鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司内蒙古鄂尔多斯010321
摘要：地质和水文地质钻探中经常遇到复杂的松软破碎地层、地质构造等，造成钻孔孔壁不稳定而发生掉块、坍塌、排粉困难和卡钻、埋钻现象，容易导致钻孔成孔率低甚至孔内事故等严重问题。而究其原因，除了地质条件复杂等客观因素外，更多的是技术安全管理工作不到位。因此，应高度重视影响钻探施工安全的关键性问题及产生原因和危害，基于此，本文主要对复杂地层钻探安全影响因素与防范对策进行分析探讨。
关键词：复杂地层；钻探安全；影响因素；防范对策
1、前言
通过总结大量工程实践经验得出，地质构造复杂、地层松软等原因会降低钻探作业整体的稳定性，进而导致一系列安全事故的发生，包括孔壁坍塌、卡钻、埋钻等，对钻探质量及工作人员的生命财产安全构成威胁。
2、造成复杂地层情况的主要因素
钻进过程是钻孔不断加深的过程，当地层被钻穿后造成孔内失去了原来的稳定与平衡，同时钻开地层会使充填在岩石孔隙、裂隙、溶隙中的流体打开了一个流动通道，从而使孔内处于各种受力的作用下，形成了失去稳定与平衡及流体流动的状态，在这种状态下，加之钻进工艺条件的变化和影响，将会导致孔内各种复杂情况的出现，使孔内造成不同程度的塌、漏、涌、喷以及钻进中发生卡钻、埋钻等复杂问题。钻进中造成复杂情况的因素很多，归其根本原因不外乎两个因素，一是地质因素，二是技术工艺因素。地质因素是造成复杂情况的内因，主要是岩层本身的组织、结构特性和赋存的地质条件，由此而表现出岩层固有的各种物理力学性质，如密度、强度、孔隙度、透水性、膨胀性、含水性，以及受赋存条件影响的岩层压力、地层压力，破裂压力等。然而，钻进时造成复杂情况的出现，必然与钻进技术工艺的条件相联系。
通常所说，内因是根本、外因是条件，内因通过外因起作用，也就是孔内的复杂情况乃是通过技术工艺条件的影响而表现出来。如当钻遇高压层，若冲洗液的比重选择不当，会造成井涌、井喷；钻进水敏性地层，当冲洗液性能不好导致地层水化膨胀使钻孔缩径；又如升降钻具过快、过猛，造成孔内压力激动而导致地层漏失或坍塌等等。因此，对造成复杂情况的因素分析必须从地质因素和技术工艺因素两方面入手，在重视分析内因一地质因素的同时，必须强调和重视钻进工艺技术因素的影响，进而人为地、能动地去改变或调整技术工艺条件，使孔内复杂情况的问题向有利于孔壁稳定方向转化，以达到预防或避免钻进中复杂情况的发生，实现安全钻进。
影响复杂地层的因素是多方面的：主要可以从两个方面考虑：一是地质因素，二是技术因素，这两个方面因素互相制约，密切相关。他们之间的相适应性又直接影响复杂地层发生变化。
3、影响钻探的主要安全因素
3.1构造复杂区地应力集中
受井巷工程条件的限制和技术设计的需要，井下地质和水文地质钻探工程有时布置在复杂断层附近或褶曲构造的轴部。地层中断裂、褶皱、隆起和凹陷等地质构造，对地应力均有程度不同的影响，在地应力场中起着主导和控制作用。钻孔布置在构造复杂、地应力集中区域，是造成缩径、套管错断、孔壁坍塌、排粉困难、甚至埋钻事故的一个重要因素。
3.2复杂地层稳定性差
矿井石盒子群地层主要由中、细砂岩和杂色泥岩、粉砂岩组成；山西组地层主要由中、细砂岩及粉砂岩、泥岩和煤层组成，松软的泥岩层遇水后具有较大的膨胀性、流变性，稳定性极差。钻孔穿过石盒子群和山西组地层，易于变形，或者坍塌堵孔造成排粉不畅，甚至发生卡钻、埋钻事故。
3.3钻探设备落后
目前常用的煤矿坑道钻机，普遍存在转速调节范围窄、扭矩小、技术性能和工艺适应性弱、安全可靠性差等设备能力不足的问题，难以满足大直径、深立孔钻探的安全需求。主轴通孔直径小，配套钻杆Φ42~50mm，强度低、孔内事故处理能力差，钻具受压过重，易成弯曲状态，转动过程中发生剧烈振动，对孔壁的稳定性产生破坏影响。
