复杂破碎地层

2024-07-31

复杂破碎地层（共7篇）

复杂破碎地层篇1

在过去的几十年里, 国内钻探工作者已经对破碎复杂地层钻进技术进行了大量的研究, 并取得了骄人的成绩, 其中许多技术已经达到了国际先进水平, 且在实践生产中取得很好的效果。当然, 其中也还存在许多难题亟待解决。随着我国中东部一大批老矿山在已有勘查范围内资源的枯竭, 未来地质找矿和钻探施工无疑将需要向更深、更复杂地层及其外围区域拓展, 以延长矿山开采年限, 满足国家对资源的急需。目前, 国内已经开始新一轮的地质大调查和西部大开发, 这将很可能遇到大量的破碎复杂地层。因此, 进一步研究破碎复杂地层钻进技术, 解决其存在的问题, 改进已有的技术方法, 探索出更有效的新方法和新技术, 对未来寻找新矿产资源将有着非常明显的现实意义。

1 破碎复杂地层钻进的特点分析

在钻探过程中, 遇到的破碎地层通常可分为两类[2] :一是在构造运动作用下形成的复杂破碎地层, 即由地质构造运动所产生的挤压、张拉、剪切等作用, 使岩层产生节理、裂隙、裂缝、断层和片理, 其中坚硬的脆性岩石受构造力的剧烈作用最容易形成复杂破碎地层。二是由外力地质作用所形成的复杂破碎地层, 即风化层、河流冲积层、洪积层、风积层。岩层经风化作用变为岩性较松散、胶结不良的风化层, 而冲积、洪积、风积作用形成的各种沉积层一般含有粘土、流砂、卵石、砾石、漂石成为复杂的地层。由于在破碎地层中, 碎块状岩石的大小不均、胶结性差、结构松散、换层频繁、软硬悬殊、颗粒级配悬殊等特点, 所以在钻进过程中碎块不能稳定受力, 容易发生滚动, 产生多个切削面, 使得破岩效率降低, 岩心采取率低, 容易出现垮孔、掉块和卡钻等事故;再者因为破碎地层渗透性强, 容易造成冲洗液漏失, 或者出现涌水等事故。实践表明, 在复杂破碎地层钻进施工, 技术上主要存在“三难”——钻进难、护壁难、取心难。

2 破碎复杂地层钻进技术的研究

传统破碎复杂地层钻进技术有采用一般钻井液护壁的金刚石回转钻进技术, 它虽然能在破碎复杂地层进行钻进施工, 但是钻进效率不高。因此, 通过分析在破碎复杂地层钻进的特点, 人们运用冲击回转与反循环钻进技术相结合的思路, 研究出了一系列较为有效的钻进方法;同时通过对金刚石回转钻进技术中钻井液的改进, 使金刚石回转钻进破碎复杂地层也获得良好效果。

2.1 液动潜孔锤钻进技术的研究

早在1887年德国人沃·布什曼就实现了利用泥浆液能驱动冲击器进行冲击回转钻探。我国在这方面的研究始于1956年。其中1983年开始, 不少单位相续开发了多种型号的绳索取心式液动潜孔锤, 并在钻进坚硬岩石和破碎岩层时, 钻进速度得到明显提高, 岩心容易堵塞的状况得到改善[14] 。由于液动潜孔锤的动力来源于泥浆泵, 而泵压可以达到7~12MPa甚至更高, 故钻孔深度可以达到千米以上, 从而可以实现深部复杂破碎地层的钻进。至今我国已开发出来的许多品种和规格液动潜孔锤, 其中应用于地质勘探中主要有正作用式YZ和ZF系列, 双作用式DC、YS、SC、SX和SYC系列, 复合作用YQ系列, 绳索取心式SS和SZ系列, 液气两用YQS系列等[9] 。2007年中国地质科学院勘探技术研究所研发了SYZX75新型绳索取心液动潜孔锤[12] 。2009年吉林省核工业地质局探矿队应用SYZX75绳索取心液动锤配套加长岩心管, 在内蒙古赤峰市双山子铜多金属矿破碎岩层取得非常好的效果[3] 。

2.2 气动潜孔锤钻进技术的研究

相续研究液动潜孔锤的启动, 我国1958年开始研制风动潜孔锤 (气动冲击器) , 1965年开始推广, 1978年后逐步普及。风动潜孔锤冲击回转钻探是空气钻进技术的一个分支[14] 。实践证明, 气动潜孔锤钻进是一种效率高、钻孔质量好、成本低的施工方法。它在坚硬岩层、卵砾石层中钻进最具优势, 故而在水井、基础桩、连续墙、锚固工程、大口径井筒施工、坍塌地层跟套管钻进等工程中得到广泛应用。但传统的气动潜孔锤钻进仍以全面破碎的非贯通式潜孔锤为主, 采用单壁钻杆正循环排屑或取样, 地质资料可靠性差。国内曾借鉴国外在破碎复杂地层中采用潜孔锤双壁钻杆反循环连续取样钻进 (即CSR 钻进法) , 虽然比单壁钻杆正循环钻进前进了一大步, 但仍存在下列比较突出的问题: (1) 岩心样品质量差; (2) 结构设计不合理。主要表现为在钻具的潜孔锤部位仍为正循环, 在潜孔锤上部需连接一个交叉通道接头, 使岩样通过接头的窗口进入钻杆中心孔, 形成反循环, 这样在破碎地层对孔壁冲蚀会造成超径和样品混杂、污染、岩样漏失, 样品层位颠倒[1] 。

2.3 潜孔锤反循环钻进技术的研究

针对复杂破碎地层钻进工程中回转钻进难、产生岩粉碎屑多、取心 (样) 难、易垮孔、井眼轨迹难控制、钻井液漏失等诸多问题。单一的钻进工艺不能同时解决这些问题。因此, 人们开始将潜孔锤钻具和反循环钻进工艺的优点相结合。实践证明, 潜孔锤作为孔底动力钻具能有效解决破碎复杂地层钻探中进尺效率低和防止孔斜现象;反循环钻进工艺则能进行有效排除钻进过程中所产生的大量岩粉碎屑及保护岩心。之后, 人们又将跟进管技术和泡沫钻进技术应用到复杂破碎地层钻进中, 有效解决垮孔和掉块问题。该项技术配套应用于破碎复杂地层固体矿产勘探的关键是小口径贯通式潜孔锤及双壁钻杆系统的研制成功。

“七五”期间, 吉林大学针对水文水井钻凿研究了GQ—200/62 型贯通式潜孔锤反循环连续取心 (样) 新技术, 使水井钻进效率提高了3~4倍, 连续排出的岩心采取率高, 获取及时, 品质优良。“八五”期间其又研制了GQ—100/44型贯通式潜孔锤及反循环钻具系统, 经生产实际试验取得了较好效果[1] 。其中, 该技术在“河北省涿鹿县相广乡锰银矿南区普查”项目生产性试验中取得良好效果[11] 。当然贯通式潜孔锤反循环连续取心 (样) 技术也存在不足, 比如在破碎地层中岩心卡堵问题比较突出。对此, 李伟涛等人 (2004年) 也作了大量的研究, 并提出了取样钻头结构的改进方案[5] 。王茂森等人 (2005年) 对贯通式潜孔锤反循环钻进中的反循环钻头进行了巧妙的改进后, 使贯通式潜孔锤反循环钻进过程中能很好地避免风和岩粉从孔壁的裂隙或空洞中漏失;而外平双壁钻杆则能避免因塌孔或掉块引起的卡钻或埋钻孔内事故, 适合钻进破碎、漏失等复杂地层[10] 。

