繩索取芯在河西煤田鉆探中的應用

牛彥杰

（甘肅煤田地質局145隊，甘肅張掖734000）

河西走廊地區是甘肅省重要的工業生產基地，一直以來，由于煤炭儲量小，開采量低，煤炭大多由外地調入。隨著區內工業迅速發展，煤炭資源缺口不斷加大。因此，實施區內煤炭資源儲量勘查工作，具有重大意義。

2003~2011年，在甘肅省國土資源廳和煤田地質局的批示下，我隊在張掖市甘州區蘆草臺子勘查區范圍內，進行了找煤、普查、詳查等工作，尤其是繩索取芯的應用，極大地提高了野外勘查工作資料的可靠性，取得了甘肅省河西地區煤炭勘查儲量的重大成果。

1 地層情況

詳查區地層以新元古界震旦系地層為沉積基底，其上沉積了侏羅系、白堊系、新近系中新統和全新統。區內大面積被新生界地層覆蓋，只有零星的白堊系和新元古界地層出露，地層由老至新分述如下：

（1）新元古界震旦系(NP2)。本區老基底。巖性為綠泥絹云片巖、石榴二云石英片巖、大理巖。

（2）中生界侏羅系(J)。包括中侏羅統、下侏羅統地層，為勘查區含煤地層。

①侏羅統芨芨溝群(J1Jj)：區內隱伏，西部大部沉積缺失，僅在東北部分布。為一套陸相河流—湖泊相沉積，巖性為灰色、深灰色粉砂巖、泥巖和砂巖組成，含煤層7組。鉆遇地層厚度0（D101孔）~573.10m。

②中侏羅統青土井群(J2Qn)：共12~14個亞沉積旋回，含煤8組，煤層編號煤8組—煤1組。為一套內陸山間斷陷性盆地沉積相環境下的扇三角洲平原亞相沉積物，地層厚度139.80~569.7m，平均210.85m。依據巖性巖相旋回和含煤性，地層劃分為三個巖組，各巖組自下而上逐漸為上覆巖組呈超覆沉積關系。各巖組敘述如下：

下巖組(J2Qn1)：主要為由6個不完整的亞旋回組成的扇三角洲平原亞相沉積。巖性主要由粗粒砂巖、中細粒砂巖、粉砂巖、泥巖，中夾4層煤組組成；含煤8組—煤5組。頂部為灰黑色的泥質粉砂巖或粉砂巖（K1標志層）—深水湖泊的扇三角洲平原前緣亞相沉積為結束，局部超覆于下侏羅統芨芨群地層上巖組(J1Jj3)和盆地基地Z2-3地層之上沉積。含孢粉及植物化石，孢粉組合為Cyathidites-Chasma-tosporites-Cycadopites組合，以裸子植物花粉居多。地層厚度38.39~235.51m，平均106.46m。

中巖組(J2Qn2)：縱向上也主要由五個較完整的旋回組成的扇三角洲平原亞相沉積。巖性主要由粗粒砂巖、中細粒砂巖、粉砂巖、泥巖，中夾4層煤組組成，含煤4組—煤1組。地層厚度3.85~186.10m，平均67.08m。

上巖組(J2Qn3):區內大部缺失。以灰綠色為主，底部為灰綠和紫褐色。底部由細礫巖、粗中粒砂巖開始，向上逐漸過渡為細砂巖和粉砂巖?？v向上一般由1~3個亞旋回構成。地層厚度8.73~147.31m，平均43.05m。

（3）中生界白堊系(J)。下白堊統廟溝群(K1Mg)：分布于F3斷層以南。顏色為紫紅色、褐紅色、棕褐色為主，灰綠色、灰、黃綠色次之。巖性為后層狀粘土巖夾細—中粒砂巖為主，底部多為細—中角礫巖。厚度203.92m（D402孔）~800m。與下伏中侏羅統地層呈角度不整合接觸關系。

（4）新生界新近系。

①新近系中新統白楊河組(N1b)：勘查區有零星出露。巖性為雜色、淺紅色含礫砂巖、粉砂質泥巖夾石膏，底部為含鋁質泥巖。一般呈北薄南厚之勢。鉆遇地層厚度56.01~210.94m，平均150.21m，不整合于白堊系地層之上。