4、钻探安全问题的防范对策
4.1优化钻孔结构
钻孔结构是保证顺利钻进的前提，直接影响钻探工程的安全和质量。复杂地层深孔钻探，钻孔开孔孔径要较设计孔径增大一级，钻孔结构增加一级，以留有孔内事故处理条件；孔壁稳定的情况下，可直接由一级套管结构转入三级套管结构，钻孔结构相应减少一级。
4.2钻探设备要适应工程需求
钻探设备受煤矿井下特殊施工环境的限制，空间狭小，运输、安装拆卸不便，大型设备不方便使用。应选用适用性强、钻进效率高、操作安全、移动搬迁方便、适应井下软岩施工环境要求的专用设备是保证高效成孔的关键。全液压动力头式液压钻机是岩芯钻探发展的方向和趋势，在目前通用钻探设备技术基础上，针对性地选取钻进效率高、扭矩大、解体性好的ZDY-4000S型煤矿用全液压坑道钻机，并对配套钻具进行优化，较好地满足了软岩地应力集中区复杂地层钻孔要求。
4.3配套选取钻具
软岩地层钻进宜采用复合排粉钻进技术，即以水力排粉为主、螺旋排粉为辅的钻进技术。因此，配套选取整体式三头大导程大通径宽翼片凹槽地质螺旋钻杆，杆体采用异型钢材，抗疲劳强度、抗剪切强度和抗弯强度高；大通径设计供液量大；三个宽翼片增强了搅粉的排粉能力，使孔内岩粉发生堆积的几率大大降低；凹槽螺旋结构起到辅助排粉的作用，从而实现持续钻进的目的。三头大导程大通径宽翼片凹槽地质螺旋钻杆排粉，能够获得较高的钻进效率，十分适用于岩石比较松软地层钻进。
4.4供液设备选型要合理
泥浆泵的选择，以保证及时有效地排出岩粉和冷却钻头为前提，根据冲洗液的单位时间所使用体积量来确定，并具有较大的泵量调节范围和可靠的压力控制能力，最好具有随供液压力变化而自动调节排量的性能。合理确定冲洗液量，是保证正常钻进、获得良好钻进效果的重要因素。3NB-320/8-30型泥浆泵具有两种缸径，额定供液量为118~320L/min，可根据实际和孔深分四级调节供液量及供浆压力，适合于软岩钻孔高压力、大流量供液钻探施工要求。
4.5合理选择施工工艺
a.根据地层勘察结果来确定冲洗液性能参数，确保其润滑度和流变特性满足该段地层的钻探要求；b.在钻探作业中，将冲洗液密度控制在1.0-1.25g/cm³；含砂量不超过0.6%；c.可通过加入适量的石灰石粉、重晶石等来提高冲洗液密度；d.根据钻探作业现场的实际条件，配备型号、性能等参数相符的离心机、旋流除砂器等设备；e.为了提高固相颗粒沉淀的速率，可在冲洗液中加入水解聚丙烯酞胺等絮凝剂，以完善沉淀系统，提高沉淀效果；f.在采用自然沉淀法净化冲洗液时，循环槽的长度应≥15m，高0.2m，坡度0.01-0.0125之间。
为确保井内绝对安全，发生井内异常能及时妥善处理，快速恢复正常状态，需重视泥浆设计。功能型泥浆体系包括：羧甲基纤维素、防卡护壁C型润滑剂、硝基铁钾泥页岩抑制剂、改性泥浆稳定剂等。
在对聚合物钻井液进行施工的过程中需注意以下几点事项：①在钻探作业开始前，应将钻井液中存在的有害固相进行清除，并将水和处理剂按照一定比例混合后，稀释至膨润土含量至4%左右；②在开钻时，直接利用钻井液扫水泥塞钻进，若因水泥塞过高而导致开钻效率低下的话，可在钻井液中加入适量的纯碱；③若在一个循环周内钻井液的性能有所下降，则应按照实际钻井液量进行补充处理，在补充钻井液量时还需加入足量的处理剂，以便在钻井过程中能够掌握钻井液性能变化情况。
5、结语
煤矿井下地质和水文地质钻探是一项专业性、技术性要求极高的工作，需要全面加强技术管理和技术指导，严格钻孔施工过程的质量控制和钻探安全影响因素的实时分析，善用新技术、新工艺、新设备，以保证钻探施工安全和质量。
参考文献
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