潜孔锤跟管钻进是指在破碎松散地层或卵砾石地层等不稳定地层中采用空气潜孔锤钻进成孔, 同时套管随钻头跟入孔内。跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口的作用, 而且钻进、排渣和护壁同时进行, 可以很好地解决复杂地层钻进中护壁难的问题, 使钻孔工作得以顺利进行。在钻孔完成后, 潜孔锤可以从套管中顺利提出, 套管留在孔内, 待完成注浆等工作后, 套管从钻孔中提出或永久留在孔内。目前国内的跟管钻进主要是套管直径在146mm以下的小直径跟管钻进, 采用单偏心钻头、常规气动潜孔锤、单壁钻杆以及正循环的方式排渣, 用于岩体锚固钻孔、坝基观测孔等钻孔的施工;而对于灌注桩孔、直径较大的水井孔等钻孔, 目前还难于实现在复杂地层的跟管钻进[13] 。

2.4 金刚石钻进技术中植物胶类钻井液的研究

过去以传统钻井液结合金刚石回转钻进工艺在破碎复杂地层中的钻进效率不高、岩心采取率较低。但植物胶类钻井液的应用, 金刚石单动双管钻具的改进和操作工艺技术的完善, 使得金刚石岩心钻进技术能更好地在破碎复杂地层中进行钻进。

从传统的要求来说, 钻探冲洗液的作用只是冷却钻头, 排除岩粉, 保护孔壁 (部分冲洗液) 和润滑钻具 (润滑冲洗液) 四大功能。传统的冲洗液如清水、加润滑剂的水溶液、泡沫液、泥浆及聚丙烯类无固相冲洗液, 都对岩心有冲刷、浸润和液化作用, 岩心中的松软破碎的细颗粒成分都会溃散而被冲掉, 因此很难取得高质量的岩心。现代植物胶类粘弹性钻井液的研究和应用, 除了上述功能以外, 还具有保护岩心 (护胶作用) , 粘弹性减振作用和降摩阻效应三大特殊功能, 这三大特殊功能为上述破碎复杂地层提高取心质量创造了必须的先决条件。S系列植物胶钻井液是目前使用最简单, 效果最好的粘弹性钻井液。S系列植物胶钻井液最早创硏于1984年, 当时只有唯一的一个产品, 商品名称叫SM植物胶钻井液, 系发明专利。在国内地质勘探中畅销二十余年, 由于原料资源减少, 故已逐渐淘汰。2005年以来新研制开发的产品有SH和ST两种类型的植物胶, 与SM胶一起统称为S系列植物胶[4] 。S系列植物胶钻井液和SDB (及SD) 系列金刚石钻具的结合, 在破碎复杂地层钻进中取得很好的效果[4,7] 。

除此之外, 国内用于破碎地层钻探的植物钻井液胶还有CL植物胶复合无固相冲洗液和和一些改性复合胶无粘土冲洗液。其中, CL植物胶复合无固相冲洗液的粘度适当, 有较好的携带岩粉能力;在孔壁上能形成有一定强度的吸附膜, 失水量低, 适合松散破碎、水敏膨胀等破碎构造带及不稳定地层护壁;该冲洗液流变性好, 润滑减阻性好, 可满足复杂地层绳索取心钻进的需要[8] 。邱存家, 陈礼仪 (2003年) 采用由植物胶 (GRJ) 、交联控制剂 (PHP) 和交联剂 (PS2DL) 组成一种改性复合胶无粘土冲洗液。其中除了粘度适当, 流变性好, 润滑减阻性好, 成膜作用强, 取芯护芯效果好等特点之外, 其最大优点是可种植再生的工业植物胶和合成高分子聚合物作为复合改性的基本原材料, 具有原料来源广、稳定可靠的优点, 较好地解决了野生植物胶资源短缺供不应求的矛盾, 可成为配制无粘土冲洗液的新材料。

3 结语

总的来说, 国内在破碎复杂地层钻进技术的研究和应用中取得了很好的成绩, 尤其在潜孔锤反循环钻进技术的研究已经达了国际先进水平, 而植物胶类钻井液的研究和应用也使得金刚石回转钻进技术能更好地在破碎复杂地层中钻进施工。然而在未来深部的地质勘探中, 我国将依然面临诸多技术难题。面对未来深部破碎复杂地层, 可以进行以下方面的深入研究: (1) 特种超硬材料的研究和优化钻具的设计, 以延长钻具的寿命; (2) 高性能配件的研究, 如高性能的压力泵能更好地为钻具提供动力; (3) 岩粉 (屑) 分析技术的研究, 充分利用岩粉 (屑) 所隐含的地质信息, 即使取心率极低也不会影响地质研究人员对地质情况的分析和判断。 (4) 孔底动力的研究, 以有效控制井眼轨迹、减少回转钻进中钻杆因扭矩过大而破坏的现象和减少能量的损失; (5) 钻进计算机模拟试验技术的研究, 以减低科研成本。

复杂破碎地层篇2

2010年以来我单位先后参与完成了广西应急抗旱找水打井项目、广西大石山区人畜饮水工程建设大会战找水打井工程、广西农村饮水安全找水打井等多项国家找水打井工作其中, 其中2013年农村饮水安全找水打井工程中, 我院完成钻孔164口, 钻探工作量近16000多米, 取得了较好的社会效益和找水打井技术成果。本文目的主要是探讨广西某县找水打井工作区内破碎复杂的特殊地层的钻进成井方法, 同时对找水打井施工管理工作谈谈看法。

2 特殊地层对钻进效率影响的主要原因及钻探方法探讨

2.1 破碎复杂地层基本情况

在钻探过程中, 遇到的破碎地层通常可分为两类: (1) 在构造运动作用下形成的复杂破碎地层, 即由地质构造运动所产生的挤压、张拉、剪切等作用, 使岩层产生节理、裂隙、裂缝、断层和片理, 其中坚硬的脆性岩石受构造力的剧烈作用最容易形成复杂破碎地层。 (2) 由外力地质作用所形成的复杂破碎地层, 即风化层、河流冲积层、洪积层, 风积层。

由于在破碎地层中, 碎块状岩石的大小不均、胶结性差、结构松散、换层频繁、软硬悬殊、颗粒级配悬殊等特点, 所以在钻进过程中碎块不能稳定受力, 容易发生滚动, 产生多个切削面, 使得破岩效率降低, 岩心采取率低, 容易出现垮孔、掉块和卡钻埋钻、钻杆折断等孔内事故。在破碎地层钻进施工, 技术上主要存在难题主要有: (1) 钻进困难, 取芯困难, 岩芯采取率低; (2) 钻进时容易出现孔壁失稳, 掉块, 护壁困难。

我们在该县工作区施工钻进中碰到了以上两种类型的破碎特殊地层, 布井区内存在大量破碎地层、裂隙断层泥质充填, 充填泥洞等特殊性地层.我单位所用钻机设备都是一般的150m工程钻机, 特殊地层对钻探施工造成很大的困难。

