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。