1、繩索取芯鉆探在復雜地層礦區施工技術措施彭步濤（福建省 121 煤田地質勘探隊，福建 龍巖 364021 ）摘要： 該文主要論述了繩鉆技術在復雜地層煤田勘探礦區中研究應用情況及取得的效果，即從鉆孔結構沖 洗液技術、護壁堵漏技術、鉆具配套及硬巖鉆進等方面進行了有效的探索和應用，對類似礦區施工具有較 強的實踐性和指導意義。主題詞： 繩索取芯鉆探技術 ; 施工措施 ; 含煤礦區復雜地層“科學技術是第一生產力 ”。這是鄧小平理論對馬克思主義科技理論的重要貢獻，在這一理論的指導下， 我國的科學技術水平出現蓬勃發展的局面。 作為煤田地質勘探專業隊伍的福建省 121 煤田地質勘探隊， 從 上個世紀八十年代中期

2、為加快勘探步伐，縮短勘探周期，依靠科技進步，積極推廣應用繩索取芯金剛石鉆 進技術（以下簡稱繩鉆技術）；經過二十多年的努力和探索，使繩鉆技術不斷完善，鉆進效率和勘探質量 明顯提高。二十二年來累計完成鉆探進尺 48.4 萬米，在閩、云、貴、川等省份探明煤炭儲量 50 余億噸， 為當地的經濟建設做出突出貢獻。 通過多年對該技術的研究和應用， 使福建省 121 隊的鉆探技術競爭力不 斷提高，繩鉆技術應用水平達到國內領 先。1 含煤田地層的基本特點煤田勘探施工的主要區域分布在福建、云南、貴州、四川等省份。福建煤田地質主要勘探對象見三疊紀 童子巖組，童子巖組之上由翠屏山組所覆蓋，為非煤系地層，主要巖層見泥

3、巖、粉沙巖、細粉砂巖和中粒 沙巖。云、貴、川主要含煤地層為二疊系上統龍潭組，主要巖性以粉砂巖、細砂巖、泥質砂巖、粉質泥巖 為主，而覆蓋其上部的三疊系個舊、永寧鎮組以灰巖為主。福建省 121 隊煤田勘探礦區按鉆探施工技術要求，有如下幾個特點：（ 1 ）鉆孔漏失嚴重為主要特點。特別是永寧鎮組、個舊組中的 石灰巖溶洞發育，溶洞最大達 20 米 。 童子巖組的風化帶和斷層破碎帶也是主 要漏失區，屬裂隙裂縫性，有時也出現小溶洞，并有地下水活動。 另外，由于繩鉆工藝環空間隙小，泵壓損失大，常使地層失去平衡以致誘發漏失。（ 2 ）孔壁坍塌也是繩鉆工藝施工中常見現象，坍塌常出現在斷層破碎帶中。另外，在厚煤層中

4、（特別 見粉煤層）鉆進，由于鉆孔護壁不穩定，上下鉆具操作不當也易引起煤層坍塌，這種現象在各勘探區都經 常遇到。（ 3 ）硬巖 “打滑 ”地層，在翠屏山底部約 40m ，屬硅質膠結的石英砂巖。同時，含有少量的隧石，巖 石硬度在 X 級以上。采用一般金剛石鉆頭鉆進其效果差，鉆效低，新鉆頭投入使用后很快被磨鈍而打滑 不進尺。（ 4 ）煤系中煤層多，一般鉆孔都可見煤層十幾層，煤層有塊煤、粉煤兩種。粉煤取芯難度大，若操作 不當往往造成采取率達不到要求致使鉆孔質量降級。5 ）巖層傾角變化大，軟硬互層頻繁，屬易斜地層(6 )龍潭組中部分泥巖遇水膨脹，鉆進中發生縮徑現象，對泥漿性能要求高?？傊?，煤田地質工作條

