总结。通过对花沟井田复杂地层钻探相关问题的探讨，旨在为相关人员在复杂地层钻探技术方面的研究和实践提供一定的思路。
关键词：花沟井田；复杂地层；钻孔；钻探技术
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.080
0 引言
随着我国经济的快速发展，国内对资源的需求量也日益增长，矿产资源的浅层钻探越来越少，资源勘探迅速向深层发展。复杂地层的钻孔钻探需求因此而日益增多。钻探是一类风险性高、隐蔽性强的工作，在钻探的期间容易出现缩径、坍塌等孔内事故。而钻孔钻探处于地层复杂多变的隐蔽空间，且孔内事故常出现在较深的位置，无法展开直接观察，仅可凭借经验展开判断、评估，且目前我国的勘探技术和勘探设备远落后于国际水平，阻碍了国内钻探行业的发展。
复杂地层钻探技术是当前地质钻探的一个重点和难点。设备的作业能力、钻进工艺和钻进参数的选择、泥浆护壁技术、孔内事故的预防与处理等，都是复杂地层钻孔钻探的关键问题。位于安徽省涡阳县境内的花沟井田，其复杂的地层特性，对井田内的煤层钻探提出了挑战，在钻探的过程中，施工队伍遇到了漏失、孔壁坍塌、卡钻等技术难题，通过对淮北花沟井田的地质状况的分析和合理的施工设计，淮北花沟井田的钻探取得了良好的钻探效果。本文将首先对淮北花沟井田的地质状况进行描述，然后分析了钻孔施工中遇到的技术难题，然后对钻孔过程中应用的施工方法和技术措施进行了详细介绍，并对取得的效果进行了总结，为复杂地层钻孔钻探的研究人员和施工人员提供有益的理论和实践借鉴。
1 地层概述与地质要求
1.1 地层概述和地质要求
淮北煤田花沟井田位于安徽省涡阳县境内，属于淮河水系，地下水和地表水丰富；地势较为平坦，东南低、西北高，地面海拔标高在30.10 m～32.70m之间；地处于南北向和东西向大断裂交汇带附近，地震基本烈度值为Ⅶ，曾有小地震发生，无灾害性大震。
区域内地层发育较为齐全，钻孔穿过地层由老至新依次为：二叠系、三叠系、第四系。其中，二叠系主要由陆相和三角洲平原相的碎屑岩和煤组成，厚度约700m，岩石可钻性 4～7 级，部分 8 级；老第三系岩性以红层为主，平均厚度约 121.5m，半固结紫红色含泥、含砾粉砂岩，胶结性差，岩石可钻性 3～4 级；第四系岩性以粘土、砂、砂质粘土为主，厚度约 630m，下部有厚约 15m的砾石层。该区二叠系含煤地层自上而下编号2、3（上石盒子组）；4、5、7、8（下石盒子组）；10、11（山西组）。勘查区的岩浆活动强烈，多个钻孔揭露岩浆岩，岩性主要为辉绿岩。
1.2 地质因素对钻探的影响
地层的结构、岩石力学因素、岩体的构造、矿物成分、地下水等各种地质因素会对复杂地层的钻探产生重要影响。各岩性单元的分布和构造、岩石的种类、硬度等，会直接影响到钻孔的速度和取芯率等，对钻探工艺的设计和钻井液的选配具有重要的参考意义。复杂地层地质因素对钻探的影响，见表1所示。
2 施工中所遇到的技术难题
在花沟井田钻孔的施工中主要遇到漏失、孔壁坍塌、卡钻、岩煤芯采取率低、钻效低、成本高等问题，具体如下：
（1）漏失。花沟井田的地层中，砾粉砂岩、砂、砾石层等具有良好的渗透性，容易发生渗透性漏失。渗透性漏失速度较慢、漏失量较小，但是漏失有可能引起孔壁坍塌以及卡钻等事故，因此需要引起足够重视，在钻探的过程中，遇到漏失层，可以适当调整泥浆的粘度，提起钻柱静置一段时间即可。
（2）孔壁坍塌。地层应力或者破碎带地层、水敏性地层均可以引起孔壁坍塌失稳。花沟井田破碎带胶结性差、井田冲积层厚，砂层、砾石层松散，地层被钻开后，地层压力向空中集中释放，使得在钻探中，极易发生孔径变化、岩层坍塌等复杂情况。