2.2 影响钻进效率的主要原因

先看两个孔内事故案例: (1) 在工作区某镇某村屯的钻孔, 钻进中相继碰到裂隙断层泥质充填, 充填泥洞等地层。钻进到预定孔深后, 水文观察显示水量基本符合要求。问题出现在洗井时, 用压风机洗井后周边田地地面出现塌陷, 进而造成报废孔。 (2) 在某乡某村屯, 该孔地层条件复杂, 岩石坚硬, 可钻性等级大于7以上, 且属破碎地层。在钻进到132m深时发生卡钻, 引起钻杆折断, 进而引起埋事故。经现场了解情况, 发生事故的原因有: (1) 钻进破碎地层过程中孔壁掉块, 卡紧钻具, 未得到及时处理, 进而卡死钻具; (2) 钻进时使用直径为42mm的钻杆, 多次发生钻杆锁接头折断的事故, 42mm的钻杆所受到负载无法满足打深孔要求。这两个孔内事故比较有代表性反映工作区中特殊地层对钻探施工的影响。

所以, 破碎地层、裂隙断层泥质充填, 充填泥洞等特殊性地层是影响钻进效率的主要客观原因。

2.3 钻探成井方法

2.3.1 破碎地层钻进方法探讨

(1) 钻探施工设备对破碎地层钻进效率影响最大。据有关资料介绍, 我国破碎复杂地层钻进技术中较为先进的有液动潜孔锤钻进技术、气动潜孔锤钻进技术、潜孔锤反循环钻进技术和金刚石钻进技术中植物胶类钻井液等, 但拥有这样的钻探设备和施工技术的地勘单位为数不多, 同时对钻进冲洗液的选择也要考虑到供水水井的影响。所以利用现有设备通过施工工艺改进, 提高钻进成井效率还是首选。

(2) 工作中我们结合正在使用的150m工程钻机性能, 找出一种简单有效的方法。钻进工艺要点: (1) 松散层用准170mm合金钻头开孔, 回转全面清水钻进, 钻进入基岩0.5m, 下井管 (孔口管) 后用粘土填密实四周孔隙; (2) 结合后期安装水泵管的规格, 选择用准150mm或准130mm钻头, 清水钻进至设计孔深, 终孔直径一般应不小于准110mm。钻进过程中注意破碎复杂地层层深, 必要时下入暗管护壁;完整基岩地层以原状岩壁作井壁; (3) 破碎地层中钻进用取粉管或跟管钻进的方法来减少掉块、孔壁失稳、卡钻的问题。需要指出的是, 在新一回次钻进前必须用特制的捞芯钻头捞清孔底岩芯 (砂) ; (4) 洗井方法以深井潜水泵抽水洗井方法为主, 效果不好或水量未达要求时可用压风机洗井; (5) 施工过程中必须遵守水文地质钻探规程的规定, 减少或避免孔内事故和安全生产事故的发生。

2.3.2 裂隙断层泥质充填, 充填泥洞地层成井方法探讨

此类地层在钻进时可用跟管钻进保护孔壁的稳定。钻进时可使用上述破碎地层中使用的钻进方法。关键的问题是洗井。一般情况是使用深井潜水泵和空压机持续抽水洗井或空压机喷射洗井。洗井时要注意观察排水的水质变化, 若水清砂净或虽有浑浊, 但已没有泥浆、岩屑等物质, 或定时 (0.5h) 观测出水量, 若连续2~3次出水量无明显变化可认为洗井已达到目的。但是由于泥质充填在裂隙中, 胶结性差, 在洗井时裂隙断层充填泥质容易进入井内, 引起“洗不清”的情况;如果用压风机洗井, 由于压缩空气的作用, 周边裂隙断层充填泥质大量被掏空进入井内并被从井口吹出, 进而引发周边地面塌陷, 或其他环境事故, 造成钻孔报废;因此洗井时建议用使用潜水泵抽水洗井, 如用空压机抽水洗井, 则应该控制压力和风量, 洗井过程中必须密切关注周场面和稳定情况, 如发现有地面下沉, 开裂等情况时, 必须立即停止空压机洗井, 采取措施防止地质灾害发生。

3 找水打井施工管理工作几点建议

(1) 提高应对特殊地层钻进的施工水平和成井工艺水平, 减少孔内事故和报废孔的发生。前面已讲过, 如何在破碎地层、裂隙断层泥质充填, 充填泥洞等特殊性地层进行钻进是影响钻进效率的主要原因, 这里不再重复。

(2) 应当充分发挥本单位在找水打井工作项目施工中的设备优势。在钻探施工作业社会化程度较高, 劳务钻机大量存在的情况下, 如经济能力许可, 每个地勘单位都应该拥有自己的优势或高端的钻探施工设备或先进钻探施工工艺, 比如潜孔锤施工钻进、全液压钻机等钻机设备。我们利用反循环钻机施工成井技术工艺上具有优势, 在2013年打井项目中, 利用反循环钻机在松散地层施工成井超过30口, 成井率超过85%, 每口井施工2~3d可成井, 效率非常高。

(3) 应当加强对劳务合作钻机的管理。现在的打井工程中, 各单位都外请了大量的劳务施工钻机参与进行施工, 劳务合作钻机已成为钻探施工的主力军。对劳务施工钻机的有效管理对完成施工任务和安全生产起决定性的作用。

(1) 建立劳务相关各方的管理制度, 应对合作的劳务钻机实行制度化管理。

(2) 在施工过程中, 我们发现有些外请钻机设备陈旧, 缺乏必要的维修和维护, 安全防护设施缺失, 机械性能大打折扣, 影响施工进度, 也造成很大的安全隐患。因此, 对劳务钻机进场前没有进行考察, 要对其资质、设备、人员、施工工艺、技术、经验、以往合作情况等条件进行安全考察和论证, 达到要求的才允许进场。

(3) 对考察后允许进场的钻机, 按一定的标准向单位交纳一定数额的风险保证金, 为施工过程中对履行质量、安全义务提供一定的保证。

(4) 外请钻机必须先签订合同后, 明确权利义务后, 才允许进场施工。“先上车后买票”的方式会产生施工管理风险。

(4) 加强安全管理, 做到施工期间施工生产安全和生活安全并重

在施工过程中, 既要防止重生产、轻安全;也要防止重现场生产施工安全, 轻员工的生活安全管理。从近年来发生产的各种伤亡事故看, 在非生产现场发生的伤亡事故有上升的趋势, 比如工作之余外出会友、购物、娱乐、喝酒、钓鱼等过程中发生事故, 不管是生产事故还是生活事故, 受伤主体大部分是农民工。加强对农民工的安全教育和管理, 能有效预防事故发生。

4 结语

经过多年来的水文水井施工, 特别是在特殊复杂地层的打井施工经验积累, 我单位的施工技术和管理水平得到一定的提高。但随着市场竞争的加剧、施工任务的加重、建设方要求的提高等方面原因, 在总结经验的基础上, 很有必要进行钻探技术设备升级和施工工艺水平的不断提高, 以提升钻探施工管理整体水平。

参考文献

[1]吴江滨.地质钻探中孔内复杂情况的应对措施[J].探矿工程-岩土钻掘工程, 2011.