5、件的特點綜合反映了南方各省普遍岀現的硬、脆、碎、漏、塌、斜、脹”的復雜面貌，直接影響鉆探效率和鉆孔質量的提高。2繩鉆施工技術的研究和應用2.1對鉆孔結構的設計和選擇鉆孔結構設計和選擇正確與否，直接影響鉆探效率的提高和施工成本的降低，該項工作對鉆孔的順利施 工影響極大。因此，根據客觀條件選擇合理的鉆孔結構是保證繩索取芯鉆進正常進行的重要條件，可以減 少重復擴孔和起下技術套管的程序和時間，從而提高鉆進效率。(1) 對構造簡單、開孔為煤系地層且鉆孔較淺、巖石較完整的礦區，一般選用2-3級鉆孔結構，下1-2層技術套管。如一開 © 110、二開© 95、三開© 77為常用的

6、鉆孔結構。(2) 對上部較復雜、無煤系開孔的鉆孔、或存在灰巖溶洞的礦區，一般選用4-5級鉆孔結構，利用技術套管將上部復雜地層隔離后，再使用S75鉆具完成煤系地層的施工；即一開 © 130或更大、二開© 110、三開© 95、四開© 77終孔，為常用的鉆孔結構。(見表1 )表1云南老廠礦區鉆孔實際成孔結構一覽表序號孔號終孔深度(m )套管備注© 146© 127© 108© 8914225-21026.6918.6119.77196.58536.4624213-1887.1821.7429.67144.0434307

7、-1806.1819.06562.00589.4144109-2754.1818.9818.21108.9854229-1785.784.024.40103.7864229-2874.5048.00202.8074221-21030.3080.7694.53282.228(4221-1827.428.8792.7219(4225-3831.4213.2421.6942.05104213-2891.239.3036.7475.86141.9411(4109-1783.9510.3380.14350.36由此可見，選擇合理的鉆孔結構，充分發揮技術套管對上部復雜地層的隔離作用，見順利完成鉆孔施工 重

8、要保障。2.2沖洗液的研究和應用沖洗液是鉆探的血液，是保證繩鉆技術能否順利應用的關鍵技術。針對煤田地質情況，研制岀既符合繩 鉆開高轉要求的 三低一好”(低粘度、低切力、低密度、潤滑性好)，又能滿足不同地層護壁要求的各類沖洗液，經過多年的研究和探索，已形成系列:（1）無固相沖洗液。與清水相比，具有較好的攜帶和懸浮巖 屑的能力，且能在井壁上形成薄的吸附膜, 具有一定的護壁能力，有較好的 潤滑和減阻作用。由于現場配制簡單、成本低、鉆進時效高等特點，深受 一線職工歡迎。該類型的沖洗液主要應用于無煤系地層或條件較好的煤系地層。常用的無固相沖洗液有： 聚丙烯酰胺（PHP）無固相沖洗液、田菁膠（TG-1 ）

9、型無固相沖洗液、MY型無固相沖洗液等。無固相沖洗液適當加入鉀離子（k+）可提高其護壁能力。（2）低固相沖洗液。以優質鈉膨潤土為基本造漿材料，以添加一定量的泥漿處理劑調整沖洗液性能達到即能滿 足繩鉆開高轉數的需要，又能達到護壁的目的。如以（3-5）%人工鈉土配成基漿，添加硝基鐵鉀、磺化瀝青（DLSAS八廣譜護壁劑（PGS八潤滑劑等制成的優質低固相沖洗液，適應于破碎 帶、泥巖、煤層等遇水膨脹、坍塌水敏性地層。（3）實例應用福建省121隊2000年106鉆機在四川攀枝花礦區施工2個孔，累計見可采煤層46層，煤層厚度達65.46m，由于沖洗液類型選擇合理，性能穩定，沒有岀現坍塌現象，保證鉆孔的順利施工

