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荆山煤田ZK1001孔的泥浆措施与坍塌治理2012年10月福建省第二地质勘探大队，福建永安366000杨生打造中国金融IT服务业第一品牌2前言永安荆山煤田的煤系地层岩石节理发育，粉煤层极易坍塌，而且煤层的顶、底板岩心极破碎，胶结疏松，产状陡。在施工ZK1001钻孔的过程中由于冲洗液选择和操作不当，大调泥浆性能，发生了坍塌埋钻事故，并产生连锁反应，坍塌极难控制，治理难度非常大。我们在灌注水泥工艺和泥浆的应用等方面行了调整，对高压旋喷灌注水泥工艺和高密度泥浆进行了有益探索。经过该钻孔的治理实践，为该类地层的防治积累了宝贵经验。打造中国金融IT服务业第一品牌3内容提要2钻孔主要的施工难点1矿区概述3护壁泥浆的应用4严重坍塌事故的处理5教训与体会打造中国金融IT服务业第一品牌4矿区概述荆山矿区位于永安市槐南乡大龙逢村、荆山村。矿区总体地貌属中－低山侵蚀构造类型，森林覆盖率约70%，区内地形切割较深，沟谷发育。矿区内主要水系为大龙逢溪，自北往南经大龙逢村汇入槐南溪。矿区内出露地层有：石炭系下统林地组（C1l）、上统船山组（C3c）、二叠系统栖霞组（P1q）、下统文笔山组（P1w）、下统童子岩组（P1t）、侏罗系上统长林组（J3c）、上统南园组（J3n），详见表11表1矿区地层表系统地层名称代号接触关系厚度侏罗系上统南园组J3n不整合＞150上统长林组J3c断层＞100二叠系下童子岩组第一段P1t1整合303统文笔山组P1w整合98栖霞组P1q整合168石炭系上统船山组C3c断层98下统林地组C1l＞132打造中国金融IT服务业第一品牌5矿区概述ZK1001孔的实际地层：﹙1﹚0～20m，表士层及第四系沉积层，主要由残积土、粘土组成。﹙2﹚20～330m，黑云母花岗岩,岩石坚硬、致密、易打滑，可钻性9～10级。﹙3﹚330～400m，下统栖霞组（P1q），岩性为灰—灰黑色灰岩，顶部0-6m为硅质岩。﹙4﹚400～490m，下统文笔山组（P1w），岩性以泥质岩、细粉砂岩为主，次为粗粉砂岩和细砂岩。﹙5﹚490～795m，下统童子岩组（P1t），为矿区主要勘探对象，按岩相沉积特征划分3个带（P1t1-1、P1t1-2、P1t1-3）分述如下：①第一带（P1t1-1），厚度＞129m，岩性由粉砂质岩、泥质岩为主，次为砂质岩和煤层；②第二带（P1t1-2），厚度98m，岩性以泥质岩、砂质岩为主，次为粉砂岩和煤层；③第三带（P1t1-3），厚度76m。岩性以泥质岩、硅质岩为主，次为粉砂质岩和煤层。﹙6﹚795～819.86m，下统文笔山组（P1w），岩性以泥质岩、细粉砂岩为主，次为粗粉砂岩和细砂岩。1打造中国金融IT服务业第一品牌6内容提要1矿区概述2钻孔主要的施工难点3护壁泥浆的应用4严重坍塌事故的处理5教训与体会打造中国金融IT服务业第一品牌7钻孔主要的施工难点1．在煤系地层特别是粉煤层中钻进，如果冲洗液使用不当，一旦出现坍塌将极难控制，出现钻孔越扫越浅，重复扫孔的问题，且该孔煤层顶底、板岩心破碎、坚硬，胶结疏松、裂缝多、产状陡，容易伴随煤层坍塌。在地层压力的作用下产生掉块等复杂情况，造成卡、埋钻事故。2．钻杆在该孔段坍塌后形成的“空膛”处受力复杂，疲劳损坏严重，容易折断，事故头或被塌落的碎岩掩埋，或偏向坍塌的孔壁“空膛”里，与打捞工具往往“擦肩”而过，处理难度极大。