劉家窯井田深厚砂礫巖地層鉆探施工實踐

桂儒佳

(大同煤礦集團大同地方煤炭有限責任公司)

劉家窯井田位于大同市左云縣南部，面積為38.98 km2，礦井設計生產能力為3.0 Mt/a。該礦井為同煤集團和中海油共同投資建設規模40億m3/a煤制天然氣的配套煤礦項目，是同煤集團轉型升級戰略的重要組成部分，也是同煤集團力圖打造以千萬噸礦井集群為主導的晉北煤炭綠色開采基地。

為給礦井建設提供可靠的地質資料，2015年8月開始對劉家窯井田進行補充勘探，截至目前井田內完成鉆孔38個，鉆探工作量達26 727.79 m。由于該地區白堊系砂礫巖地層深厚、地層復雜、斷層發育、煌斑巖侵入等諸多因素的存在，致使該地區鉆探難度巨大。經過不斷實踐探索后，形成了一套行之有效的針對深厚砂礫巖層的鉆進工藝[1]，積累了在深厚砂礫巖地層進行鉆探施工的寶貴經驗，順利完成了鉆探工作。本研究對深厚砂礫巖地層的鉆探施工工藝進行詳細分析，供相關研究借鑒。

1 井田概況

1.1 地層特征

劉家窯井田位于大同煤田西北部，屬于黃土半掩蓋區，基巖僅出露于溝谷兩側，山坡上有零星出露。井田內的地層由新至老分別為第四系、白堊系、二疊系、石炭系、奧陶系(表1)，主要含煤地層為石炭系上統太原組，主要可采煤層為5#煤層，煤層平均厚度為9.95 m，部分鉆孔內發現5#煤層被煌斑巖侵入引起煤層變質現象。地質孔終孔層位均為石炭系中統本溪組K1標志層，該標志層巖性為灰褐色石灰巖，層位較穩定，厚度為1.2～6.2 m，平均為3.17 m。

1.2 鉆探施工難點與重點

(1)白堊系左云組砂礫巖地層深厚，平均厚度為524.79 m，巖石膠結性差，結構松散，礫巖粒徑大，鉆進阻力大，透水性強，鉆進砂礫巖地層時，由于鉆頭回轉，礫石產生松動并隨鉆頭回轉而發生不規則運動，造成孔壁不穩定[2]，極易發生掉塊卡鉆、鉆桿斷裂、塌孔埋鉆等事故，導致鉆進效率急劇下降。選擇正確的鉆進方法，以便順利快速穿過砂礫巖地層，提高砂礫巖層鉆探效率和成功率是該地區鉆探施工的難點。

表1 劉家窯井田地層特征參數

(2)泥漿護壁要求泥漿不僅有適當的結構強度，便于攜帶巖屑，有利于穩定孔壁，防塌防漏，而且還應具有良好的抑制性，抑制黏土分散、泥巖造漿、黏度和密度上升，同時要求泥漿具備漏失量小、防卡、防黏、防塌等性能[3]，形成的泥餅薄而韌，以便提高沖洗液的護壁性能，減少鉆桿對地層的擾動，確保沖洗液液柱壓力大于地層坍塌壓力，從而達到防止松散地層孔壁坍塌的目的[4]，為鉆探施工的重點。

(3)井田地層構造復雜，斷層多、落差大，褶皺、裂隙發育，部分鉆孔見陷落柱、流沙層，特別是5#煤層部分被煌斑巖侵入，在鉆進至煤層時突遇煌斑巖后，對鉆壓、轉速、泥漿的控制要求較高，稍有疏忽極易發生燒鉆、漏采現象，造成煤巖芯采取率低。因此，提高巖礦芯采取率，確保施工質量，滿足地質設計要求也是井田鉆探施工的重點[5]。

2 鉆探工藝

2.1 鉆進方法及鉆孔結構

根據井田地層特點，近年來井田內的多數鉆孔主要采用普通雙管鉆進方法，部分鉆孔采用繩索取芯鉆進方法。由于普通雙管鉆進方法技術成熟、操作簡單、成孔率高，在井田內積累了大量經驗，得到了大規模推廣，故本研究重點分析該方法。該方法采用φ130 mm+3 mm復合片鉆頭開孔，穿過白堊系左云組砂礫巖地層進入穩定基巖0.5～1.0 m后，下入φ114 mm套管護壁，而后更換φ91 mm+3 mm復合片鉆頭鉆至終孔目的層K1灰巖下，且終孔深度必須保證所用測井儀器測至最終目的層以下5 m[6]。