松软破碎围岩地层掘进、支护方式篇3

1 地质基本概况

煤矿井底车场为卧式车场,3#—4#交叉点及-325轨道石门是矿井运输的首要咽喉通道,其所处围岩岩性以炭质泥岩为主,该岩层节理裂隙极为发育,遇水极易泥化膨胀,该岩层位于巷道中下部,见图1;局部巷道顶部为二1煤,该煤层极为软弱,且极易风化、潮解,由于二1煤顶板为完整性很高的中粒砂岩,在掘进过程中巷道围岩局部冒落严重。

2 原掘进支护状况

井底车场3#—4#交叉点及-325轨道石门初期掘进按照常规的掘进方法掘进放炮,由于岩石及煤层极为破碎松软,极易发生冒顶事故,原使用的前探支护,不能有效的控制顶板冒落,工作面放炮后在支护过程中,大量破碎矸石冒落,初期采用放炮后及时喷浆的方法也不能阻止矸石冒落,对施工生产安全造成极大威胁。

最初设计为普通锚网支护,锚杆间排距为800×800mm,该支护难以控制巷道围岩的强烈变形,采用了补打顶板锚索和36U型钢棚支护进行修复,并对巷道全断面进行喷浆封闭,但巷道修复后大量存在喷层开裂、锚索梁大量屈服破坏现象,巷道两帮也存在明显变形。最大变形量达到0.8m。

3 钢管帷幕法前探支护掘进方式

针对岩石破碎松软的特点,根据围岩性质及施工工艺分析,主要是在放炮后初期临时支护不能阻挡顶板破碎岩石的大面积垮落,在巷道施工前采用1寸钢管按照200mm间距围绕巷道轮廓线对巷道顶板围岩封闭,钢管长度3米,采用少装药、放小炮的施工方法,每次掘进1.5m,钢管在未施工巷道的剩余长度为1.5米,相当于在掘进中施工了超前支护,人员在超前支护的掩护下立即进行架设U型钢支护施工,有效的控制了巷道围岩冒落,保证了巷道成型质量及施工速度。确保了施工安全。

4 新型支护技术、

4.1 36U型钢+壁后、巷底注浆

4.1.1 36U型钢棚架设在巷道掘进出断面后,立即对其进行对其进行喷浆临时支护,然后按照设计0.5m间距架设36U型钢棚,在36U型钢棚后敷设一层Φ6.5钢筋焊接的金属网,网孔100×100mm,以便对36U型钢棚后空隙进行矸石充填。充填完毕后喷浆100mm将充填层覆盖。

4.1.2 36U型钢棚壁后充填注浆采用36U型钢棚作为基本支护,针对36U型钢棚壁后不均匀空隙,同时考虑到巷道围岩裂隙十分发育的实际情况,采用充填注浆技术加固围岩,一方面通过注浆将支架与围岩耦合为一体,实现支架与围岩共同承载;另一方面通过注浆加固围岩,提高围岩体本身的稳定性。

4.1.3通过巷底注浆使底板松软岩体、注浆结石体和锚杆有机地结合成整体,改变了岩体的力学特性,增加了岩体的强度和完整性,有效改善了底板的应力状态,控制巷道底臌,缓解巷帮内移,从而提高支架的稳定性。

4.2 技术措施

4.2.1 基本支护

(1)采用四节半园拱形36U型钢支架。

(2)采用钢筋网背板,提高支架的护表性能。

(3)采用双槽形夹板上、下限位卡缆,改进后的卡缆需经热处理,提高其刚度,提高支架的整架性能。要求拱形支架的连接处用3付卡缆,2付双槽夹板限位卡缆,一付普通夹板卡缆。

(4)支架棚距为500mm。

(5)全断面喷浆封闭,喷层厚度100mm。

4.2.2 补强支护

(1)围岩强度补强根据揭露的巷道围岩状况表面,围岩节理裂隙极为发育,且3#—4#交叉点及-325轨道石门处于应力集中区,自身强度较低的炭质泥岩很容易屈服破碎,因此,通过注浆加固手段不仅能够显著改善巷道围岩状况,而且能将已有的36U型钢支护承载能力进一步提高。

①巷帮注浆加固在距巷底500mm、肩窝和巷顶共布置6根注浆锚杆,布置参数见图2。

注浆参数注浆锚杆材质为1寸钢管加工,帮部注浆锚杆长度为3000mm,底部注浆锚杆长度为2000mm,内端为锚固段,中部为带注浆孔的注浆段,长度450mm,钻有10个孔径为8mm的注浆孔,均匀布置,锚杆尾部有40mm长螺纹与注浆泵出浆管高压快速接头连接。注浆锚杆内锚固段采用普通的快硬膨胀水泥药卷,外锚固段采用喷射混凝土密封。

注浆材料的选择主要考虑以下原则:浆材结石体最终强度高,浆液流动性好,配比易调,浆材无毒无味、成本低廉。

根据以上原则及各种注浆材料性能,选用普通425#硅酸盐水泥加水配置而成,其水灰比为0.7～0.8(重量比)。

注浆设备采用镇江江城机械厂生产的QZB-50/6型双液气动注浆泵。

注浆压力是浆液在围岩中扩散的动力。它直接影响注浆加固质量和效果。根据注浆经验,最终注浆压力定为≥2～3Mpa。但在注浆过程中应加强观察,禁止进行破坏性注浆。

注浆量根据注浆经验,结合围岩状况确定每孔注浆量≥50kg浆液。

注浆时间为了防止浆液沿弱面扩散较远,造成跑漏浆现象,注浆时在控制注浆压力和注浆量的同时,必须要控制注浆时间,使注浆时间不宜过长。相反,在围岩裂隙、孔隙、层位不很发育的地方,吸浆速度较慢,注浆扩散较困难,为了提高注浆效果,必须在提高注浆压力的同时适当延长注浆时间。根据实际情况灵活掌握,达到注浆量、注浆压力、注浆时间的可控性注浆。

②巷底注浆加固开挖巷底500mm深后,用C30砼浇注200mm作为止浆层,在砼垫层的基础上进行底板注浆,剩余300mm用道碴充填做为让压区,布置参数见图2。注浆参数同(1)。

5 效果分析

采用钢管帷幕法掘进,大大减少了顶板冒落,解决了在松软破碎岩层中前探支护问题,采用浅打眼、多打眼、少装药,减少了对巷道围岩的破坏,控制了巷道爆破成型,提高了施工安全性确保了安全生产。

采用36U型钢+壁后、巷底注浆,在3#—4#交叉点处布置10个巷道变形观测站,监测巷道围岩变形量,为期3个月的顶底板移近量累计为26mm,巷帮移近量累计为19mm,可见采用该支护后巷道的变形量得到了有效控制。

6 结束语

松软破碎围岩地层掘进支护方式篇4

山西辛置煤矿矿井位于山西中部,年生产能力为260×104t/a,多地段围岩受到地质构造的影响岩层的缝隙较发育,一旦和水接触之后就很容易膨胀泥化。这种地段很难进行掘进和支护,原因是难以保障支护的安全性,怎样保证它的安全性,无疑对于巷道的支护与掘进工作来说是一个挑战。为此采取了一些列的有效措施,包括锚网梁锚喷支护、架棚支护等,使该地段的巷道掘进与支护有了可靠保障[1]。

1 松软破碎围岩的概念

松软破碎围岩具有3个特点,分别是松、软和胀,具体含义是岩石的结构疏松、岩石强度低容易变形和岩石的体积较大。其中胀这个概念还可以细分为碎胀和膨胀两个方面,前者指的是把岩层给卸载之后扩展了裂隙,后者指的是一些有吸水性的矿物质存在于岩层之中发生吸水之后导致岩石自身体积膨大。

具体的评定松软破碎围岩的方法可以概括为以下几点:a)岩石在被烘干之后发生崩解;b)具有较差的胶结性并且>10%的含水率的岩层;c)含有较多量的膨胀矿物比如伊利石等;d)岩层的岩芯的采取率不到10%。以上几个条件只要符合一条就可以归纳为松软岩层类别中[2]。

2 巷道失稳破坏的机理

影响巷道围岩稳定的因素是复杂多样的,不是单一原因可以描述的,但是主要的因素一般是岩体的结构特征与其受到的力学状态,这两个因素是控制稳定性的主要方面,其中前一个因素影响到地学基础,后一个因素是岩层是否稳定的必要条件。

