钻孔钻进工艺研究

钻孔钻进工艺技术研究一、巨厚层松散层的钻进工艺（一）研究现状：在巨厚松散层中进行取芯钻探是煤田钻探生产的一大难题，往往要耗费大量的人力和物力，钻探技术经济指标也因此而受到严重影响。

通常的钻进工艺包括采用泥浆护壁的裸眼钻进和采用套管护孔钻进。

采用泥浆护壁的裸眼钻进方法虽然工艺简单，但若泥浆的性能和类型不合适，则易引起钻孔缩径或塌孔等现象，导致夹钻、埋钻等孔内事故的发生；或者造成岔孔，导致找不到老孔的情况发生，严重时可造成整个钻孔报废。

而当松散层下部或基岩中发生严重漏失、提钻后没有及时灌孔时，孔内静水位的突然降低，造成孔壁静水压力减少，导致孔壁坍塌，埋钻事故的发生。

（二）双层套管隔离巨厚松散层钻进方法在巨厚松散层中钻进时采用套管护孔一方面可以确保孔内安全钻进，避免坍塌等复杂情况，实现快速钻进；另一方面，由于套管消除了冲洗液壁的冲刷作用、升降钻具时的压力激动、以及钻具壁的敲打等几方面的不利因素，扩大了钻进规程的选择范围，为高效钻进下部基岩创造有利条件。

1、设计及施工中影响套管安全的因素套管在复杂地层中作用是隔离不稳定层，对其起保护作用。

由于这时套管充当着新的孔壁，对钻具起导向作用，因此，套管既要承受钻具旋转时的碰撞敲击等破坏作用，又要遭受孔壁膨胀缩径和坍塌而导致起拔困难的危险。

为保证套管的安全，必须尽最大努力消除可能的隐患。

设计及施工中影响套管安全的因素有钻孔结构设计、钻进规程、冲洗液性能、冲洗液的漏失和水侵；还有因钻孔弯曲或超径等原因造成套管不能在孔内保持正直，均可导致套管内壁严重磨蚀，甚至导致钻进过程下部套管断裂脱落等事故。

2、套管隔离液基于上述分析，作者等人根据活度平衡原理研制出了一种特别的油包水乳状液体，将其放置在套管与孔壁问的环孔内。

该液体既能防止套管腐蚀，平衡地层的压力，又能降低套管与孔壁之间的摩擦，并保持套管安放期间孔壁的稳定。

套管隔离液的具体性能如下：具有润滑性，以减少套管与孔内问的摩擦力；能抑制松散冲积层的膨胀、坍塌等不稳定现象，保持孔壁的稳定；其静液柱压力能与地层构造压力相平衡，避免坍塌的发生；防止套管腐蚀，套管的腐蚀源除来自地层的酸气及各种类型矿化地层水外，冲洗液处理剂在细菌作用下也会产生有害物质。

同时，盐水及各种钾基冲洗液体系本身就是强腐蚀介质，冲洗液在循环流动搅拌过程中所带入的氧更使腐蚀过程复杂化；由于隔离液长时间存放在孔内而不作周期性检查，所以，上述各项性能需具有长期稳定性。

（三）采用此钻进方法的意义1、采用双层套管隔离巨厚松散层，内外层套管相互起保护作用，有利于一次强力起拔套管成功和防止或减少套管丢失的优点。

2、地质勘探取芯钻进过程中采用隔离液是现阶段用于对付强水敏性复杂地层最为有效的方法。

这种隔离液能完全抑制住地层中蒙脱石的水化膨胀，并且该液体具有良好的润滑性和防止套管的腐蚀作用，其防塌效果良好。

实践证明，该种隔离液相比于目前使用的其它类型的钻进冲洗液具有一定的优越性。

3、采用双层套管隔离巨厚松散层，并在套管起拔时采用隔离液保护，可实现在巨厚松散层中顺利钻进。

相比现阶段国内采用的其他巨厚松散层钻进技术，具有一定的创新性和可行性。

二、复杂松软煤层中风压钻进工艺（一）研究现状随着矿井瓦斯治理技术的不断完善, 无保护层可采煤层采用顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯成为主流技术, 它能确保采掘工作在无突出威胁和低瓦斯含量条件下进行, 为采掘工作创造了安全环境, 抽取瓦斯成本也相对较低。

