跑鉆變埋鉆事故原因分析及預防處理

宋繼坤

（河南省煤田地質局四隊，河南平頂山467000）

跑鉆變埋鉆事故原因分析及預防處理

宋繼坤*

（河南省煤田地質局四隊，河南平頂山467000）

針對郟縣王集煤炭勘查區5705孔由跑鉆演變成埋鉆事故，進行了原因分析及事故處理措施。

跑鉆變埋鉆；原因分析；預防處理

1 礦區概況

郟縣王集煤炭勘查區位于郟縣縣城東南部，行政隸屬郟縣王集鄉、堂街鎮管轄。地處平頂山煤田北部，東部與平頂山天安煤業股份有限公司十三礦（以下簡稱十三礦）相鄰。2013年初布孔17個，鉆探工作量20900m。主要目的是：

（1）查明勘探范圍內的構造形態，詳細查明先期開采地段內落差不小于30m的斷層，詳細查明首采區內落差大于20m的斷層，并對小斷層發育程度做出評述，評價構造復雜程度。

（2）控制主要可采煤層二1、四2煤底板等高線。

（3）詳細查明二1、四2、二2、五2、七2煤的厚度、可采范圍、結構及其分岔情況。

（4）詳細查明二1、四2、二2、五2、七2煤層的煤質特征及其變化情況，進一步了解煤的工藝性能，確定煤類，對其工業用途做出評價；了解矸石質量及其變化情況。

（5）詳細查明主要可采煤層直接、間接充水含水層的巖性、厚度、埋藏條件、富水性及其變化情況；預測開采過程中發生突水的可能性及地段；評價礦井充水因素,估算礦井先期開采地段涌水量；對礦井可供利用的地下水的水量、水質做出評價。

（6）初步查明區內第四系厚度；本查明區內環境地質背景、現狀，研究煤炭開發可能產生不良地質現象，并提出防治建議。

（7）詳細研究主要可采煤層二1、四2煤頂、底板的工程地質特征，煤層瓦斯成分和含量，煤的自燃傾向、煤塵爆炸危險性及地溫變化等開采技術條件，并對其做出相應的評價。

（8）詳細查明老窯、小煤礦和生產礦井的分布和開采情況；劃定采空區范圍，評述積水情況；詳細調查生產礦井、小煤礦涌水量、水質及其動態變化情況。

（9）估算區內可采煤層埋深1500m以淺（331）+（332）+（333）類資源量，要求主要可采煤層二1、四2煤先期開采地段內（331）+（332）類資源量≥70%，（331）類資源量≥50%。

2 礦區地層及構造

勘查區地層由老到新有寒武系上統崮山組、長山組，石炭系上統本溪組、太原組，二疊統下統山西組和下石盒子組、中統上石盒子組、上統石千峰組，三疊系下統劉家溝組、和尚溝組、中統二馬營組和油房莊組、第四系。其中石炭系太原組，二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組為含煤地層。勘查區均被第四系掩蓋，區外東部零星出露石千峰組。

區內構造北西向主要斷層有襄郟斷層、襄郟支斷層、霍堰斷層、白石溝逆斷層、牛莊斷層、鍋底山斷層、九里山逆斷層等，正斷層除鍋底山斷層南西盤下降北東盤上升外，其余斷層均是北東盤下降南西盤上升；逆斷層北東盤逆沖上升南西盤下降。北東向主要斷層有郟縣斷層、溝李封斷層、七里店斷層、洛崗斷層等，均為北西盤下降南東盤上升的正斷層，其中郟縣斷層為煤田的北西部邊界斷層，位于郟縣縣城，北東—南西向，延展長度大于28km，落差350～400m，斷層掩蓋于第四系之下，北西下降盤沉積了較厚的中、新生界地層。襄郟斷層是煤田北東部邊界斷層，大致自麥嶺，經襄城縣城、長橋一線向北西延伸，長度大于52km，斷層掩蓋于第四系之下，最大落差1000m，北東下降盤沉積了巨厚的新生界地層，該斷層旁側分支次級斷層較發育，均呈銳角與之相交。