3 巷道支护方式

就近几年的发展水平来看,中国主要采用的巷道支护模式包括以下几种:金属支架支护和锚喷支护等。这些支护方式都对应着相应的支护条件和适用范围等,当然也有各自的优点与缺点(见表1)。

3.1 松软破碎巷道特点

a)较短的自稳时间,主要的影响因素是围岩暴露在外的面积以及形状的特点和原始应力等。自稳时间的范围通常是几十分钟到几十个小时,不出意外的情况下时几个小时。在进行巷道的支护和掘进时一定要充分考虑到自稳时间的影响[3];

b)容易发生破坏的围岩一般是由于移动量太大,造成这种现象的原因是支架和围岩的接触不良。从支架方面看来,和围岩的接触的紧密程度决定了其受压情况和移动量的大小。不过支架出现破坏的地方跟支护工艺是有着密不可分的关系的。由此看来在松软岩层巷道中支架某处破坏严重的原因并不是此处的压力过大;

c)松软的围岩具有明显的流变特性,所以这导致围岩具有较大规模的移动范围,这就缩短了区域的稳定时间。松软围岩流变性强的原因是因为岩层中的含水率和颗粒的组成等。具体来讲就是含有越多量的粘土和水分,含有的颗粒粒度越细就具有越显著的流变性。

3.2 松软破碎巷道的建议支护方式

a)增强围岩自身的自稳能力。要达到这个目的就需要采用多种类型的巷道断面,可以包括拱形、原形等断面形状,并且要减少拐角和直墙的数量,为的是防止应力过于集中。为了使岩层受到的损害降到最低可以采用的掘进方法有光面爆破或者掘进机掘进。如果岩层的破碎情况非常严重那么就需要进行架设金属支架支护,这样可以使岩体的塑性和连续性等得到较好的改善。围岩增加整体性的方法有锚喷支护法,同时还有另一个作用就是产生一个承载环,可以承载压力;

b)支护一定要及时进行,避免发生冒顶事故,喷射混凝土需要在暴露围岩之后立刻开始,喷射的厚度需要小于0.02倍的巷道半径,喷射的作用是使围岩及时被封闭。在临时支护之后需要开展永久支护,永久支护中的一部分可以是临时支护,另外为使围岩所受的损坏降到最低需要巷道施工时一次成巷;

c)永久支护采用的结构是闭合式的,这种形式的支护方法能够承载足够的压力,可以使井下的水和底膨情况得到有效的控制[4];

d)使围岩的应力得到较为充分的释放,让支架的受压情况均匀分布。在设计时一定要讲足够变形余量考虑在内。支架的可缩变形能发生在各个方向,需要把变形量范围保持在100 mm~150 mm。

4 松软破碎岩层掘进支护方式

因为松软岩层的特点是破碎松软,通过分析施工的工艺和围岩的性质特点,放炮之后进行的临时支护对顶板的破碎岩石不能起到阻挡的作用。采用超前的支护措施,超前支护可以掩护人员进行U型钢支护的施工,可以使巷道减少围岩冒落的情况,这样一来巷道施工速度和质量都有了保障,施工的安全性也提高了[5]。

4.1 新型的支护方法

巷道的临时喷射支护需要在掘进完毕之后立即进行,随后架设钢棚工作开始,在设计中规定架设的间距是0.5 m,架设完毕后再设置一层金属网在29U型的钢棚后面,金属网的网孔规格是100 mm×100 mm,然后在金属网后充填粉煤灰,粉煤灰为袋装,规格为250 mm×150mm,粉煤灰遇水后会凝固,因此会支架具有了较高的稳定性,从而实现支护变为1个类似圆的巷道整体。

4.2 技术措施

基本的支护措施有5项:a)断面喷浆100 mm;b)背板采用钢筋网的方式,填充粉煤灰,使支架的性能提高;c)设计支架的棚距500 mm;d)支架为29U型钢,分为5节,每节形状为拱形。

5 结语

巷道掘进工程中的1个大难题就是松软破碎围岩的掘进和支护问题,本文通过采用临时喷护工艺和29U型钢支护工艺取得了较好的稳定围岩的效果,支架的稳定性也有了保障,使围岩巷道变形的问题得到了有效控制[6]。

摘要：对于许多矿井的松软破碎围岩地层、巷道容易产生破碎、巷道的支护比较繁琐等特点,通过分析巷道围岩的破坏机理,总结了松软破碎围岩变形的各项规律和因素,提出了巷道的掘进和支护方法,分析了山西辛置煤矿矿井一些松软破碎围岩条件下的巷道布置与支护情况。

关键词：松软破碎围岩,巷道,支护

参考文献

[1]黎学勤.高压预注浆加固不稳定围岩浅孔留矿法[J].有色金属(矿山部分),2006(02):125.

[2]路耀华.要努力攻克软岩巷道支护技术关(代序)[J].建井技术,2009(11):24.

[3]刘世臻.以光爆锚喷为基础综合治理松软围岩[J].建井技术,2007(01):41.

[4]刘益平.特大断面公路隧道锚杆支护参数研究[G]//中国土木工程学会第十二届年会暨隧道及地下工程分会第十四届年会论文集.上海:同济大学出版社,2006.

[5]陈玉华.砂浆泵在井巷工程中的应用[G]//鲁冀晋琼粤川六省金属学会第十四届矿山学术交流会论文集.济南:山东冶金杂志,2007.

复杂破碎地层篇5

与传统钻进工艺相比,绳索取芯钻进工艺具有提高钻探效率,降低工人劳动强度,节约钻探成本等显著优点,尤其适合深孔钻进[1]。近年来,随着我国矿产资源勘探大规模转向深部以及地球科学钻探的蓬勃发展,使得绳索取芯钻进在地质、煤炭、水电、冶金和科学探测等领域广泛应用。由于绳索取芯钻具卡簧的收拢幅度较小,钻进完整地层时,绳索取芯钻具的取芯效果较好,但当钻进破碎地层时,经常出现取芯率低,甚至取不上岩(矿)芯的情况[2,3]。众所周知,岩(矿)芯是评价矿产资源储量、分析地质构造等最直观、最准确的资料,准确获取有代表性的岩(矿)芯样品意义重大。因此,对现有绳索取芯钻具进行改进设计,使其能够显著提高在破碎地层中的取芯质量十分必要,论文详细阐述了项目组对传统S-75绳索取芯钻具进行的改进设计和初步室内外试验,改进后的绳索强制取芯钻具能够显著提高破碎地层中取芯的质量。

1 绳索强制取芯钻具的结构及工作机理

图1为S-75绳索取芯钻具结构图,绳索强制取芯钻具仅需对S-75绳索取芯钻具内管总成中的悬挂部件(图1中部件Ⅰ)和卡芯部件(图1中部件Ⅱ)做改进,其余零部件不变。S-75绳索取芯钻具部件Ⅰ和部件Ⅱ工作机理是:内管总成下入孔底后,悬挂环2坐落在座环3上,冲洗液从进水口1进入,打开阀堵4后从出水口5进入内外管间的环状间隙直至孔底。卡芯时,卡簧座6下移至钻头8的内台阶,卡簧7沿着卡簧座6的内锥面移动,抱紧并拉断岩芯[4]。