2打造中国金融IT服务业第一品牌8内容提要1矿区概述3护壁泥浆的应用2钻孔主要的施工难点4严重坍塌事故的处理5教训与体会打造中国金融IT服务业第一品牌9护壁泥浆的应用3.1各孔段钻进泥浆及其使用情况3泥浆配方性能控制指标应用效果0～602清水﹙1m³﹚+PHP﹙水解度30％﹚﹙200～300ppm﹚+CMC﹙0.3％﹚+高效润滑剂﹙0.5～1％﹚+适量纯碱密度1.005～1.01g/cm³;滤失量15～25ml/30min;粘度15～20s；PH值8～9；胶体率＞95％；泥饼厚度0.4mm适应稳定地层，在煤系地层出现掉块、坍塌情况602～696清水﹙1m³﹚+钠质膨润土﹙3～4％﹚+PHP﹙水解度30％﹚﹙200～300ppm﹚+CMC﹙0.3％﹚密度1.03～1.06g/cm³;滤失量10～15ml/30min;粘度20-25s；胶体率＞98％；PH值8～9；泥饼厚度0.5mm暂时控制坍塌坍塌孔段～终孔清水﹙1m³﹚+钠质膨润土﹙6～8％﹚+CMC﹙0.3～0.5％﹚+KHm﹙1％﹚+植物胶SD-2﹙1～2％﹚+适量重晶石密度1.08～1.15g/cm³;滤失量＜9ml/30min;粘度25-35s；胶体率＞95％；PH值8～9；泥饼厚度＜1mm效果好打造中国金融IT服务业第一品牌10护壁泥浆的应用3.1各孔段钻进泥浆及其使用情况1．0～602ｍ采用清水+PHP+高效润滑剂无固相冲洗液。该体系能够适应在稳定的地层中钻进，可以有效地携带岩粉，而且自身净化能力强，维护较容易、方便；能使用高转速钻进，进尺效率高，正常钻进时每天进尺20～35ｍ。但是该体系在易坍塌不稳定地层就很不适应，在400ｍ后就经常出现掉块现象，钻进至602ｍ时就出现了坍塌的情况，2．602～696m优质钠质膨润土+CMC+PHP低固相泥浆体系进行护壁。采用该泥浆钻进至696m时，由于优质钠土的缺货而采用劣质粘土粉制浆，导致在钻进过程中不能保持原有泥浆的性能，破坏了原孔壁的稳定，再次发生坍塌，钻具被埋。处理埋钻事故时，该体系已不能有效控制坍塌的孔壁。3．坍塌孔段～终孔采用高密度泥浆护壁。该泥浆体系特点：能加强破碎地层破碎岩块之间的胶结力，滤失量小，避免大量冲洗液进入到破碎地层之中；密度增加提高了泥浆的液柱压力，平衡地层的坍塌压力；粘度增加，一方面是提高泥浆的悬浮能力，另一方面是为了减少泥浆对孔壁的冲刷；使用过程中，可根据地层条件和稳定情况的需要适当加入重晶石，提高泥浆密度保持地层压力平衡。3打造中国金融IT服务业第一品牌11护壁泥浆的应用3.2现场配制泥浆要注意的问题﹙1﹚要选择造浆性能良好的优质钠质膨润土及质量好的泥浆添加剂，保证其对泥浆的性能指标有良好的调节作用。﹙2﹚必须预制浸泡，对钠质膨润土、植物胶、CMC都要提前充分水化。﹙3﹚要注意添加顺序，避免添加剂之间阻溶和不理想交联而导致絮凝等现象。添加顺序：钠质膨润土～CMC～KHm～植物胶SD-2～重晶石。﹙4﹚加重晶石时应分批次加入，每加一批次充分搅拌均匀后再加入下一批次，以免一次加入过多搅拌不均匀导致结块。3打造中国金融IT服务业第一品牌12护壁泥浆的应用3.3泥浆性能的维护﹙1﹚做好对返浆性能的测定，每班1次或根据需要增加测定次数，并认真记录测定数据。发现返浆性能达不到指标或施工地层发生了变化，应根据情况及时调整冲洗液性能和补充新液或更换新浆。﹙2﹚循环槽、沉淀池、水源池要按小口径钻进规程布置，给岩粉充分沉降创造条件，并多设置1个沉淀池，保证泥浆更好净化，认真、及时对有害固相进行清除。﹙3﹚防止地表水和冲洗水混入循环系统，在泥浆循环线路附近修好排水槽，下雨时设法盖好循环槽、沉淀池、泥浆池。3打造中国金融IT服务业第一品牌13内容提要1矿区概述4严重坍塌事故的处理2钻孔主要的施工难点3护壁泥浆的应用5教训与体会打造中国金融IT服务业第一品牌14严重坍塌事故的处理4.1事故发生现象钻孔在下完φ89mm套管后采用φ77mm金刚石绳索取心钻进至696m时，发现泵压升高的现象，当班班长立即停钻取心。在取心后，对上主杆时钻具已不能动弹，水泵也无法开通。经判断为578m～580.2m；591m～595.6m的粉煤层坍塌，钻具在孔内被埋。试图反复开泵高压冲孔配合上下活动钻具却毫无效果，强力提拨至使钻杆脱扣，此时孔内事故钻具为φ77mm钻具4.43m和70根φ71mm钻杆，事故头位置是443.07m。4打造中国金融IT服务业第一品牌15严重坍塌事故的处理4.2事故原因分析在578m～580.2m,591m～595.6m处钻遇两层粉煤层，而且其顶、底板岩心极破碎，胶结疏松，产状陡。