（3）卡钻。在钻探的过程中，卡钻是常见的孔内事故。引起卡钻的原因有多种。花沟井田有较厚的砾石层，在钻孔的过程中，砾石掉块经常造成卡钻；钻进破碎带时，容易因井壁坍塌而造成埋钻。因此，在钻进的之前，要特别注意钻井液的选取，在钻进的过程中，可以根据不同地层适当调整泥浆的浓度，保证钻进的顺利进行。
（4）岩煤芯采取率低，钻效低。在花沟井田这一复杂地层的钻探中，前期施工过程中，岩煤芯的采取率低，钻效低，使得钻孔的效果不是很好，钻探的成本较高。通过进一步的改进钻探技术、合理选配泥浆、选择合适的钻具等措施，使问题得到解决。
3 施工方法和技术措施
3.1 施工工艺
3.1.1 钻进方法
综合花沟井田复杂地层的岩石力学特性、岩体构造、矿物成分、地下水等各种地质因素的影响，结合井田钻探设备的选取以及孔壁护壁等因素，选择钻孔取芯的钻进方法。通过钻孔取芯，可以充分了解花沟井田煤层的埋藏深度、分布规律、煤层结构、煤层厚度、煤质牌号等情况。开孔采用φ110mm硬质合金钻进，从基岩界面上部20m取芯钻进，基岩采用φ91mm硬质合金或金刚石复合片钻头取芯钻进。
3.1.2 钻井设备及钻具
钻井设备选用TXB-1600钻机、6135柴油机（95kw）、NBB-250/60泥浆泵、22m四角钻塔、除砂器等。
钻具组合：①无心钻进选择无芯钻头（φ110mm～ φ91mm）+钻铤（φ68mm、5立根）+钻杆（φ50mm）+六方立轴；②取芯钻进选择取芯钻头（φ110mm～ φ91mm）+取芯管（φ89mm ）+钻铤（φ68mm、5立根）+钻杆（φ50mm）+六方立轴。
3.1.3 钻进参数
合理寻求钻压、转速和泵量等钻进过程中的钻进规程参数，是保证钻孔经济效益的重要保证。在钻进的过程中，需要根据花沟井田地层的变化，合理的选择钻进参数，见表2。注意，当地层由硬变软时，要适当减压钻进，当地层由软变硬时，需要适当减压钻进20公分至半米后逐渐加压钻进，以预防钻孔偏斜。
3.2 泥浆工艺
花沟井田作为复杂地层，在钻进的过程中不出现不同程度的漏失、缩径、孔壁坍塌、卡钻等问题，本井田存在多种不同类型的复杂地层（复杂地层的类型见表3）。
在钻进的过程中，选择合适的泥浆护壁对复杂地层钻孔的成功具有十分重要的作用。在对泥浆的设计过程中，首先按照钻进技术对泥浆的要求，然后结合花沟井田复杂定的特点，设计合适的泥浆进行护壁。在花沟井田钻孔的施工中要重点防止孔壁失稳坍塌，同时注意钻进红层孔段地层造浆，会使泥浆变稠。因此，为了保证钻孔顺利进行，首先对地层压力进行分析预测，合理设计钻井泥浆，具体方法有漏失试验法和密度调整法，同时在实际的施工中根据不同的岩层适当的调整泥浆的浓度。
在具体的钻进中，主要选用PHP-HPAN （聚丙烯腈-聚丙烯酰胺）低固相泥浆，加入KHm（腐植酸钾）处理剂。PHP-HPAN低固相泥浆粘度低、流变性好、失水量小，护壁能力强，同时加入KHm可有效防止孔壁坍塌。泥浆配方：膨润土粉 4%～6%+纯碱（Na2CO3）0.4%～0.5%+聚丙烯腈（HPAN）2%+聚丙烯酰胺（PHP）0.2%+腐植酸钾（KHm）2%～4%。泥浆现场配置，并达到18～ 23S的粘度、1. 03～1. 09g/cm3的比重、小于4%的含砂量，失水量控制在12～15ml/30min，PH值控制在8～9之间。
3.3 技术措施
在淮北花沟井田复杂地层的钻探中，主要采取的技术措施主要包括：保证岩心取芯率和煤心取芯率的技术措施、防止孔壁坍塌的技术措施和卡钻事故处理的技术措施，详细表述如下：
3.3.1 保证取芯率的措施