1—进水口;2—悬挂环;3—座环;4—阀堵;5—出水口;6—卡簧座;7—卡簧;8—钻头Ⅰ—需改进设计的部件1;Ⅱ—需改进设计的部件2

改进后的部件Ⅰ如图2所示,悬挂环6通过销钉7固定在悬挂接头3上,同时阀堵及悬挂接头的内部结构作了一些变化;改进后的部件Ⅱ如图3所示,主要由卡芯接头1、爪簧3及爪簧座4等零件组成,卡芯接头1通过插接的方式与爪簧3及爪簧座4配合,爪簧座4内设有30°的内台阶。

将改进后的部件Ⅰ(图2)和改进后的部件Ⅱ(图3)分别代替图1中的部件Ⅰ和部件Ⅱ即构成绳索强制取芯钻具,绳索强制取芯钻具的工作机理如下:内管总成下入孔内后,仍然通过悬挂环坐落在座环上。

1—弹簧;2—进水口;3—悬挂接头;4—阀堵;5—悬挂接头内台阶;6—悬挂环;7—销钉;8—弹簧;9—出水口

1—卡芯接头;2—销钉;3—爪簧;4—爪簧座;5—阶梯钻头

正常钻进时,冲洗液由进水口2进入悬挂接头3内部,推开阀堵4,使阀堵4处于图2中的虚线位置,冲洗液经过中心通道后经出水口9进入内外管间环状间隙直至孔底。此时,图3中爪簧座4通过销钉2悬挂在卡芯接头1上,爪簧座4与钻头5的内台阶之间有2~4mm的过水间隙。

钻进结束需卡取岩芯时,先关闭地表泵,将地表泵由正常钻进泵量挡位调至最高泵量挡位,同时将泵的安全阀调至设计压力,再开泵,在大泵量水力作用下,图2中阀堵4迅速下移至悬挂接头3的内台阶5处,并堵住冲洗液的中心通道,泵压骤然升高,销钉7被剪断,整个钻具的内管总成相对于外管向下位移一定距离(设计值为2cm),图3中卡芯接头1向下位移,爪簧座4座落于钻头5的内台阶上,同时卡芯接头1推动爪簧3向下位移,爪簧3碰到爪簧座4的内台阶后被迫收拢,从而牢固地卡住破碎岩(矿)芯[5]。

2 室内试验

室内试验的目的是:确定固定悬挂环销钉的合理直径,该直径与地表泵的泵压对应;确定爪簧的合理结构形式(包括爪子的数目、厚度、长度和切缝形式等);检验绳索强制取芯钻具是否能够完成预设的动作。

2.1 销钉剪切试验

加工销钉的材料为20号钢,参考理论计算的结果将销钉加工为直径d=3~7mm不等,在压力机上进行剪切试验,得到表1所示的试验数据。

根据表1的数据可确定实际钻进时绳索强制取芯钻具所需配备销钉的合理直径并设定安全阀的卸荷压力,其原则是:剪断销钉对应的地表泵压大致为正常钻进时最大泵压的2倍(这样可以防止正常钻进时某些异常情况下泵压升高而导致剪断销钉的误操作),再根据剪断销钉对应的地表泵压便可确定销钉的直径;安全阀的卸荷压力可以设置成略高于剪断销钉对应的泵压。例如:正常钻进时最大泵压为1.5MPa,则剪断销钉对应的地表泵压可设置为3.0 MPa,查表1可知销钉对应的直径为4.5mm,此时,安全阀的卸荷压力可设置为3.5 MPa或4.0 MPa。

2.2 爪簧收拢试验

最初设计的爪簧是在一个薄壁圆筒上通过线切割均匀加工10条长20mm、宽0.3~0.8mm的等宽度缝隙,圆筒被10条缝隙分隔成10个爪子,线切割时切线并不通过圆心,而是先把圆筒的内径均分成10等份后,通过5条切缝分成10个爪子,5个内层爪子和5个外层爪子,爪子的结构及切缝形式如图4所示。

1—外层爪;2—切缝;3—内层爪

试验时,把爪簧与30°的台阶配合,并通过压力机施加压力迫使爪簧收拢。试验表明:爪簧在1 k N左右的轴向压力作用下就能收拢,并分成内外两层,爪簧内径由43mm收拢到32mm,爪簧的收拢程度没有预计的理想,主要是由于内层爪子之间相互挤碰,妨碍了爪簧的进一步收拢。

为了加大爪簧的收拢程度,项目组对爪簧进行了改进设计:将爪子的长度由20mm加长为25mm,同时等宽度的线切割缝改成“V”字型,再次试验时取得了较好的效果。

加工爪簧的材料为20号钢,爪簧收拢后通过专用的工具可轻易修复,爪簧可反复使用。

3 野外初步试验

2010年11月,项目组在河南栾川金矿的ZK121钻孔对绳索强制取芯钻具进行了野外初步试验,试验钻孔深度为180m,口径为76,使用的钻机为XY-5立轴岩芯钻机,水泵为BW-320泵。

为了确保钻具在孔底工作的可靠性,首先在地表对钻具的卡芯动作进行试验。先将钻具与水龙头连接好,采用正常钻进时的泵量1档118L/min检验钻具的性能,销钉未剪断,爪簧未收拢,水路循环通畅,工况正常,停泵后将水泵调至3档230L/min,再开泵,泵压迅速上升至6MPa,销钉剪断,爪簧收拢状况良好,如图5所示。

此后进行了两个回次的孔内取芯试验。第一个回次,采用118L/min的泵量进行正常钻进,进尺0.5 m后停泵,换至3档230 L/min,开泵片刻后泵压急剧上升至6MPa,起钻后发现爪簧并未收拢,没有取上岩芯。现场所钻地层为8级左右完整灰岩,分析原因认为,地层完整且较硬,爪簧难以抓住并拔断岩芯。

第二个回次,为了模拟破碎地层,清除孔内残芯后,向孔内投入一些小石子,如图6所示,此次并不钻进完整基岩,只是将钻具下入孔内后扫孔,待钻头接触基岩后,停泵,换至3档230L/min,开泵片刻后泵压急剧上升至6MPa,关泵后起钻,提上的钻具如图7所示,投入的石子基本取出。

4 结语

(1)传统绳索取芯钻具具有显著提高钻探效率,减轻劳动强度等优点,广泛应用于固体矿床勘探等领域,该钻具在完整地层中取芯效果较好,但在松软、破碎地层中取芯效果则不理想。

(2)对传统S-75绳索取芯钻具进行简单改进后的绳索强制取芯钻具,设计思路新颖,结构合理,是提高破碎地层取芯质量的一种有效钻具。

(3)室内外试验表明,绳索强制取芯钻具工作性能可靠,在软、破碎地层取芯效果较好,可提高深部资源勘探的取芯质量,但对于完整坚硬的岩层取芯效果有待提高。

参考文献

[1]赵俞民,李锡.绳索取芯工艺配套技术在复杂地层中的应用[J].云南科技管理,2010,(3):87～89.

[2]卢予北.探矿工况在地质资源勘探和地球科学研究中的作用[J].探矿工程,2009,36(7):1～5.

[3]张伟.汶川地震科学钻探二号孔取芯钻进方法的选择[J].探矿工程,2009,36(7):6～8.

[4]谢绍军.钻井取芯出芯装置研制[J].石油天然气学报,2008,30(1):269～270.

