绳索取芯施工技术

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，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φ 110 、二开φ 95 、三开φ 77为常用的钻孔结构。

(2) 对上部较复杂、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φ 130 或更大、二开φ 110 、三开φ 95 、四开φ 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

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 ）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46 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

表 3 钻探施工主要经济技术指标

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φ 75 到φ 76 到φ 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φ 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