摘要
在甘肃省景泰县郭家台煤炭资源详查ZK30-1孔施工中，因强行提“水钻”造成了长孔段孔壁严重坍塌事故。分析认为坍塌地层粉煤层位多、累计厚度大，围岩结构松散、破碎是造成孔壁坍塌的地质因素；冲洗液性能与地层岩性不适应是主要技术因素。通过引入低粘强抑制冲洗液，扫孔过程中轻压慢转、小泵量循环，成功处理了孔壁坍塌，顺利终孔。煤田钻探施工对冲洗液性能要求严格，用绳索取心钻探粉煤对冲洗液性能要求更为苛刻，在冲洗液配制和钻进过程中尤其需要加强对其性能变化的监控。
煤矿资源多覆存于沉积岩地层，岩性以砂岩、泥岩、板岩、页岩等为主，矿层以块煤、粉煤形式存
目前，绳索取心钻探在煤田勘探领域应用越来越广泛，承担的工程量越来越
勘查区范围内大部分被第四系所掩盖，其下伏为上三叠统南营儿群（T3n）含煤地层，钻遇岩性由浅至深为；0~80 m浅黄色蔬松黄土层及冲洪积相的砂砾石层；80~1106 m（终孔孔深）细粉砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层互层，终孔在粉砂岩内。岩石硬度为中硬，可钻性级别为4~6级。区内由于断层切割，地层完整性受到破坏，钻孔中所见地层大多不连续。整个三叠系超覆于加里东期花岗岩或下奥陶统车轮沟群地层之上。
各含煤组含煤情况见
| 含煤段 | 平均厚度/m | 含煤系数 /% | 可采含煤系数 /% | 可采煤层 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 地层 | 煤层 | 可采煤层 | ||||
| D含煤段 | 521.19 | 78.60 | 36.85 | 15.1 | 7.1 | 11层 |
| C含煤段 | 419.94 | 36.53 | 27.87 | 8.7 | 6.6 | 14层 |
| B含煤段 | 467.00 | 26.69 | 7.45 | 5.7 | 1.6 | 7层 |
| 总计 | 1408.13 | 141.82 | 72.17 | 10.1 | 5.1 | 32层 |
依据钻孔地质设计、地层岩性、孔深及钻孔结构等实际情况，配备钻探设备及施工管
结合矿区地层实际及其它钻孔施工资料，ZK30-1孔采取三级钻孔结构。
一开采用Ø150 mm复合片单管钻头开钻，钻具组合为：主动钻杆+S114.3 mm绳索取心钻杆+Ø146 mm岩心管+Ø150 mm钻头，穿过第四系覆盖层进入基岩5 m达到孔深7.5 m，换浆提钻，进行地球物理测井后，下入Ø146 mm地质套管作为孔口管，将主动钻杆与Ø146 mm孔口管连接在一起对套管周围进行填塞固定，使得主动钻杆正对Ø146 mm套管中心。
二开采用S122 mm绳索取心钻具钻进，钻遇完整基岩（砂岩或泥质板岩）57.4 m，换浆、提钻，进行地球物理测井后，下入S122 mm钻具钻杆作为技术套管。将主动钻杆对准S122 mm钻具钻杆后对技术套管周围进行填塞稳固。
三开采用S95 mm绳索取心钻具进行钻进（钻头外径98 mm），钻进至孔深80 m时遇到第一层煤。钻进至孔深820.23 m时已钻遇煤层15层，煤层累计厚度达150 m，钻探过程中曾经发生多次卡钻、甚至泥浆泵不能将冲洗液送至孔底的现象，经钻机卷扬机配合油缸强力起拔将钻具提至地表。终孔孔深1106 m。
钻进施工中采用低固相冲洗液，初步确定冲洗液配方为：膨润土5%（质量比），碳酸钠加量为膨润土质量的5%，羧甲基纤维素0.3%~0.5%（体积比），防塌护壁剂1%~3%（体积比），封堵剂0.2%~0.5%（体积比）。
膨润土冲洗液性能参数为：密度1.07 g/c