2.2 鉆進設備及機具

本研究鉆進工作采用的鉆探設備為HXY-6B型鉆機、3NBB-260型泥漿泵、17 m四腳鉆塔以及φ114 mm套管，鉆頭采用φ130 mm+3 mm、φ91 mm+3 mm金剛石復合片鉆頭，采用加大鉆頭外徑一次性成孔的方法，目的是增大鉆孔與鉆具、鉆桿的環狀間隙，減少沖洗液上返阻力及環空壓力，避免泵壓過高，減少對孔壁的沖刷[7]，同時避免孔壁縮徑或孔壁上有探頭石導致套管下不到預定位置，可有效解決套管下入不順暢的問題。若采用小孔徑鉆進再擴孔下套管方法，則會破壞孔內原有的壓力平衡，使得孔壁上破碎巖石在地層壓力的作用下向孔內移動形成掉塊，擴孔時需要重新形成泥皮護壁，相當于重新鉆進，鉆探效率則大打折扣。而采用大口徑一次性鉆進至基巖再下套管的方法，能夠節省擴孔時間，提高鉆探效率。

2.3 鉆進技術參數

在一定條件下，轉速越快，鉆速也越高。根據薩爾基索夫研究理論，鉆桿的彎曲度與鉆壓、鉆速均成正比，彎曲的鉆桿在旋轉過程中必然會敲擊和摩擦孔壁，造成孔壁不穩定[8]，此外，彎曲的鉆桿對鉆孔軌跡也會產生影響，造成孔斜。劉家窯井田鉆進技術參數見表2。

表2 鉆進技術參數

2.4 泥漿系統

2.4.1 泥漿配方

根據井田地層情況，本研究選用鉀銨基聚合物優質低固相泥漿作為全孔沖洗液，采用鉀銨基聚合物優質低固相泥漿(KHm-NH4-HPAN)能夠保持沖洗液的低密度、低失水、高剪切、流動性、潤滑性，有利于提高鉆探效率。在鉆進過程中，可以減少環空阻力、壓力激動，防止對孔壁的沖刷，實現平衡鉆進，保護孔壁穩定，同時減少對巖礦芯的沖刷，提高巖礦芯采取率。泥漿配方為：膨潤土(含量為1%～2.5%)+增黏劑(KP241)(含量為1.5%～2.5%，主要成分有優質鈉土、聚丙烯酰胺和腐植酸鉀)+水解聚丙烯腈銨鹽(NH4-HPAN)，根據地層變化情況，部分鉆孔可增加腐植酸鉀(KHm)(含量為0.5‰～1‰)、廣譜護壁劑(GSP)(含量為0.2%～0.5%)以及810隨鉆堵漏劑(含量為0.3%～1%)，以進一步降低泥漿的慮失量，增強漿液的流動性，提高防塌、防卡、防漏效果。

2.4.2 泥漿作用機理

聚合物(PAM、NH4-HPAN)的高分子長鏈溶入破碎帶及松散層后，形成富集層，并橫向封閉巖石的微細裂縫，有利于保持破碎巖石結構穩定。當濃度一定時，大分子長鏈在孔壁上多點吸附形成憎水膜對黏土顆粒起到包被作用，控制沖洗液自由水向孔壁滲透，此外，泥漿體系中GSP和801堵漏劑共同作用于孔壁上，能夠形成一種特殊的水化膜，有利于保持孔壁穩定。

2.4.3 泥漿配制

應嚴格按照比例配制基漿，充分攪拌均勻，時間大于20 min，而后將KP241按比例邊攪拌邊撒入，不得快速倒入，攪拌約10 min，將NH4-HPAN按照比例緩慢倒入，繼續攪拌約5 min，若需調節，可按順序再繼續加入KHm、GSP、810隨鉆堵漏劑，攪拌均勻即可。配漿過程中應充分攪拌，泥漿使用過程中需要經常清理循環系統，循環系統應防止雜物污染，循環槽長度不宜短于15 m，沉淀池不少于2個[10]。

