复杂地层钻探安全影响因素与防范对策论文_李志勇

李志勇

身份证号码：13050319750925XXXX 河北邢台 054000

［摘要：煤矿井下地质和水文地质钻探是解决安全生产中各种地质问题的重要手段，地质和水文地质钻探中经常遇到复杂的松软破碎地层、地质构造等，造成钻孔孔壁不稳定而发生掉块、坍塌、排粉困难和卡钻、埋钻现象，容易导致钻孔成孔率低甚至孔内事故等严重问题。因此，应高度重视影响钻探施工安全的关键性问题及产生原因和危害，探索研究复杂地层钻探安全隐患的解决方法，保证钻探施工高效、有序、顺利地开展。

关键词：井下钻探 危险因素 防范对策

［1 影响钻探的主要安全因素及风险分析

［新河矿业公司施工井下放水试验钻孔过程中，出现塌孔和卡钻、埋钻事故多发及成孔率低的难题，而发生塌孔的原因就是构造复杂、地应力集中，以及地层破碎松软。软岩钻孔施工过程中更为不利的安全因素还有岩粉排出因难，这大都与设备能力及冲洗液有关。

［1.1 构造复杂区地应力集中

［受井巷工程条件的限制和技术设计的需要，井下地质和水文地质钻探工程有时布置在复杂断层附近或褶曲构造的轴部。地层中断裂、褶皱、隆起和凹陷等地质构造，对地应力均有程度不同的影响，在地应力场中起着主导和控制作用。钻孔布置在构造复杂、地应力集中区域，是造成缩径、套管错断、孔壁坍塌、排粉困难、甚至埋钻事故的一个重要因素。

［1.2 复杂地层稳定性差

［矿井石盒子群地层主要由中、细砂岩和杂色泥岩、粉砂岩组成；山西组地层主要由中、细砂岩及粉砂岩、泥岩和煤层组成，松软的泥岩层遇水后具有较大的膨胀性、流变性，稳定性极差。钻孔穿过石盒子群和山西组地层，易于变形，或者坍塌堵孔造成排粉不畅，甚至发生卡钻、埋钻事故。

［1.3 钻探设备落后

［目前常用的煤矿坑道钻机，普遍存在转速调节范围窄、扭矩小、技术性能和工艺适应性弱、安全可靠性差等设备能力不足的问题，难以满足大直径、深立孔钻探的安全需求。主轴通孔直径小，配套钻杆Φ42~50mm，强度低、孔内事故处理能力差，钻具受压过重，易成弯曲状态，转动过程中发生剧烈振动，对孔壁的稳定性产生破坏影响。

［1.4 钻孔冲洗液种类单一

［单一地使用清水作钻孔冲洗液，并受井下生产供水系统水压和供水量波动的严重影响，而不随钻孔孔径、孔深、钻穿岩层的变化需要进行合理调节，致使泥岩糊死钻头、钻杆在孔内夹死甚至无法转动、岩粉排出困难、埋钻等问题时常发生，很难达到钻孔安全钻进的目的。

［1.5 深孔排粉能力不足

［采用清水钻进，定水头静压供水和供水量不足，都极不利于钻孔排粉。孔径越大、钻进越深，排粉就越困难，并导致钻进负荷的增加。在接换钻杆、提下钻具等施工环节上或因故停电、停水时，重力作用下沉淀堆积孔底的岩粉，不仅增加钻进阻力，还易造成埋钻事故。

［2 钻探安全问题的防范对策

［2.1 优化钻孔结构

［钻孔结构是保证顺利钻进的前提，直接影响钻探工程的安全和质量。复杂地层深孔钻探，钻孔开孔孔径要较设计孔径增大一级，钻孔结构增加一级，以留有孔内事故处理条件；孔壁稳定的情况下，可直接由一级套管结构转入三级套管结构，钻孔结构相应减少一级。

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［2.2 钻探设备要适应工程需求

［钻探设备受煤矿井下特殊施工环境的限制，空间狭小，运输、安装拆卸不便，大型设备不方便使用。应选用适用性强、钻进效率高、操作安全、移动搬迁方便、适应井下软岩施工环境要求的专用设备是保证高效成孔的关键。全液压动力头式液压钻机是岩芯钻探发展的方向和趋势，在目前通用钻探设备技术基础上，针对性地选取钻进效率高、扭矩大、解体性好的ZDY-4000S 型煤矿用全液压坑道钻机，并对配套钻具进行优化，较好地满足了软岩地应力集中区复杂地层钻孔要求。