煤、岩芯的采取率是衡量钻探工程质量的重要指标。由于花沟井田的地层较为松散和破碎，因此使用单管取芯有可能难易保证岩芯的采取率，此时可以使用三米左右的双管取芯钻具，在钻进的过程中，同时要合理使用钻进规程参数。
在钻进的过程中，要严格执行“三不打”和“见软就起钻，不准试试看”的制度。注意随时观察仪表的变化和机械的运转；控制好煤层的层顶和底板。当遇到松软易碎的煤层，可以使用双管取芯，见煤后，可以采用干钻法将岩芯取上，孔底若残留岩芯，需要下专门的钻具捞取干净后才能下取煤器取芯。
3.3.2 防止孔壁坍塌的措施
钻孔过程中，泥浆护壁是保证钻孔取芯顺利进行的重要一环。为了防止钻孔过程中出现孔壁坍塌，首先对地层压力进行分析预测，合理设计泥浆冲洗液的浓度；选用抑制性强的PHP-HPAN低固相泥浆，并加入KHm处理剂，注意泥浆失水量和泥皮厚度的控制，在钻进的过程中，根据不同的地层合理调整泥浆的浓度，以保证孔内液压，实现平衡钻进，有效保护孔壁。
3.3.3 卡钻事故处理的措施
在钻进的过程中，不论任何情况下，一旦发生卡钻，司钻都要在合理的范围内进行上提、下放或转动活动钻具，防治钻具卡死，同时设法调整钻井液性能，及时清除孔内岩石碎屑，保证孔眼洁净。当上下活动钻具无效时，在准确判别卡钻类型的基础上，根据不同的卡钻采取上击下打、泡油、倒扣、套铣、爆炸、侧钻新孔眼等方法处理。
4 钻孔的施工情况与取得的效果
在钻进的过程中，首先根据钻进地层的结构特性和钻进岩石的力学特征，采用合理的钻具组合和钻进规程参数，提高了煤芯采取率，保证了钻进的效率；在保证经济的条件下，合理的选用金刚石复合片，增加了纯钻进的时间，提高了钻进的效率；在钻孔的过程中，合理使用泥浆进行护壁，根据地层的变化适当的调整冲洗液的密度，及时测定泥浆的性能，配置泥浆循环系统，对泥浆中的岩粉时常清理，并通过振动除砂器对砂砾进行清除，保证护壁泥浆的性能和钻孔的清洁，保证了花沟井田复杂地层钻孔钻探施工的顺利进行。
花沟井田复杂地层钻孔钻探的过程中，施工中前两个孔出现了冲积层的坍塌和缩径、砾石掉块、卡钻等情况，钻探不理想，但经过全体工程人员的分析研究，通过对钻探技术的优化，最终改善了钻探质量、提高了钻探的效果。在花沟井田43个竣工的钻孔中，特甲孔率达到了100%，其中特级孔39个，甲级孔4个。由此可见，花沟井田复杂地层钻孔钻探取得了良好的效果。
5 结束语
钻探作为一类风险性高、隐蔽性强的工程，在复杂地层环境下，在钻探期间很容易遇到漏失、缩径、坍塌等各种各样的问题，钻探设备的作业能力、钻进工艺和钻进参数的选择、泥浆护壁的技术、孔内事故的预防与处理等，都是复杂地层钻孔钻探的关键问题。复杂地层钻探技术是当前地质钻探的一个重点和难点，需要进一步的研究和总结。在淮北花沟井田复杂地层的钻孔钻探中，工程队选用适当的钻进方法，使用合适的泥浆进行护壁，采用合理的钻具组合和钻进规程参数，根据岩层的特性和类型选择合理的选用金刚石复合片钻头和合适的冲洗液，并根据地层的变化适当的调整冲洗液的密度，保证了花沟井田复杂地层钻孔钻探施工的顺利进行，取得了良好的钻探效果。本文对淮北花沟井田复杂地层钻孔施工中遇到的技术难题、应用的施工方法和技术措施、取得的效果的较为详细的介绍，可以为复杂地层钻
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探的相关研究和施工人员提供一定理论和实践上的双重借鉴。
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作者简介：王建民（1967-），男，钻探工程师，主要从事煤田地质勘探施工技术的应用与管理工作。