提高砾岩层钻进效率的探索与实践_周光.pdf

第2期提高砾岩层钻进效率的探索与实践周光，唐聪亮，任英举（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司环境安全工程分公司，宁夏 银川750011）摘要：钻探工程是煤矿地质勘探的重要手段之一，其主要目的是掌握地质构造、土体软硬性质、地层岩性、地下水特征以及矿体分布等方面内容。在钻探施工中，由于地层岩性、地层厚度、断层发育、裂隙展布等地质因素的存在，导致钻进效率差异较大。其中，地层岩性是影响浅部地层钻进效率的主要因素，不同井田、不同区域均有不同的地质条件和地层沉积。本文以国家能源集团宁夏煤业有限责任公司清水营煤矿11采区煤层风氧化带补充勘探工程（浅部钻探）为例，探索提高该区域砾岩层钻进效率的措施并进行实践，对于提高同类型地质条件矿井的钻进效率有一定的借鉴意义。关键词：钻探工程；煤矿地质；砾岩；钻进效率中图分类号：P634.5文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）02-037-04作者简介：周光（1980），男，工程师，现任职于国家能源集团宁夏煤业公司能源工程公司环境安全工程分公司，主要从事煤矿灾害治理、新工艺实施、地质勘探设计编制工作。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：周光，唐聪亮，任英举.提高砾岩层钻进效率的探索与实践 J.能源科技，2023，21（2）：37-40.0引言宁东煤田是国家规划建设的14 个亿吨级大型煤炭生产基地之一，包括碎石井、横城、鸳鸯湖、马家滩、萌城、积家井、韦州和石沟驿等8 个矿区。全区地质条件相对较好，较大部分矿井浅层为第四系（Q）、古近系渐新统清水营组（E3q）或上统安定组（J3a）地层，并在宁东煤田不同区域均有露头。清水营煤矿与其他宁东煤田地层稍有差异，浅层分布有白垩系下统宜君组（K1y）地层，在施工地质勘探钻孔时严重影响钻进效率，探索提高该地层钻进效率具有一定理论意义和实践价值。清水营煤矿上部广泛分布白垩系下统宜君组（K1y）地层，在井田冲沟中，大面积出露，是一套近陆源区的冲、洪、坡积粗碎屑岩沉积。钻孔揭露厚度9.92230 m，平均114.51 m，总体为南薄北厚，岩性为砾岩。在清水营煤矿11采区煤层风氧化带补充勘探工程钻探施工过程中，钻遇白垩系宜君组砾岩层时，多次出现塌孔、掉块、卡钻、扒车等现象，钻进效率低，严重影响了施工工期及钻井安全，甚至可能出现孔内事故，对煤矿后期煤层开采形成隐蔽致灾隐患。因此，如何提高砾岩层中的钻进效率成为该区域浅层钻探得以顺利、安全钻进的关键技术问题。砾岩层的特质决定了其钻进难度的增大，在钻探工作中要进行充分分析和研究，选用合适的工艺、钻具和钻进参数等。本文就提高该区域砾岩地层钻进效率的措施进行了研究，并进行实践验证。1清水营煤矿浅层岩性分析清水营煤矿井田内地形为低山丘陵，地表整体呈现西高东低、南高北低之势，最大高程点位于南端杨家庄附近，高程为1 426 m；最低高程点位于北端唐家湾，高程为1 288 m，相对高差约138 m。该井田以北属毛乌素沙漠外围荒原区，地势较平缓，长城以南为低缓丘陵陡区，地形起伏呈波浪状，丘顶浑圆状与坳谷洼地相间排列。井田大部分地区覆盖有第四系（Q），局部零星出露基岩。根据以往地质勘探资料和建井资料，井田内浅层地层由老至新依次有白垩系下统宜君组（K1y）、古近系上统清水营组（E3q）和第四系（Q）。1.1白垩系下统宜君组（K1y）在井田冲沟中，大面积出露，是一套近陆源区的冲、洪、坡积粗碎屑岩沉积。砾岩是一种沉积岩，由从母岩上破碎下来的，颗粒直径大于2 mm的碎屑，经过搬运、沉积、压实、胶结而形成的岩石。根据砾石大小，第21卷 第2期Vol.21 No.22023年4月Apr.2023第2期周光等：提高砾岩层钻进效率的探索与实践砾岩分为漂砾（256 mm）砾岩、大砾（64256 mm）砾岩、卵石（464 mm）砾岩和细砾（24 mm）砾岩。该区域以卵石砾岩为主，少量属大粒砾岩。主要呈现为一套以灰、灰白、浅红色及杂色砂砾岩为主的地层，夹薄层砂岩，砾岩成分以石英岩、花岗岩及花岗片麻岩为主，砾径0.10.2 m，最大可达1 m，砾石大小悬殊，多为扁圆状，分选差，砂质及硅质胶结，较坚硬，受风化层影响，地层硬度变化较大，不整合于下伏安定组之上。砾岩层的主要特点是岩层硬度非常大，同时其岩石各处密度差异很大。在钻进时，易导致进尺慢、钻效低的问题，如图1图2所示。图1清水营煤矿白垩系下同宜君组露头图2清水营煤矿白垩系下同宜君组实钻岩心1.2古近系上统清水营组（E3q）仅在井田东部及北部有零星分布。钻孔揭露厚度在7.4097.42 m，岩性由紫红色亚黏土及红土组成，不整合于下伏老地层之上。在钻探施工中，进尺快，取芯松散，成形度低，遇水易造浆。1.3第四系（Q）井田内广泛发育，底部为白垩系砾岩风化残留卵砾石和钙化结核，中部为冲淤积的黄沙土，顶部为现代风积沙丘及沙土层，如图 3 所示。