钻至602m开始出现坍塌，立即采用优质钠质膨润土+CMC+PHP低固相泥浆体系进行护壁，经过2个小班的循环排渣，煤层坍塌基本被控制。可是继续钻进至696m，由于优质钠土的缺货而采用劣质粘土粉制浆，导致在钻进过程中不能保持原有泥浆的性能，破坏了原孔壁的稳定，引发这次坍塌埋钻的事故。4打造中国金融IT服务业第一品牌16严重坍塌事故的处理4.3事故处理措施的制定﹙1﹚采取φ50mm反丝钻杆反取孔内事故钻具，出现坍塌情况时采取优质泥浆护壁，先冲孔，再反事故钻具。﹙2﹚先行测井，再采取灌水泥封堵坍塌孔段，然后配合优质泥浆达到护壁效果。4打造中国金融IT服务业第一品牌17严重坍塌事故的处理4.4处理过程及措施的调整反至579m时便出现坍塌，边冲边反，在591m时，钻具出现下跑情况﹙事故发生时钻具已提高孔底取心﹚，再下反丝具时，由于事故头位置在坍塌孔段，该多次尝试均找不到事故头。我们经过研究，做出如下处理。﹙1﹚先把丝锥加工导向，再把反丝锥具压成一定弯曲度﹙应能下到孔底﹚；﹙2﹚把压弯并带导向的锥具下到孔底，循环泥浆冲孔护壁，轻轻拔动、扶正钻具事故头，操作必须轻、稳；﹙3﹚再把φ71mm接箍打磨锐利,下到孔底“盖印”，获取准确的事故头信息。﹙4﹚然后下入压弯并带导向的反丝锥具在正确方位锥取事故钻杆。44.4.1反钻杆的过程及措施的调整打造中国金融IT服务业第一品牌18严重坍塌事故的处理4.4处理过程及措施的调整反到643.73ｍ时，孔内的坍塌一发不可收拾，孔底残留φ77mm钻具4.43ｍ和16根φ71mm钻杆。使用多种配方的泥浆护壁，仍无法控制坍塌。采用了灌水泥封堵固结坍塌孔段的方法。我们先后在577m～600m孔段进行了5次灌注水泥浆（水灰比均为0.5），调整了2次灌注措施，如表3前面2次采用φ71mm绳索取心钻杆当导管，从孔口灌入的方法，扫孔时或偏出新孔或出现水泥心破碎的情况，没有达到预期的效果；后来利用现场的φ50mm反丝钻杆采取泵送灌注水泥的方法。先用φ50mm反丝钻杆连接肋骨钻头下到孔底，配制较高密度和粘度的泥浆先冲孔，把坍塌物返出孔口，再用BW250泥浆泵进行泵送灌注水泥浆。此方法虽然能够把较大颗粒的岩屑和煤渣顺畅排出孔外，但是灌注的水泥浆仍然无法有效护住孔壁，以失败而告终。最后采取高压旋喷注浆法灌水泥配合加大泥浆密度采用高密度泥浆护壁取的成功，顺利终孔，孔深819.86m。44.4.2灌水泥护壁及其措施的调整打造中国金融IT服务业第一品牌19严重坍塌事故的处理4.4处理过程及措施的调整44.4.2灌水泥护壁及其措施的调整(表3）表3灌水泥封堵坍塌孔段的情况表次序水泥用量灌注方法效果及评价第1次8包用φ71mm钻杆当导管；孔口灌入扫至594m无水泥心，偏出新孔，594.6m再次坍塌；无效。第2次10包用φ71mm钻杆当导管；孔口灌入水泥心破碎；无效。第3次12包用φ50mm反丝钻杆当注浆管；泵送灌注水泥心破碎；无效。第4次20包第5次16包用φ50mm反丝钻杆当注浆管；高压旋喷灌注水泥心中混有岩屑、碎石、煤渣等；效果好。打造中国金融IT服务业第一品牌20严重坍塌事故的处理4.4处理过程及措施的调整旋喷注浆法灌水泥是采用高压把水泥浆从侧面旋转喷向孔壁，使水泥浆与孔壁煤渣、岩屑混合固结，增加孔壁的稳定性。1．旋喷注浆工具采用φ50mm反丝钻杆加工，如下页图1。2．旋喷注浆工艺灌注前先根据需要灌注的孔段及段长做好如下计算：①计算水泥用量；②计算替水量；③计算灌注时间。旋喷注浆利用BW250泥浆泵作为注浆泵，具体操作如下：﹙1﹚下注浆管φ50mm反丝钻杆﹙旋喷注浆工具﹚到离孔底30cm,泵送清水来回旋喷冲洗孔底及孔壁；﹙2﹚选择水灰比，利用机台现有的泥浆搅拌机和半截桶进行配制水泥浆；﹙3﹚高压旋喷灌注水泥浆要计算好水泥到孔底的时间。当水泥到孔底时，采用慢速回转徐徐上升立轴使水泥浆液连续性喷射到孔壁，使水泥浆与松散的煤渣和岩屑充分混合；﹙4﹚洗孔～注浆～替浆必须具有连续性，特别是注浆时不得间断