ZK30-1孔钻进至孔深820 m时，钻机回转阻力增大，电流表摆动幅度增大，并伴随泥浆泵泵压增大，停泵泄压后下入打捞器捞取内管，内管提拉不动，经绳索取心绞车强力提拔将钢丝绳拉断，此时，钻杆内水位无变化，立即提钻（钻杆内装满冲洗液），拧卸钻杆时发现钻杆内水位无变化确认为提“水钻”，为了减少提“水钻”对孔壁的虹吸作用力，采取了“低转慢提”的施工方法，尽最大程度保证孔壁稳定。
在提钻过程中发现孔深450~350 m孔段提拉阻力增大，单独依靠钻机卷扬机拉不动孔内钻杆，采取钻机上升油缸配合卷扬机强力起拔钻杆。强力起拔施工首先将钻杆割断然后用丝锥连接钻杆，提钻至孔深350 m后转入正常提钻，最终将孔内钻杆、钻具提至地表。
ZK30-1孔在孔深350~820.40 m孔段，煤层厚度大于>70 cm的层位有13层，煤层与煤层之间为泥岩和粉砂岩且为破碎状态（详见
图1 孔深390.6~395.4 m处的岩心
Fig.1 Core at the depth of 390.6~395.4m
图2 孔深717.7~721.8 m处的岩心
Fig.2 Core at the depth of 717.7~721.8m
冲洗液粘度大、粘结力强，容易将大颗粒岩粉粘附于孔壁和钻杆上，致使泵压增高及粘附卡钻发生，大颗粒岩粉（砂粒）粘附于孔壁影响上返冲洗液携带岩粉通过，致使回转钻杆阻力增大；粘附于孔壁的岩粉更影响了孔壁泥皮的稳定性。
冲洗液循环槽短且没有设置沉砂挡板、冲洗液粘度高不利于岩粉沉淀，没有配备冲洗液净化设备，不能够及时清除冲洗液内的有害固相致使循环使用质量不好，从而造成本来就不稳定的孔壁更易剥落坍塌和卡钻。
在钻进过程中泵压增高、钻杆回转阻力增大，停泵后钻杆内水位不下降，提拉钻具内管不成功，被迫强行提“水钻”，钻杆内充满冲洗液强行在钻孔内抽拉，对钻头以下的孔壁形成“负压区”，破坏了钻孔平衡致使孔壁失去支撑力，引起不稳定层位（煤层及破碎段）的坍塌。
ZK30-1孔钻进至孔深820 m发生卡钻、孔壁坍塌事故后，强行提钻并将钻具、钻杆全部提至地表，经过重新调配冲洗液，提高冲洗液的粘度和密度，分阶段进行扫孔。
首先，重新配制冲洗液，调整冲洗液性能，粘度45 s（苏式漏斗），密度1.08 g/cm³，失水量6 mL/30 min。以高粘度、高密度冲洗液维护孔壁稳定。将钻具内管卡簧座与钻头内台阶间隙调整为最大值5 mm，有利于冲洗液顺利通过。下钻扫孔，下钻至孔深350 m钻具遇阻，将钻具提离遇阻处，采用“轻压慢转”的钻进参数进行扫孔，经过近10 h的扫孔，扫至孔深448 m，钻杆回转阻力增大、泵压升高（8 MPa），扫孔无法进行，停止回转、停泵下打捞器捞取内管，内管提拉不动，随即提取钻具（提“水钻”），将钻具提至地表，检查钻具发现内管和外管间隙全部被砂粒（粗颗粒岩粉）充填造成内管不能活动。当时钻机机、班长认为，钻孔自350 m以下已经全部坍塌且被砂粒充填，下钻时砂粒充塞到钻具内、外管间隙内，由于砂粒间的缝隙可以通水，所以在开始泥浆泵可以将冲洗液送进钻孔底部，随着扫孔孔深的增加，孔壁坍塌影响冲洗液的正常循环造成憋泵而泵压增高，由于停泵后冲洗液的回压致使钻具内、外管之间的砂粒堆积使得内管不能活动，内管提拉不动。因此，该孔已无法处理只能报废，再挪移钻机重新开钻施工。
查看地层岩心岩性，该孔以砂岩为主，局部夹杂有泥岩和煤层，判断在施工过程中出现上部泥岩表面水化造成缩径，下部钻遇粉煤，因上部泥岩缩径煤渣上返困难造成泵压升高，钻过煤层底部的冲洗液携带煤渣和大颗粒岩粉回冲堵塞内外管的环状间隙造成提“水钻”。绳索取心钻进工艺因其环状间隙小，前期冲洗液粘度大，加入过多的增粘类材料致使粘结力强，煤渣和大颗粒岩粉粘附在孔壁上，提钻时由于扩孔器的刮削造成上提困难，再叠加提“水钻”，虹吸作用造成煤层和破碎层失稳，造成孔壁坍塌和孔内卡钻事故。