［2.3 配套选取钻具

［软岩地层钻进宜采用复合排粉钻进技术，即以水力排粉为主、螺旋排粉为辅的钻进技术。因此，配套选取整体式三头大导程大通径宽翼片凹槽地质螺旋钻杆，杆体采用异型钢材，抗疲劳强度、抗剪切强度和抗弯强度高；大通径设计供液量大；三个宽翼片增强了搅粉的排粉能力，使孔内岩粉发生堆积的几率大大降低；凹槽螺旋结构起到辅助排粉的作用，从而实现持续钻进的目的。三头大导程大通径宽翼片凹槽地质螺旋钻杆排粉，能够获得较高的钻进效率，十分适用于岩石比较松软地层钻进。

［2.4 供液设备选型要合理

［泥浆泵的选择，以保证及时有效地排出岩粉和冷却钻头为前提，根据冲洗液的单位时间所使用体积量来确定，并具有较大的泵量调节范围和可靠的压力控制能力，最好具有随供液压力变化而自动调节排量的性能。合理确定冲洗液量，是保证正常钻进、获得良好钻进效果的重要因素。3NB-320/8-30型泥浆泵具有两种缸径，额定供液量为118~320L/

min，可根据实际和孔深分四级调节供液量及供浆压力，适合于软岩钻孔高压力、大流量供液钻探施工要求。

［2.5 防止浆液逆流堵钻

［装拆钻杆或更换冲洗液时，因冲洗系统停止加压，孔底浆液在岩粉的作用下压力大于钻杆内部冲洗液压力，孔底浆液易经钻头进入钻杆内孔，堵塞钻杆。为避免浆液堵塞钻杆，在首节钻杆与钻头之间安装浆液逆止阀。正常工作时，钻杆内冲洗液经泵站加压压力大于孔内浆液压力，冲洗液推动阀块下移，阀打开，冲洗液经冲洗液端、压盖内孔，进入浆液端进行清洗钻孔工作。在装拆钻杆或更换冲洗液时，因冲洗系统停止加压，孔底浆液在岩粉的作用下压力大于钻杆内部冲洗液压力，孔底浆液经浆液端推动阀块上移至压盖内孔位置，逆止阀关闭，孔底浆液与钻杆内冲洗液隔离，有效避免了孔底浆液经钻头进入钻杆内孔，提高钻孔工效。

［2.6 改进钻进方式和工艺

［钻探区域地层层序正常、清楚，因此采用金刚石无芯快速钻进为主、目的层局部取芯的钻进方式。通过试验、摸索和不断地积累经验，总结出适合于不同孔径、不同地层的金刚石钻进钻压、转速、泵量三者间的合理配合参数，控制钻压在4~7MPa、转速在100~140r/min、泵量在230~320L/min 范围内，取得了高应力区软岩钻进高效成孔的良好效果。

［2.7 合理确定冲洗液及排粉方式

［采用以水力排粉为主、螺旋排粉为辅的复合排粉钻进方式，根据钻进情况实时调整冲洗液的种类和浓度，保证钻孔内冲洗液有效循环，既达到排粉的目的，又保护孔壁有效防塌。孔深100m 以浅以清水钻进为主，通过专用泥浆泵供送动压循环水排粉；孔深100m 后则采用PAM 水溶液配制絮凝剂定孔深、定量洗孔排粉，并根据进尺合理调整絮凝剂的浓度，保证施工进度和钻孔安全。

［4 结论

［经过钻孔施工过程中对取芯情况初步推断，双柳F28 断层可能在迎头前方11m 左右。同时由于钻孔内水压大，注浆偏少，暂时不能判断水源及导水通道情况，但基本可以判定暗斜井掘进前方巷道顶板富水量小。

［参考文献：

［［1］ 万红丽. 煤矿水文地质勘探问题及对策探析[J].技术与市场.2014 (9):56-62.

［［2］ 李风华. 煤矿水文地质勘探现状及新的勘探技术分析[J]. 煤炭技术.2015 (2):89-93.

［［3］ 刘超. 探讨煤矿水文地质勘探现状及勘探技术[J].科技风.2015 (8):78-82.

论文作者:李志勇

论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期

论文发表时间:2018/6/21

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