钻孔揭露厚度1.3025.63 m，平均6.55 m，不整合于各系地层之上。在钻探施工中，进尺快，取芯不完整，胶结程度较低。图3清水营煤矿地表第四系（Q）2钻进参数的选定及效果钻进参数是指表征钻进过程中的可控因素所包含的设备、工具、钻井液以及操作条件的重要性质的量。钻进参数优选是指在一定的客观条件下，根据不同参数配合时各因素对钻进速度的影响规律，采用最优化方法，选择合理的钻进参数配合，使钻进过程达到最优的技术和经济指标。在不同的地层中，钻进参数存在着较大差异，钻进参数的选择和应用直接影响钻探质量和效率1。针对清水营煤矿白垩系下统宜君组砾岩层主要为卵石、碎石和砾石，岩石级别级以上，岩石类别（硬度）为稍硬，在该地层高效、安全钻进，选择合适的钻具、泥浆及设备转速是非常有必要的。2.1钻头选用在煤田地质勘探中，根据地层岩性、地质条件等情况，合理选用钻头，不但可以减轻设备负载，提升钻进速度，还可以节省燃油，并对钻杆、钻机等部件、设备起到一定的保护作用。本次采用对比法进行统计，探索分析最优选型钻头（保持钻头外径一致），具体见表1。表1砾岩层不同类型钻头钻进情况统计对比孔号补1补2补3Q510Q511Q709Q7101310砾岩层厚度/m107.5121123.511141.841.850.568.2钻进时间（班，8 h/班）24.08.0128.52.27.03.417.1钻效/（m/班）4.4815.1310.291319.426154钻头类型8翼PDC取芯钻头6翼PDC取芯钻头4翼PDC取芯钻头4翼PDC取芯钻头6翼PDC取芯钻头牙轮钻头+4翼PDC取芯钻头6翼PDC取芯钻头牙轮钻头+8翼PDC取芯钻头孔内情况无塌孔无塌孔、无掉块稍有塌孔无塌孔、无掉块无塌孔、无掉块塌孔、掉块严重无塌孔、无掉块塌孔、出现掉块可以看出，此次施工的钻孔特点为：4个钻孔砾岩层厚度在50 m以上；4个钻孔砾岩层厚度在100 m以上；钻孔设计深度一般在200 m左右，砾岩层占了整个钻孔孔深的1/4到1/2；钻头种类不同钻效有明显差异。38第2期经过对牙轮钻头及4翼、6翼、8翼PDC取芯钻头等钻头在砾岩层钻进效率统计，具体见表2。表2清水营补勘钻孔砾岩层不同类型钻头钻效统计序号1234钻头类型牙轮钻头8翼PDC取芯钻头6翼PDC取芯钻头4翼PDC取芯钻头平均钻进效率/（m/班）34.516.5211.65备注不排除每班辅助工作时间181614121086420平均钻进效率/（m/班）牙轮钻头8翼PDC取芯钻头 6翼PDC取芯钻头 4翼PDC取芯钻头钻头类型34.516.5211.65图4平均钻进效率统计柱状经统计分析得知，采用6翼PDC取芯钻头施工的钻孔，在砾岩层钻进效率明显高于其他采用4翼、8翼PDC取芯钻头及牙轮钻头的钻进效率，且孔内无塌孔、掉块等，孔内较安全。2.2泥浆黏度选用钻探泥浆液的功能有很多，如润滑钻具、冷却钻头、清净孔底、携带岩屑、护壁、防塌、平衡地层压力、防漏失等，主要是把岩屑从孔底携带至地面。选择适宜参数的泥浆可以有效清洗井底，悬浮携带岩屑，保持井眼清洁，平衡地层压力，稳定井壁、防止井塌、井漏等事故，并可以帮助钻头破碎岩石。泥浆护壁要求泥浆不仅有适当的结构强度，便于携带岩屑，有利于稳定孔壁，防塌防漏，还应具有良好的抑制性2。针对砾岩层泥浆携渣能力不高、对孔壁维护效果不好等情况，采用加入磺化沥青粉或其他提高泥浆黏度的化学材料的措施，确定适宜的泥浆参数，见表3。表3砾岩层不同泥浆黏度钻进情况统计对比钻孔Q510补3Q511补2钻头4翼PDC取芯钻头4翼PDC取芯钻头6翼PDC取芯钻头6翼PDC取芯钻头泥浆黏度2628 s较低，28 s孔内情况无塌孔、无掉块，未出现抱钻稍有塌孔无塌孔、无掉块，未出现抱钻无塌孔、无掉块，返浆慢，钻效相对较低经过参数对比分析，在钻头类型选用一致时，Q510、Q511钻孔钻进泥浆黏度在2628 s时，砾岩层段孔内无塌孔、无掉块，未出现抱钻等现象。补2钻孔钻进泥浆黏度较大，砾岩层段孔内无塌孔、无掉块，返浆慢，钻效相对较低。补3钻孔钻进泥浆黏度较低，砾岩层段稍有塌孔，但携渣效果不好，钻效相对较低。2.3设备参数选用对于同等条件下，中硬到硬地层中钻进的PDC钻头而言，低钻压高转速对钻头造成的损坏比高钻压低转速更严重3。砾岩层硬度较大，上部地层胶结程度不高，钻压太大会造成扒车、钻具抖动严重，孔斜大，转速较低影响钻效，钻压、转速较大较小都严重影响钻进效率和钻头成本投入。现场针对6 翼 PDC 取芯钻头施工砾岩层钻进转速和钻压进行了应用对比研究，依次采用相同转速不同钻压、相同钻压不同转速进行研究。本文只展示钻压为0.5 MPa 时，在不同转速下，砾岩层钻进效果，具体见表4。