复杂地层中的钻探技术研究篇6

自改革开放以来, 我国的经济总量和科技发展水平都得到了显著的提升, 各行各业的发展都进入了一个高速增长的时代, 全国各地的城市建设规模在不断扩大, 矿产资源消耗量也在不断增加。因此很多建筑项目、矿井、铁矿、油田等工程在改建扩建的同时, 就可能要面临更为复杂的地质条件, 比如产状较陡、软硬不均的岩石地层、断层破碎带、岩溶地区、海洋湖泊等, 很容易在钻进过程中出现卡钻、掉钻、埋钻以及钻孔弯曲等现象, 导致钻孔报废, 严重者可能会出现重大的安全事故, 因此复杂地层中的钻探施工难度更大, 这时就必须加强复杂地层中的钻探技术研究, 提出更为合理有效的钻探措施, 提高钻探工作的效率, 避免安全事故的发生。

1 影响复杂地层钻探施工的主要因素

一般来说影响复杂地层钻探机械施工的因素主要包括地层条件、钻探施工工艺以及钻机设备条件等, 在钻机钻探过程中如果控制协调不好各种影响因素, 很容易导致钻孔弯曲、少钻、漏钻, 进而影响对矿体含量、产状的准确评价和判断, 或是地层承载力、压缩性等参数有效的评估。

1.1 地层条件

复杂地层主要包括各种盐类地层、各种粘土、泥岩、页岩地层、含有流砂、砂砾的地层、断层裂隙发育的地层、岩溶地层、高压油、气、水地层以及高地应力、高温地层, 这类地层的岩石或土体强度、硬度、弹塑性、脆性、水溶性和水化性等性质一般都复杂多变, 层理、片理发育, 地层产状变化较大, 极易影响钻机的钻探施工, 比如当岩石的层理方向与垂直于层理方向的硬度比较大时, 很容易导致钻孔发生大的弯曲, 碰到断层破碎带、溶洞时很容易发生卡钻、掉钻以及埋钻现象, 碰到卵石地层就可能导致钻机钻进困难, 影响施工效率。

1.2 钻探施工工艺

钻探施工工艺也是影响复杂地层钻探施工效率和质量的重要因素, 比如当钻进时压力过大时, 会造成钻杆弯曲, 继而导致钻孔发生弯曲;当钻机旋转时速过高, 很容易造成钻杆回转离心力增大产生横向振动, 继而导致钻孔孔径、孔壁间隙增大;当钻机钻进过程中遇到泥岩、页岩等软岩, 如果使用的冲洗液量过大, 会将钻孔孔壁冲坏, 致使钻机卡钻、埋钻。

1.3 钻机设备条件

钻机设备质量的好坏及钻机型号的选择是影响复杂地层钻探施工的直接因素。如果钻机磨损严重或是钻进功率偏低, 当遇到复杂地层时很容易发生钻机转速、钻速以及钻压等参数的匹配调整不到所需的要求, 影响钻进效率和施工质量。

2 提高复杂地层钻探施工质量和效率的有效措施

鉴于复杂地层极为艰苦的施工条件, 需要提出有效的应对措施来提高钻探施工的施工效率和质量, 本文从钻探方法、钻机设备选型以及钻孔结构布置等几个角度入手分别进行介绍。

2.1 钻探方法的选择

在复杂地层中钻机的钻机压力和速度要适时进行调整, 充分根据岩石地层的可钻性、研磨性以及完整程度等特征选择钻具和钻进方法, 同时还要根据孔中水位的变化、冲洗液的消耗和漏失情况、涌水位置和涌水量、水温的异常、翻浆速度、颜色等情况适时调整钻机压力和速度, 比如当地层岩石的可钻性比较低时可以选用硬质合金、金刚石或复合片组头进行回转钻进, 当可钻性比较高时可以选用硬质合金或金刚石钻头进行冲击回转钻进或钢粒钻进, 当遇到断层破碎带、溶洞时, 要准确判断聚水量和水力连通关系, 注意使用适当长度的短钻杆或岩心管, 有效保持钻具的刚性钻进进度, 同时还要按照起拔钻进工艺施工, 防止裂隙中的岩块掉落造成卡钻, 泥沙、碎屑不能顺利排出孔外时造成埋钻, 或是钻头在溶洞中甩开脱。

2.2 钻孔结构的布置与选择

复杂地层中由于岩层的层理、片理发育, 地层产状、岩石的强度和硬度等变化较大, 钻孔结构的布置和选择直接影响到钻机的钻探效率和工程施工成本, 因此在钻机开钻之前, 要注意收集整理当地的水文地质条件和物探资料, 然后按照先疏后密、点线、深浅结合的原则进行布孔, 同时还要注意合理选择钻孔的深度、终孔直径以及钻孔形式, 对于含水的基岩层或岩溶地区, 钻孔应穿透含水层或岩溶发育带。同时在保证钻探工作准确性的前提下, 尽量做到一孔多用。

2.3 钻探设备的选择

钻机设备的好坏以及选型的合适与否直接影响着钻机的钻机效率, 因此一定要根据矿区水文地质岩石的钻机难易程度进行钻机参数的选型。钻探设备主要包括钻机、泥浆泵的型号, 钻塔类型等, 钻探设备的选择要严格根据钻孔的设计深度、倾角、结构, 岩层变化形式以及钻机的钻进方法等进行, 比如应尽量选择电动机动力机、正反向一体化钻头等。在钻探施工过程中要严格执行《岩心钻探规程》中规定的钻探常用设备配套标准, 注意钻机设备的保养和更换, 对于磨损严重的钻头、泥浆泵要及时更换, 保证钻机按最大效率工作。

同时还要注意选择空气、泡沫或清水等合理的冲洗介质。当钻进稳定的地层时, 可以选用清水作为冲洗液, 当钻到含水丰富、松软的砂层或砾石地层时, 可以选择高密度冲洗液, 当地层漏失严重时可以考虑使用堵漏材料。

3 结论

复杂地层的钻探工作作业条件恶劣, 施工过程中受流砂、砂砾的地层、断层裂隙发育的地层、岩溶地层、高压油、气、水地层以及高地应力、高温地层等因素影响大, 因此相关技术人员要认真做好复杂地层钻孔的设计与布置, 按照钻进设备及具体地质情况, 改变施工工艺, 切实提高钻进工作效率。

参考文献

[1]何杨, 王伟.浅谈钻探施工技术在复杂地层中的应用[J].吉林地质, 2008, 27 (4) :100-101.

[2]孙满军, 冯基东, 杨振雷, 等.浅谈第四系复杂地层钻探技术[J].吉林地质, 2010, 29 (2) :151-152.

复杂地层钻井液选用浅谈篇7

我国地域辽阔, 复杂地层的种类较多、分散范围较广。主要包括了:岩膏地层, 裂隙岩溶地层, 砂卵石层, 淤泥质土层, 松软和水敏性地层, 流砂、砂砾、松散破碎地层, 高压油、气、水地层等。

复杂地层是指钻进时产生不同程度的钻孔坍塌、掉块、漏失、涌水或井喷、孔壁膨胀以及缩小等孔内复杂情况的地层[1]。复杂地层的钻进是钻探施工中不可避免的问题, 亦是难题。而复杂地层钻进时钻井液的选择恰当与否是保证钻进顺利的一个重要因素。钻井液被誉为钻探的“血液”, 由此可知钻井液在钻探施工中的重要地位。

1 复杂地层钻井液的选择

1.1 复杂地层钻井液的选择原则

由于复杂地层种类繁多, 故钻井液选择时也不能一概而论。

对于岩膏地层, 钻井时钻井液主要具有以下两个作用:一是, 抑制岩盐的溶解、过饱和重结晶;二是, 延缓岩盐层的蠕变[2]。因此, 选择具有较强抗盐钙性、抑制性及防止坍塌性的钻井液是较为合适的。