针对本矿区的粉煤、松散泥岩表面水化的特点，配制满足金刚石绳索取心钻进工艺的冲洗液。煤系地层含有一定的炭质页岩、砂岩、泥岩，要抑制泥页岩等水敏性地层的分散、膨胀和剥落，必须控制冲洗液的失水量在较小的范围并实现低渗透，同时采用添加封堵剂和高分子聚合物等，提高冲洗液的封堵和抑制性能，控制地层的水化膨胀和分散，保持对粉煤的稳定性和对泥岩表面水化的抑制性。配制低密度、低失水、低粘度抑制性冲洗液，具有较好的携带岩粉能力，上返地面后能絮凝沉淀。获得高转速的同时，钻杆内壁也不会结泥皮。
闭氪散防塌封闭解卡剂能有效抑制页岩和粉煤水化分散剥落，有效封堵地层微孔隙，防止剥落性页岩粉煤坍塌，具有较好的降失水、降粘作用及润滑、预防粘附卡钻、防止开高转速钻杆内壁结泥皮。闭氪散防塌剂是增粘类的降失水剂，可在岩石表面形成保护膜控制粘土的水化分散能力。泥岩煤系抑制剂可使钾离子、铵离子的含量增多，提高冲洗液的抑制性，减少泥岩的表面水化，控制地层造浆。
初步确定冲洗液配方为：膨润土3%~6%（质量比），碳酸钠加量为膨润土质量的5%，防塌封闭解卡剂1%~3%（体积比），泥岩煤系抑制剂1%~3%（体积比），泥岩固壁溶胶0.2%~0.5%（体积比），速氪散防塌剂0.5%~1%（体积比）。
设计冲洗液性能：密度1.03 g/c
配制过程：按设计加碳酸钠和粘土粉搅拌成基浆并充分水化，按设计将防塌封闭解卡剂（闭氪散）加入原浆中搅拌均匀，再加入泥岩煤系抑制剂、泥岩固壁溶胶等搅拌均匀，2 h后加入防塌剂速氪散，加入过程中测试冲洗液各项指标达到设计为止。
钻进中采用较小泵量，适当增加钻具环状间隙，降低起下钻速度，减少冲洗液对孔壁抽吸、挤压等“激动”压力破坏，增加流动性，减少煤渣在孔壁的附着。
下钻至346 m后扫孔，轻压慢转，小泵量循环，严格控制冲洗液性能，降低提下钻速度，注意观察扫孔后钻具能否下到刚扫过的孔底、钻具到底后是否憋泵、扫孔后回转阻力是否跟坍塌层以上完整地层相同、掉块坍塌是否减少、上返冲洗液量是否正常、孔口钻杆里的水位是否回落等特征，判断所配冲洗液护壁效果。扫孔后泵压和回转阻力恢复正常再倒杆或加杆，据此调整冲洗液的密度、粘度和失水量等性能。通过优化冲洗液配比和改善冲洗液性能，更大程度地满足绳索取心钻进工艺。通过7天的不断扫孔，将坍塌的孔段维护稳定扫至原孔深820 m并且继续钻进至1101.65 m顺利终孔。期间地层坍塌缩径现象明显减弱，开高速钻进未出现钻杆内壁结泥皮现象。
（1）煤炭资源勘查采用金刚石绳索取心钻探施工，正确使用冲洗液是确保钻孔顺利施工的基础。只有根据地层岩性正确选用冲洗液材料、合理调整冲洗液配方，达到优良的冲洗液性能参数，加强对冲洗液性能变化的监控，才能够较好地维护煤系地层孔壁稳定，从而实现清洁的孔内钻进环境，确保钻孔顺利终孔。
（2）煤系地层、水敏性地层合理采用速氪散防塌剂、闭氪散防塌封闭解卡剂、泥岩煤系抑制剂等冲洗液材料，能够克服复杂地层坍塌、掉块、缩径，实现绳索取心钻探高效率，有效提高钻探施工效益。
（3）建议制定煤系地层绳索取心钻探施工规范、标准，有利于绳索取心钻探在煤炭资源勘查施工中发挥更好的效能。制定金刚石绳索取心钻探施工冲洗液使用规范、标准，有利于钻杆、钻具及钻头的合理使用，降低钻具、钻杆的磨损，提高金刚石钻头使用寿命，降低钻探施工成本；更有利于钻孔孔壁的稳定，防止发生孔内事故
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