2.5 套管護壁工藝

在復雜地層鉆進過程中，鉀銨基聚合物優質低固相泥漿的護壁作用不容忽視，但其孔壁穩定的維護作用具有時效性，當鉆孔周期較長，孔壁在外部物理化學作用下失去穩定時，單純采用泥漿護孔難以確保孔內安全[11]。為此，本研究采用沖洗液和套管相結合的綜合護孔方法，并結合典型事故案例來分析采用該方法的必要性。①案例1，井田內P603孔在穿過白堊系左云組砂礫巖層時，為節約鉆探成本，未下入套管護壁，在施工孔深至550 m時發生掉塊卡鉆、鉆桿折斷事故，在處理事故的20多天內又發生了塌孔埋鉆事故，最終被迫放棄處理，挪孔重打；②案例2，井田內L302鉆孔深842.94 m，白堊系左云組埋深672.51 m，施工方僅下入長為357.35 m的套管進行護壁，雖然該孔打至目的層，但在測井過程中，由于礫巖層深厚，套管未下入基巖位置，未套管護壁的礫巖段發生掉塊，將測井探管卡于孔深830 m 處，上下無法活動，施工方盡管組織了多名專家進行研討，采用了多種方法進行打撈，但仍發生了將放射源遺落孔內的事故，造成了較大的經濟損失，并嚴重影響了施工工期。因此，在鉆孔穿過砂礫巖層時應根據具體的鉆進情況，適時下入套管護壁，不可強行裸孔鉆進，同時套管必須下入至穩定基巖位置以下0.5～1 m處，套管不僅僅起到護壁的作用，而且能夠保障測井工作順利進行，避免上述類似事故發生。下套管時的注意點有：①套管下端應安裝套管鞋和木引鞋，在套管外壁涂抹黃油類潤滑劑并在潤滑層外纏繞一層PVC塑料薄膜，薄膜外再涂抹一層黃油；②下管時套管螺紋應擰緊，每節套管螺紋應涂抹松香防滑劑或其他防脫扣材料，擰卸套管時禁用管鉗或自由鉗[12]；③下管時應嚴格控制下管速度，中途遇阻時應提出套管，重新通孔，嚴禁采用沖擊或開車強力扭轉處理；④泵入套管與孔壁環狀間隙中的泥漿應具備良好潤滑性能[10]。

3 巖礦芯采取工藝

在井田內上部白堊系地層已熟知的情況下，該層位采用百米取芯判層方法，即每100 m取芯1次。采用百米取芯判層方法能夠節省非鉆時間，減少下鉆次數，減少鉆桿對孔壁的擾動，降低勞動強度。穿過白堊系砂礫巖層后開始采用普通雙管鉆具采取巖芯。為提高巖礦芯采取率，可采取的措施有：①復雜地層鉆進時應限制回次進尺，一般不超過1.5 m；②回次鉆進時間不超過1 h，嚴禁片面追求進尺而延長回次鉆進時間，忽視巖礦芯采取率；③精心操作，動作平穩，防止提鉆過程中巖礦芯脫落；④鉆進過程中保持壓力均勻，嚴禁隨意提動鉆具造成巖礦芯重復破碎而流失；⑤鉆進過程中發現巖芯堵塞時應及時提鉆，以減少巖礦芯磨耗；⑥鉆進過程中應嚴格按照配制要求使用泥漿，控制泵壓、泵量，以保持孔壁穩定[5]。

4 鉆進效果分析

本研究采用新的鉆進工藝共完成了38個鉆孔，鉆探工作量達26 727.79 m，P603鉆孔因采用普通泥漿且未使用套管護壁，造成報廢，報廢工作量達550 m。鉆孔情況及技術指標見表3。

表3 鉆孔情況及技術指標

綜合分析可知，采用優質泥漿和套管護壁工藝相結合的綜合護孔方法具有孔內事故少、施工周期短、鉆探效率高、無塌孔現象等優點，有助于降低鉆探施工成本[13]，而采用普通泥漿且未套管護壁的方法后，孔內事故多，施工周期長，隱患巨大，易造成鉆孔報廢和大量經濟損失。

5 結 論

(1)采用優質泥漿和套管護壁工藝相結合的綜合護孔方法可以確保鉆探施工高效進行，能夠滿足在特厚砂礫巖地層鉆進時保護孔壁、防掉塊、防坍塌、提高鉆進效率的要求。

(2)鉀銨基聚合物優質低固相泥漿相對于普通泥漿砂而言，在礫巖層及破碎復雜地層中的應用效果更好，維護方便。

(3)套管必須下入堅硬基巖層，套管護壁工藝的應用保障了鉆探及測井的安全性，防止掉塊卡鉆，無遇阻夾卡測井儀器的現象。

(4)鉆進中提下鉆操作升降機時應平穩，減小慣性作用，嚴禁鉆頭猛沖孔底，嚴禁使用彎曲鉆桿，避免碰撞敲打孔壁，確保孔壁穩定。

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