3 埋鉆事故的原因

3.1 孔壁垮塌引起的埋鉆

（1）巖層本身松散破碎、膠結薄弱，例如嚴重的風化層、松軟的煤層、流砂層等。鉆孔穿過這些巖層時又沒有采取有效的護壁措施。

（2）泥漿質量不符合要求，如失水量大，含砂量高，泥皮厚而疏松，未起到保護孔壁的作用。

（3）鉆具受壓過重，成彎曲狀態，轉動后發生劇烈振動，碰擊孔壁。

（4）在松散巖層中沖洗液流速過高，將孔壁沖毀后，鉆孔超徑，上升的沖洗液在此形成渦流，對孔壁產生嚴重沖刷，引起松散巖層的塌陷。

（5）隨著沖洗液的大量滲漏，沖洗液滲入巖層裂隙與孔壁裂隙，促使巖石膨脹、位移和解體。在孔內無液柱反壓力平衡的情況下，很容易造成坍塌。

3.2 巖粉沉淀造成的埋鉆

（1）所鉆的巖石松軟，進尺速度快，產生大量巖粉，未能迅速而及時地排除。

（2）泥漿質量差，膠體率差，切力不夠，對巖粉懸浮和攜出能力差。

（3）水泵工作不正常，排出的沖洗液量不足。

（4）鉆桿接頭部份漏水嚴重，沖洗液未到達孔底即返回地表。

（5）停泵時間較長，而鉆具有未提離至安全孔段。

（6）孔內巖粉很多，沒有專門撈渣。

3.3 鉆粉在孔底聚集形成原因

（1）鋼粒鉆進時投砂量過多，送水量太小，鉆粉已經較多時又未及時撈取或排出。

（2）鋼粒鉆進時巖石由硬變軟，未減少投砂量，使孔內鉆粉增多。

（3）鋼粒鉆進換硬質合金鉆進時，因鉆粉撈取不凈，造成在小孔徑內埋擠粗徑鉆具。

（4）鋼粒鉆進換徑時，由于沖洗液上升流速在換徑處突然減低，會引起鉆粉沉淀埋鉆。發生埋鉆前有如下征兆：埋鉆前，下鉆不能到底，鉆進中鉆具回轉阻力增大。時有憋車的現象，提動、回轉鉆具，阻力略微減輕，但接著阻力又增大；開始有些堵水，繼而產生嚴重憋泵現象，隨著孔口就不返水，時間愈長，事故情節愈惡化。

4 郟縣王集煤炭勘查區5705孔事故原因分析及處理

4.1 5705孔施工及事故狀況

5705孔為水文孔，設計抽水2次，分別為太原組上段灰巖含水層和下段灰巖含水層，設計孔深1240m。該孔于2014年2月10日開孔，一開采用?215.9mm牙輪鉆頭鉆進，鉆至孔深103m見完整基巖，下入?180mm× 6mm表層套管103m；二開采用?133mm金剛石鉆頭鉆至510m平頂山砂巖底界換徑；三開采用?113mm復合片鉆頭鉆進，當鉆進至孔深706.10～721.70m時發現斷層一層，厚度15.60m，7#煤被斷掉，斷層帶破碎嚴重。2014年5月4日鉆進至孔深868m下鉆時，因為鉆桿大卡頭倒扣發生跑鉆事故，跑鉆留至孔底868m以上鉆具?108mm巖芯管一根6.5m，?68mm鉆挺五立根67.5m，?50mm鉆桿四立根54m，?50mm鉆桿一單根4m，孔內事故鉆具全長132m，事故碰頭孔深736m。

4.2 5705孔事故分析及處理

事故發生后，決定下?50mm公錐下鉆撈取，結果鉆機設備離合器及鉆機大小傘損壞，現場等設備配件及修理用時48h；當5月7日下鉆用?50mm公錐撈取孔內事故鉆具時，?50mm公錐鉆具下不到736m碰頭事故頭位置，一直在725m孔深位置徘徊。

（1）事故發生后，成立了以工程處長為首的事故處理小組，工程技術人員分析，小小的跑鉆事故演變成埋鉆事故，是由于泥漿性能較差，護壁能力不強，致使上部15.60m厚的斷層帶坍塌造成的。

（2）事故處理方案一：采用下入?108mm管子（帶合金鉆頭）無水泵聯動和下撈渣管撈取孔內坍塌的斷層掉塊方法，此方法雖然每次都能撈出很多掉塊渣子，但是上部斷層帶一直坍塌，孔深始終無法向下部延伸。

（3）事故處理方案二：調整泥漿，使泥漿指標達到優質，pH值8～10，比重1.10～1.15g/cm3，粘度22～25s，失水量10～15mL/30min，目的有2個，一是把孔壁護好，防止孔壁坍塌加重，二是通過泥漿循環能把孔內渣子攜帶出來。但事與愿違，通過5d的泥漿調整和孔內循環，效果不盡如人意，隨泥漿返出孔外的只是顆粒直徑為1mm左右的小掉塊及細粒巖粉，下鉆至底，孔深仍在725m位置，甚至有變淺的趨勢，證明上部斷層位置孔壁不但沒護住，而且還在坍塌掉塊。