但由于顺煤层长钻孔施工困难, 尤其对复杂松软、瓦斯压力大的突出煤层, 通常孔深达不到瓦斯治理要求, 而且孔内事故频发,钻孔施工效果难以令人满意。

鉴于此, 顺煤层钻孔施工的设备研发、工艺探索等成了煤炭行业及专家们最为关注的问题。

（二）中风压钻进工艺技术针对祁南矿32煤层煤与瓦斯突出、瓦斯压力大这一问题, 祁南矿在34下3运输巷进行了复杂松软煤层中风压钻进的试验与应用, 取得了很好的瓦斯抽放效果, 配套使用的自制的孔口除尘、瓦斯、集渣一体化装置有效解决了中风压钻进中的粉尘问题。

1、中风压钻进工艺参数中风压钻进工艺参数主要指钻压、转速和风量，三者在一定条件下相互影响，其中钻压和转速对钻孔轨迹的影响更为明显，尤其是在近水平定向钻进过程中，钻压可以保证钻头切削刃切入岩石和矿层，而且在使用稳定组合钻具时，钻压的大小还决定着靠近钻头部分钻杆弯曲强度的大小，从而影响钻孔轨迹的变化，具体分析如下：1) 在不考虑其他影响因素及转速不变的情况下，加大钻压会使水平孔的偏斜趋势加强，特别是在钻孔已出现明显弯曲的情况下，大钻压对近水平孔的影响不仅表现在倾角的变化上，而且也表现在方位角的变化上。

2) 在煤层中钻进，钻压越大，钻头钻入量就越深，切削的颗粒就越大，不容易被冲出孔外，在钻孔下方形成堆积，钻杆在堆积物的支撑作用下，迫使钻头切削煤层上侧机会更大，因而使钻孔轨迹上斜。

3) 无论是在均质还是在非均质地层内, 钻头转速的高低均对钻孔轨迹产生一定影响。

在采用低转速进行近水平钻进时, 由于重力作用, 钻头总是处于钻孔的下侧孔壁, 使下侧孔壁岩石的切削时间多于上侧孔壁, 这样就使钻孔轨迹向下偏斜。

4) 压风在钻进过程中的主要作用是冷却钻头和排除孔底煤粉，它的大小不仅影响钻进效率，而且影响钻孔轨迹的控制。

在上仰孔施工中，由于重力作用，煤屑容易被排出，对风量的要求不高；在下斜钻进时，为了使孔底干净，防止钻头底部堆积煤屑形成岩桥而使钻头上翘，风量应相对大些。

5) 要有效控制钻孔轨迹, 在合理选用钻具组合的同时, 必须注意调节钻进工艺参数, 钻压过小、钻头进尺速度较慢, 易造成钻头钻具的磨损而使钻孔发生偏斜; 如果泵量较小, 不利于携带岩粉, 堆积的岩粉易使钻孔上斜。

6) 普氏系数f 值与风量(风压)、钻进压力供给关系: 当f 值偏小时, 煤层比较松软；当 f 值偏大时, 煤层较硬, 钻进压力过小会降低钻进速度或不能钻进, 所以钻进压力需要增大。

在软煤层钻进中, 最关键的工艺参数有钻进压力、钻速、风压及风量, 只有针对不同的煤层选择合适的工艺参数, 才能保证正常钻进和孔的成形及深度。

2、钻进施工工艺采用上述方法进行钻孔施工时, 必须注重施工工艺, 控制好给风量和给进压力。

1）稳装钻机是保证较大孔径、中深钻孔实施钻进的首要条件, 可确保钻机主机的动力头、夹持器、设计钻孔孔位在整个钻进中保持在同一直线上；2）开孔的三要素为: 轻压、慢转、小风量。

开孔时可以施加外力, 保持钻杆稳固不摆动。

另外, 钻机安装的位置不宜离煤壁太远, 适当的距离可以减小钻杆的摆动和克服一定的切向力作用；3）中风压钻进时应注意观察流量计及各压力表, 显示的数据可以反映出孔内情况。

软煤不宜用大风压钻进, 风量依据孔内情况、排渣情况等及时调整。

钻进中要注意风量、风压显示有滞后性；4）软煤层施工钻机的给进压力不可太大, 要缓慢钻进(正常钻进时的系统压力一般为8MPa左右, 系统压力超过10MPa, 要立即停钻, 查找问题)；5）密切注意排渣, 有问题不能加杆钻进；钻进、起拔时, 要时刻注意孔内情况并观察压力表, 千万不可冒进；6）拔钻时, 要带小风量, 慢钻起拔。