表46翼PDC取芯钻头施工砾岩层设备转速和钻压分析对比转速、钻压80175 r/min，0.5 MPa225 r/min，0.5 MPa260 r/min，0.5 MPa360 r/min，0.5 MPa360730 r/min，0.5 MPa平均钻进效率/（m/班）6.9513.6416.5217.1015.22钻进情况钻进缓慢，有扒车现象，钻头PDC易脱落钻进缓慢，扒车、钻具抖动一般，钻头PDC有明显掉块钻进相对较快，无明显扒车、钻具异常抖动现象，岩芯完整，钻头磨损较小钻进快，无扒车，岩芯破损严重，取芯率低，钻头易磨损钻进相对较快，无明显扒车、钻具异常抖动现象，岩芯磨损严重，取芯率低，钻头易磨损经过多次试验，综合考虑设备能力，钻具损耗，岩芯采取率及完整性，总结出在砾岩层钻进时，选用相同类型钻头（6翼PDC取芯钻头）时，转速保持在260 r/min，钻压达到0.5 MPa左右时，钻进效率最高，钻头损耗最小。3结语（1）地层岩性是影响钻探效率的主要因素之一，选择合适的钻具、设备、钻进参数等是克服岩性制约条件的有效途径。（2）从本次清水营煤矿11采区煤层风氧化带补39第2期周光等：提高砾岩层钻进效率的探索与实践Exploration and Practice of Improving Drilling Efficiencyin Conglomerate StrataZHOU Guang,TANG Congliang,REN Yingju(Environmental Safety Engineering Branch of CHN Energy Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,Yinchuan,Ningxia 750011)Abstract:Drilling engineering,one of the important means of geological exploration in coal mine,aims togather information,such as geological structure,soft and hard properties of soil,formation lithology,groundwater characteristics and ore body distribution.During drilling construction,significant differences in drilling efficiency are caused by geological factors such as formation lithology,stratum thickness,fault development,andcrack distribution.Formation lithology is the main factor affecting the drilling efficiency of shallow formations,and there are different geological conditions and sedimentary formations in different fields and regions.This paper takes the supplementary exploration works(shallow drilling)of the coal seam wind oxidation zonein mining area 11 of Qingshuiying Coal Mine of CHN Energy Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.as an exampleto explore and take the measures to improve the drilling efficiency of the conglomerate strata in this area,which is meaningful for improvement of the drilling efficiency of mines with similar geological conditions.Key Words:drilling engineering;coal mining geology;conglomerate;drilling efficiency（收稿日期：2022-09-10责任编辑：王静）充勘探工程砾岩层钻探工作的实践经验知，采用6翼PDC取芯钻头施工的钻孔，在砾岩层钻进效率明显高于其他采用牙轮钻头及4翼、8翼PDC取芯钻头的钻进效率。（3）合理的泥浆黏度、钻压及转速等的相互配合是使用6翼PDC取芯钻头高效安全钻穿清水营煤矿白垩系下统宜君组（K1y）砾岩层的必要保障。参考文献：1韩克明.煤田勘探地质钻孔在不同地层段中的技术分析 J.科技展望，2015，25（3）：121.2 桂儒佳.刘家窑井田深厚砂砾岩地层钻探施工实践 J.现代矿业，2018，34（2）：28-31.3邵明仁，张春阳，陈建兵，等.PDC钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践 J.中国海上油气，2008（1）：44-47.40