（4）事故處理方案三：事故處理到這時，似乎進入了死胡同。工程技術人員又通過反復研究、探討，隨決定反其道而行之，還是在孔內泥漿上做“文章”。從新鄭拉至工地膨潤土10t，用攪拌機打成原漿，每1m3原漿加入生石灰10kg，徹底更換孔內泥漿，利用比重大、大失水量的原漿機理，在孔內斷層破碎帶孔壁形成豆腐渣狀泥皮，使斷層破碎帶不再坍塌掉塊。通過一個星期的換漿循環，出現了預想的效果：孔內巖粉及直徑為5～10mm掉塊都隨泥漿循環被帶出孔外，一星期時間從振動篩和循環系統撈出巖粉及掉塊渣子達30車之多（鉆機現場配備的鐵皮小推車）。通過下鉆至底，鉆具很順利的達到736m事故頭位置。隨后便采用下反扣?50mm公錐“反扣返正扣”套一根返一根的方法，僅用2d時間就把孔內132m事故鉆具全部處理完畢。

5 埋鉆事故的預防

（1）鉆孔穿過松散破碎、容易坍塌的巖層或流砂層時，一定要采取有效的護壁措施。一般采用比重較大，失水量低，粘度適宜的泥漿就能解決問題，必要時還得使用粘土球固壁、水泥固壁，直至下套管護孔。

（2）加強泥漿管理。應經常檢查泥漿的性能指標，必要時要進行就能調整。污染后要及時更換新鮮泥漿，循環槽、水源箱、沉淀箱等應經常清理。

（3）保持水泵有足夠的泵量、泵壓。當泵量、泵壓不足時，不能湊合鉆進。鉆進中應避免沖洗液循環中斷，尤其是鉆進砂層、松軟巖層更應特別注意。提鉆前，應先沖孔，使孔內巖粉排除干凈，待提出機上鉆桿后，方能停泵。

（4）鉆具在孔內時不能停止沖洗液循環。因故修理水泵時，必須把鉆具提至安全孔段。

（5）鋼粒鉆進時必須帶取粉管。回次開始和終了都要用大泵量沖孔。當孔內巖、鉆粉超過0.3m時，應專門撈粉。在孔底巖粉較多的情況下，每次下鉆離孔底有一定距離時，即應開泵，邊沖洗邊掃孔，切忌一下到底。

（6）鋼粒鉆進時要正確掌握投砂量和送水量。鋼粒鉆進換硬質合金鉆進以及鋼粒鉆進換徑時，孔底鉆粉必須撈取干凈。

（7）處理其它事故時，防止同時發生埋鉆事故。當發生卡鉆、跑鉆、斷鉆桿等事故時，如果沖洗液尚能循環，千萬不要立即停泵，而應首先沖孔，再進行處理。如不能循環，應加速排除上述事故，以免鉆具在孔內放置過久而埋陷。

（8）為了防止不穩定孔段巖層坍塌，提鉆時應向孔內回灌沖洗液。

6 結語

（1）5705孔于2014年2月10日開孔，7月25日順利結束，達到了設計要求，終孔孔深1206.54m。其中事故處理用時15d，完成太原組上段灰巖含水層和下段灰巖含水層抽水2次。

（2）泥漿是鉆探的血液，泥漿指標的好壞決定著鉆孔的質量與成敗。事故處理完畢在后期施工過程中，及時調整了泥漿指標參數，使之達到正常值。

（3）埋鉆事故發生后要沉著冷靜，首先進行強力開泵沖孔，以求用沖洗液沖散坍塌物，并排出孔外。在強力開泵情況下竄動鉆具，并逐步擴大竄動的范圍。對于不太嚴重的埋鉆事故，這樣處理往往可以排除。

（4）反其道而行之，大膽嘗試，利用膨潤土原漿比重大、大失水量機理進行坍塌段鉆孔護璧及攜帶孔內巖粉，達到了預想目的，起到了令人滿意的效果。

[1] 陳良立，劉永峰，張建奎，等.河南省煤田地質局四隊《郟縣王集勘查區煤炭詳查報告》[R].2010.

[2] 煤炭部地質局.煤田地質鉆探（煤礦技術工人培訓教材）[E].1984：240-241.

P634.8

B

1004-5716(2015)09-0065-03

2015-01-06

宋繼坤（1966-），男（漢族），河南平頂山人，工程師，現從事煤層氣鉆井、煤田地質勘探技術工作。