（三）其他注意事项需要注意下述问题: 钻速低, 要提钻; 钻速突降, 要提钻; 系统压力上升, 要追查原因; 孔内异响, 有可能发生孔内事故。

7) 钻进中, 时刻注意孔内异常现象, 孔口随时留设水管、喷雾8) 要注意移动空压机的高速风流, 每班施工前要检查供风管各接头是否稳固, 小心高压风冲出伤人。

三、龙永煤田绳索取心钻进工艺（一）研究现状龙永煤田地质构造复杂、岩层倾角变化大、断层破碎带多以及上部存在老窑、采空区等因素，在应用金刚石绳索取心钻进施工中，钻孔事故率高，辅助时间多，纯钻时间少，钻月效率低，同时使得在利用金刚石绳索取心钻进时，钻杆与孔壁环状间隙小，造成冲洗液循环阻力大，泵压高；上下钻具产生激动和抽吸作用亦对孔壁造成一定程度的影响；钻孔施工时存在的掉块、坍塌、漏失，造成钻孔严重超径现象，导致断钻杆事故频繁发生；坚硬岩石“打滑”现象,给绳索取心钻进工艺带来了极为不利的影响的问题，这些问题严重影响着钻进效率的提高，制约着绳钻技术优势的发挥。

（二）破碎带锚固成孔偏心跟管钻进施工工艺通过认真总结绳索取心钻进过程中存在的问题和经验教训，分析查找钻进效率低的关键问题，确定了绳索取心钻进技术的主攻方向，逐步解决了绳索取心钻进中的许多技术上的关键问题，提高了生产技术管理水平，完善了工艺技术措施，钻月效率逐年上升到600m 以上，取得了良好的经济效益。

1、增大钻具与孔壁的环状间隙.金刚石绳索取心钻进钻孔与钻具的环状间隙小，泵压高，对孔壁的冲刷破坏现象较为严重。

原来使用合金、钢粒钻进工艺不会发生漏失、坍塌的地层，采用绳索取心钻工艺后出现了漏失、坍塌现象。

在推广绳索取心钻进工艺初期，采用Ф75mm、Ф76mm 口径钻进，存在着较为严重的孔内漏失、坍塌，特别是在复杂地层(松软、漏失、构造破碎带、较厚的粉煤层) 孔段尤为严重。

由于钻孔环状间隙过小，泵压高，冲洗液上返速度快，冲刷力强，起下钻具时抽吸作用和产生激动压力大，往往容易造成孔壁掉块、坍塌。

2、钻孔结构及钻具级配根据龙永煤田地层特点和几年来的实践摸索，钻机仅配单一的Ф77mm 钻具，在较复杂的地层无法满足多级钻孔结构施工的需要。

上部遇到坚硬的翠屏山砂岩，使用合金钻头钻进钻效极低，有必要增加一径Ф95mm 口径。

绳索取心钻具采用三级配套(即Ф95mm、Ф77mm、Ф59mm)的方式。

3、金刚石钻头的选择与使用龙永煤田构造复杂，软硬不均，岩石为中硬—硬，其中的坚硬岩石可使金刚石钻头产生“打滑”。

为了解决金刚石钻头对岩石的适应性问题，选择高强度的孕锒金刚石钻头。

4、配制不同性能的冲洗液根据绳索取心钻进的特点以及所施工的地层，选配各种不同的冲洗液，是减少孔内事故，提高钻进效率，保证钻探顺利进行的重要措施。

按照金刚石绳索取心钻进要求开高转速的特点，要求冲洗液具有以下的性能：①具有良好的润滑性；②良好的流变性和剪切稀释作用；③具有低粘、低切力、低密度；④不含或少含固相，以防钻杆内壁结垢。

5、惰性材料堵漏龙永煤田地层绳索取心钻进过程中普遍存在着不同程度的钻孔漏失，其漏失部位主要存在于上部的翠屏山组岩层、构造破碎地层以及岩层间接触带。

漏失程度从渗透性漏失、小溶隙、裂隙性漏失到大裂隙和空洞性漏失。

个别钻孔出现漏、涌并存，钻进时漏失，停钻时涌水，冲洗液的质量难以保证，特别是孔内岩石破碎同时又存在着严重的漏失的钻孔，给绳钻施工造成很大的困难，针对地层的漏失特点以及漏失的不同程度，采用不同的堵漏工艺材料，才能取得较好的成效。

（三）实践成效通过钻探施工实践和科研攻关，针对钻进过程中存在的钻孔掉块、坍塌和漏失等复杂情况，采取增大钻杆与孔壁间的环状间隙、上部套管隔离、不同类型的优质泥浆护壁和隋性材料堵漏等工艺技术措施，初步解决了钻进过程中遇到的孔内复杂情况，减少了孔内事故的发生，提高了纯钻时间利用率。