钻探过程中如遇裂隙岩溶地层, 可能遇到井壁漏水, 涌水, 掉块, 坍塌等复杂情况, 造成钻进困难。但若在钻进过程中选择具有造壁、堵漏效果好的钻井液, 则可使钻进更易进行。

就松软和水敏性地层而言, 其典型地层包括松散粘土层、各种泥岩、软页岩, 有裂隙的硬页岩, 粘土胶结及水溶矿物胶结的地层, 在钻进过程中易出现膨胀缩径, 泥浆增稠, 钻头泥包, 孔壁表面剥落, 崩解垮塌超径等钻井事故[3]。故在钻进此类地层时钻井液需具有较好的降滤失性能和一定的剪切稀释性能及抑制水敏和防塌作用。

对于流砂、砂砾、松散破碎地层, 其孔隙多、裂隙发育、地层破碎, 故在选择钻井液时第一要素便是需要钻井液有良好的造壁性, 才使得在钻井过程中不至于漏浆甚至无浆上返。在钻遇流砂层时, 由于钻井液的冲刷易导致流砂坍塌从而造成钻进困难, 故更应选择具有一定密度, 粘度较大和防塌性能的钻井液。

在钻进淤泥质土层时, 必须保证地层孔内泥浆的压力与孔深处的地应力相平衡, 且循环中的泥浆能快速形成致密的泥皮[4], 故钻井液的选择关键即是钻井液须有合理的密度, 利用泥浆的压力来平衡地层压力, 同时要求钻井液具有一定的粘度和抑制防塌性能和较好的降滤失性能。

虽复杂地层类型各异, 性状不同, 以上列举的复杂地层在选择钻井液时均有其侧重方向, 但在选择钻井液时亦有其通用原则, 即是:因“地层”制宜、攻之以矛, 守之以盾。针对地层特点下手, 着眼于其易造成钻进困难的点, 逐一攻破, 即可达到顺利钻进。

1.2 几种复杂地层钻井液选择的实例分析

1.2.1 舒兰5#井

该井位于舒兰市平安镇镜内, 属伊舒断陷沉积盆地。地层岩性主要以砂岩、砂砾岩、泥岩、页岩、煤层等组成。砂岩以中粗砂岩为主, 无胶结、松散, 砂砾岩层段占整个井层段50%以上, 砾石直径大小不一, 极易坍塌、泥岩、页岩以泥质成分为主, 水敏性特强、扩孔, 缩径现象非常普遍。

钻进该孔即要防止砂砾岩坍塌现象, 又要防止泥页岩缩径, 扩孔现象。根据经验分析, 如钻井液对砂岩起效, 对泥岩所起的作用可能就小。钻遇两种岩性矛盾, 而必须依靠一种钻井液护壁, 是该钻孔钻进的难题。

针对舒兰5#井中复杂地层的钻进问题, 须选用一种性能稳定, 既能在泥岩抑制地层的水化膨胀, 又能在砂岩中起到良好的胶结护壁作用。故采用以天然植物胶-2, KP共聚物, 聚乙烯醇为主, 配合CMC、PHP、KCl等材料, 配制出无固相钻井液。实践表明, 运用该钻井液使得钻进顺利进行, 成功完成钻探任务。

1.2.2 敦化3#井

该井位于敦化盆地, 地层岩性变化大, 上部是较硬质玄武岩, 下部以砂岩为主, 局部夹有泥岩、页岩、即有硬层、软层, 且涌水、漏失现象严重, 是一个极其复杂地层。

针对改孔软硬相间的岩层, 及涌、漏水现象。需采取具有胶结性防塌和强抑制性护壁的钻井液同时配合比重压涌方式, 加强防涌和防漏的预防。因此, 采用低固相钻井液配置。即清水+膨润土+天然植物胶-1+KP共聚物+聚乙烯醇+硅酸钠+CMC+KCl+多功能随钻堵漏剂。历时43天, 成功进尺1000.66米, 圆满完成了钻探任务。

1.2.3 松原ZK0833

该井位于松原市朝阳乡境内, 属松辽沉积盆地。岩性大体如下:0-32m, 冲积层, 32—116m, 砂岩层, 胶结不好、松散, 116-875.50m, 泥岩、页岩层, 巨厚泥岩层段, 水敏性强, 极易坍塌、扩径、缩径现象时常发生。

该孔地层岩性变化较小, 钻进时主要需对砂岩、泥岩、页岩的坍塌、缩径的问题加以预防。阻止或减轻地层水化膨胀造成井壁坍塌、缩径事故的发生。针对该孔的特殊情况, 采用低固相钻井液配置。即清水+膨润土+天然植物胶SD-1+PHP。此配方中, 所选的天然植物胶又有一定的护壁作用, PHP有一定的堵漏作用。真正对钻孔做到了对症下药, 药到病除。该孔历时28天, 成功进尺875.50米。

2 对复杂地层钻井液选择的认识

钻井液在普通地层的钻进过程中主要起以下作用:冷却钻头、润滑钻具、清洗孔底、携带岩粉等[5]。但在复杂地层的钻进过程中还要求钻井液具有一些特殊的性能。如钻进破碎地层时要求钻井液须有护壁作用。然而在实际钻探过程中, 钻遇地层通常并非一种而是多种, 所以一种类型的钻井液并不能满足整个钻进过程的需要, 有时需更换钻井液体系。但更换钻井液体系时不能突变, 需有一个过渡的过程, 如不能将酸性泥浆直接变换成碱性泥浆, 若如此则会造成本已稳定的孔壁变得不稳定或是其他钻进安全隐患。

同时在钻进过程中也要保证钻井液的性能稳定。要保证钻井液的性能稳定, 固相控制是关键, 尤其是对低密度固相控制。在同等条件下, 低密度固相含量越低, 钻井液的内摩擦力就越小, 更有利减少能量消耗, 同时也可以提高钻井液的高温稳定性、抗污染能力等, 所以控制低密度固相含量可以保证钻井液性能稳定。

3 结论及建议

(1) 钻探施工之前对可能遇到的地层进行预测, 并选择、设计合理的钻井液, 做好地层预测应对方案, 是钻探施工前一项重要的准备工作。

(2) 在复杂长裸地层 (时间或空间) , 采用套管护壁或其他护壁方式较泥浆护壁更为妥当[6]。

(3) 钻井泥浆要保持性能的稳定性。禁止泥浆体系的突变或性能质量的变化, 易导致孔壁失稳, 即使更换泥浆体系也需要过渡性的更替。

(4) 泥浆的固控技术尤为重要, 可按钻孔实际情况选用泥浆固控设备。

(5) 泥浆材料选择不拘泥于现有品种, 扩大泥浆的品种类型, 对复杂地层的钻进有裨益。

(6) 钻探过程是一个很复杂的过程, 除对钻进液的选择合理之外, 还应注重于钻探设备的合理选择及钻探工艺的密切配合, 环环相扣, 才能使钻探有条不紊的进行。

摘要：复杂地层钻探一直以来都是钻探施工的难点问题, 如何选用合适的钻井液来保证钻探的顺利进行是复杂地层钻进的关键问题之一。本文以舒兰5#井, 敦化3#井及松原ZK0833的钻井液选用情况及使用效果为例介绍了复杂地层钻井液的选用原则, 为复杂地层的钻井液选用提出了建议。

关键词：复杂地层,钻井液,选用

参考文献

[1]舒智.复杂地层深孔钻进关键技术的探讨与实践[J].探矿工程 (岩土钻掘工程) , 2009, S1:161-166.