才能达到比较好的效果，该方法也是较常用的。 3 取得的成效 福建煤田地质局在推广应用绳钻技术的二十多年来，依靠科技进步，开展技术创新，对该技术的应用进行了积极的探索和研究，先后完成 7 项类科研项目， 13 项类科技成果，近 30 项小改小革。其中绳索取芯金刚石钻进技术在煤田勘探中的推广与应用获中国煤炭工业协会 科技进步三等
20、奖，福建煤田钻孔护壁与堵漏的研究获探查三次煤田勘探科技进步一等奖，钻探设备典型检修工艺研究、双面施焊内外一次成型 等离子焊填补了国内技术空白。科技成果的应用大大提高了绳钻技术应用水平，各项经济技术 指标达到国内领先水平，见表 6 。 表 6 、福建煤田地质绳钻主要经济技术指标表 年份 开动钻机 进尺（万米） 钻月数（个） 钻月效率（ 时效（ m/h 岩芯采取 特甲级孔m/ 月） ） 率 (%) 率 (%) 七 . 五 7-15 10.33 442 233 1.07 86 87 八 . 五 3-15 10.24 242 422 1.67 91 91.3 九 . 五 2-4 6.00 99 604
21、 2.04 94 95 十 . 五 4-10 13.28 215 617 3.01 95 94 2006 11-20 8.58 134 641 3.14 94 96 1 、钻探质量大幅提高，特甲级孔率从老工法的 65-70% 提高 95% 以上，一次成孔率、岩矿芯采取率大大提高。 2 、钻探效率大大提高，使用老工法钻月效率 180m / 月推广应用绳钻“七 . 五”期间 233m / 月、“八 . 五”期间 422m / 月、“九 . 五”期间 604m / 月、“十 . 五”期间仍保持 600m / 月以上。小时效率由老工法的 0.65m /h 提高到应用绳钻技术“七 . 五”期间 1.07
22、m /h 、“八 . 五”期间 1.67m /h 、“九 . 五”期间达 3.01m /h 、 2006 年达 3.14m /h 。 3 、处理复杂情况的能力大大增强，孔内事故大幅度下降，职工的劳动强度降低，改善了生产条件，实现了文明生产。 4 、经济效益和社会效益显著。钻探直接成本下降 20-30% ，缩短了勘探周期，地质报告的精度和研究程度提高。 4 结论 笔者认为，金刚石绳索取芯钻进技术本身是一门科学，在推广应用过程中必须以严谨的科学态度处理其中的一切，只有这样才能巩固和发展。绳钻技术同时又是一个复杂的系统工程，任何一种单一的技术手段都不同程度地存在局限性，对复杂情况的处理只有采取综合技术措施，才是科学的、合理的。 参考文献： 1 韩广德 . 中国煤炭工业钻探工程学 M ，北京：煤炭工业出版社 , 2000.12 2 姚爱国，等 . 岩土工程钻进原理 M ，武汉：中国地质大学出版社 , 2000 3 鄢泰宁，等 . 岩土钻掘工程学 M ，武汉：中国地质大学出版社 , 2001 4 刘广志 . 科学钻探 M ，北京：地质出版社 , 2005