10、，使繩鉆的優越性得到充分發揮，取得較好的經濟技術效果。（見表2、表3 ）表2沖洗液類型的選擇及性能地層沖洗液類型密度(g/cm3)粘度（s）PH值失水量（mm ）濾餅厚（mm ）塑粘（mm ）摩擦系非煤系PHP-f無固相1-1.0115-168-0.1-0.1煤系PGS-DLSAS-f低固相1.02-1.0518-228-1016-200.510-110.12-0.表3鉆探施工主要經濟技術指標孔號終孔深度（m ）鉆月數個）鉆效（m ）時效(m/h)純鉆率（%）孔故率（% ）煤層厚度（m ）優質層層旦 量9031870.681.07813.723.115.02040.44159023942.74

11、1.40673.393.2444.3025.0218小計1813.422.47734.173.1846.2065.4633從以上可以看出，在沖洗液類型選擇方面，一般情況下無煤系地層選用無固相沖洗液，即可以降低生產 成本，又可提高鉆進時效；在煤系地層，選用低固相沖洗液可實現安全順利施工。2.3適當增大鉆頭外徑適當增大鉆頭外徑，對鉆探施工是非常有利的。根據龍永煤田的實際情況，先后兩次增加鉆頭外徑，由© 75到© 76到© 77 （擴孔器外徑隨之加大），直徑加大后一是有利于排除巖屑，減少沖刷，有利于孔壁 穩定；二是可保證經過改扣的© 89套管能夠繼續作為技術套

12、管；三是增徑后有利于減少沖洗液的漏失;四是有利于減輕泥漿泵的負荷。見表4表4增徑后泵壓變化情況表鉆頭外徑(mm)泵量(l/min)沖洗液類型孔深(m)工作泵壓(mpa)7557低固相500-6003.0-4.07657低固相500-6002.5-3.57757低固相500-6001.0-1.57792低固相500-6001.5-2.02.4護壁、堵漏技術的研究和應用(1) 充分發揮技術套管的隔離作用，將上部復雜地層隔離，為下部施工創造條件。如云南老廠礦區上部被 永寧鎮組、個舊組灰巖所覆蓋，該礦區十山九空，孔孔有硐”，用技術套管將上部灰巖隔離是解決涌、漏水最有效的措施(見表 1 )，該措施適應于

13、灰巖溶洞、采空區、鉆孔超徑、縮徑、涌水量大嚴重坍塌的鉆 孔。(2) 對于滲透性漏失的地層(漏失量小3.5m /h )采用綜合惰性材料灌孔壓堵可取得較好的效果。該辦法的堵漏原理是：選用一定粒度的惰性材料與“ 801 '堵漏劑、濃泥漿按一定比例配成堵漏漿液。待內管總成打撈起來后，將堵漏漿液倒入繩鉆桿內，對上立軸，用水泵將堵漏漿液一部分壓到漏失通道，一部分順環 空間隙返到孔口，以達到堵漏的目的，該堵漏措施在龍永煤田效果明顯。應用情況如下： 龍永煤田東中礦區 6-7號孔在孔深258.50-269.57m孔段為裂隙漏失，漏失量2.1m3 /h,水位為48m，經采用“ 801堵漏劑3kg +鋸末5

14、kg +稠泥漿配成堵漏漿液，從繩鉆桿內灌入，在開泵壓送后， 漏失量減少到 0.9m3 /h 。 東中礦區6-8號孔在孔深172.10-174.46m段為裂隙漏層，漏失量達3.1m3 /h，采用“ 801堵漏劑3kg +綜合惰性材料 5kg +濃泥漿配成堵漏漿液，從繩鉆桿內灌入，漏失量減少到0.4m3 /h。 培豐礦區8-2號孔在孔深 575.50-587.40m漏失不返水，水位216m，采用DTR堵漏劑100kg +花生殼25kg +泥漿0.5m3配制堵漏漿液，泵入后靜壓4:30h，掃孔后返水正常。 富嶺礦區5-1號孔孔深128.50m處出現漏水，漏失量達 2.5m3 /h采用高吸水樹脂(PA

15、N-Km )堵漏劑5kg +濃泥漿配成堵漏漿液，從繩鉆桿內灌入用泵壓堵，先后灌壓3次，漏失量分別減少到 0.9m3/h、0.3m3 /h和0.01m3 /h，達到預期目的?？梢钥磳?，采用綜合惰性堵漏劑材料進行灌孔堵漏效果明顯，由于該方法材料來源廣、成本低、操作簡 單，是施工現場最常用的辦法之一。(3) 其他堵漏護孔方法當遇裂隙較發育、地下水活動歷害、灌孔堵漏效果不明顯時，也可采用水泥封孔護壁堵漏、改性瀝青球堵漏、粘彈性材料堵漏、化學漿液堵漏等方法，也取得一定的效果。2.5完善繩鉆鉆具配套技術多年的實踐證明：在客觀條件復雜的情況下，單一的繩索取芯鉆具無法滿足多級鉆孔結構施工的需要， 為提高鉆進效

16、率，減少輔助時間，機臺應用s95、 S75雙套鉆具比應用單一的s75鉆具施工效果要好得多。使用方法是：采用 S95鉆具鉆穿復雜地層下入© 89套管后，換用S75鉆具完成終孔，如東中礦區雙套鉆具配套使用前后情況對比，見表5 :表5東中礦區增配 S95鉆具前后經濟技術指標對比鉆具鉆孔數工程量(m )平均孔深(m)時效(m/h)純鉆率(%)孔故率(%)提鉆間(m)報廢工程量(m)鉆效S75116448.40537.360.7827.129.83.98851.26140S95/S75126199.40563.581.3833.812.68.0454.283392.6硬巖石的治理措施(1) 應

17、用繩索取芯液動沖擊回轉鉆進技術是對付巖石的有效手段。福建省121隊先后應用 MTZ77S型、S75C型、S95C型液動沖擊回轉鉆具在 打滑”硬巖鉆進與普通繩鉆相比，時效提高 77%-162%。福建地 質八隊在紫金山礦區采用普通沖擊回轉鉆進技術，工程量達到29134m，比回轉鉆進小時效率提高 40%,臺月效提高127%。(2) 選用弱包鑲防 打滑”金剛石鉆頭鉆進，其基本原理是金剛石鉆頭胎體磨損比普通鉆頭快，不容易使鉆 頭胎體拋光打滑，使工作中的金剛石顆粒處于克取狀態。該鉆頭與普通金剛石鉆頭比時效成倍提高，雖然 鉆頭壽命短(10-15 ) m/個，但從整體效益評價是可行的。(3) 投砂鉆進法。將內

18、管打撈后向孔內投入適量堅硬的碎石子，將打滑”后的孕鑲鉆頭胎體進行磨損，露岀金剛石顆粒進行鉆進，達到提高時效的目的；但采用該方法其鉆進參數與正常鉆進有所不同，鉆頭壓力提高約20%，轉數降低100-200rpm,才能達到比較好的效果，該方法也是較常用的。3取得的成效福建煤田地質局在推廣應用繩鉆技術的二十多年來，依靠科技進步，開展技術創新，對該技術的應用進 行了積極的探索和研究， 先后完成7項H類科研項目，13項山類科技成果，近30項小改小革。其中繩 索取芯金剛石鉆進技術在煤田勘探中的推廣與應用獲中國煤炭工業協會科技進步三等獎，福建煤田鉆孔護壁與堵漏的研究獲探查三次煤田勘探科技進步一等獎，鉆探設備典

19、型檢修工藝研究、雙面施 焊內外一次成型 等離子焊填補了國內技術空白?？萍汲晒膽么蟠筇岣吡死K鉆技術應用水平，各項經 濟技術 指標達到國內領先水平，見表6。表6、福建煤田地質繩鉆主要經濟技術指標表年份開動鉆機進尺(萬米)鉆月數(個)鉆月效率(m/ 月)時效(m/h )巖芯采取率(%)特甲級孔率(%)七.五7-1510.334422331.078687八.五3-1510.242424221.679191.3九.五2-46.00996042.049495十.五4-1013.282156173.019594200611-208.581346413.149496121地質隊近幾年IE成鮎探進尺情況圖I系列1