②第四系系全新統(Q)：全區分布。巖性為沖洪積礫石、砂礫石、亞砂土和風成砂。因隆起曾遭受剝蝕，故呈南薄北厚之勢，厚度3.80~139m，平均99.35m。

2 鉆探方法選擇

（1）利用XY-44液壓鉆機的優點，解決鉆孔開孔鉆遇礫石層，不能有效加壓問題，提高鉆探效率。采用金剛石鉆進工藝在礫巖層中鉆進，提高礫巖層鉆進的效率。

（2）在基巖中采用單管鉆井、切斷器取芯。煤系地層使用復合片鉆頭鉆進取芯，提高巖芯采取率。

（3）在煤層取芯鉆進中，采用GmK-Ⅱ型采煤器。該采煤器經我單位多年采煤使用，煤芯采取率達93%以上。其特點是：雙管單動配合復合片鉆頭鉆進能保證煤芯的有效直徑，內管采用半合管結構，可以直觀觀察煤芯的原生結構，保持巖芯不磨損、不易丟失、采煤效率高。

（4）原則上大部分瓦斯孔應采用繩索取芯鉆進，采瓦斯時從割芯到提到井口的時間應滿足如下要求。即：煤層埋深在0~500m的鉆孔，提芯時間不超過10min；煤層埋深在500~1000m的鉆孔，提芯時間不超過20min。對于非繩索取芯的瓦斯孔應盡量縮短提芯時間。

3 施工難點

（1）本地區是第一次使用繩索取芯工藝，人員與設備也是初次培訓后使用，不確定性大，有一定適應期，有一定施工難度。

（2）在砂質泥巖、粉砂巖層段，巖芯較破碎，容易坍塌掉塊，風化后成碎片狀，施工過程中易出現井壁不穩定情況。

（3）全孔巖層較軟，較松散，煤層層數多，加矸多，存在采取率不合格風險。

（4）該地區繩索取芯工藝應用少，鉆探技術參數缺乏，對易坍塌層位地層缺乏正確應對方法。

4 繩索鉆具組合

（1）松散層、新近系：89mm六方主動鉆桿+?73mm鉆桿+?95mm鉆鋌+?194mm的扶正器+?225mm牙輪鉆頭。

（2）基巖層、煤層：89mm六方主動鉆桿+?95mm鉆桿+?95mm繩索取芯器+?98mm金剛石取芯鉆頭。

5 繩索取芯鉆進技術參數

鉆進技術參數的選用，根據巖石的性質、鉆頭類型、鉆孔深度、鉆井液類型、使用設備和鉆具性能綜合考慮。確定最優鉆進技術參數。這些參數的有機配合是決定鉆效、鉆頭壽命、鉆具的磨損等的基礎因素。提倡平穩、一致，決不可忽高忽低。新鉆頭開始接觸孔底鉆進時，采煤、掃孔等均應輕壓、慢轉、靈活使用，嚴禁盲目地追求重壓、快轉速。見表1。

表1 繩索取芯鉆進技術參數表

6 鉆井液

（1）在第四系松散層鉆進時，為防止鉆孔坍塌，涌、漏水。采用高粘度、高密度的粗分散泥漿。其余層段則使用不分散無固相泥漿鉆進。

（2）配置鉆井液的原料及處理劑主要有：土粉、CMC、成膜A劑、聚丙烯酸鉀、増粘劑、隨鉆堵漏劑、減阻防塌劑、潤滑劑、NaOH(燒堿)等。

（3）鉆井液的配方如下：

第四系地層的鉆井液的配方：1000kg水+50~150kg土粉+2~3kgCMC+1~2kg減阻防塌劑+3~5kgNaOH。

鉆井液的性能如下：粘度20~50s、密度1.10~1.30g/cm3、含砂量小于4%、失水量20~30mL/min、pH值8~9。

新近系、基巖地層的鉆井液的配方：1000kg水+10~25kg成膜A劑+2~3kg聚丙烯酸鉀+2~4kg增粘劑+3~20kg隨鉆堵漏劑+5~10kg減阻防塌劑+5~8kg潤滑劑+4~5kgNaOH。

鉆井液的性能如下：粘度18~60s、密度1.02~1.25g/cm3、含砂量小于1%、失水量8~12mL/min、pH值8~9。

7 應用效果及意義

（1）通過本次繩索取芯鉆探工作，確定了勘查區的地層層序，較為準確地查明了勘查區內的煤層層數和厚度、可采范圍。

（2）較為準確地查明了勘查區內的煤炭特征和工業性能，確定了煤種類別，查明了勘查區內煤層的瓦斯含量、地溫等情況。

（3）充分發揮了繩索取芯工藝的高采取率優勢，較為完整地掌握了勘查區內巖層的傾角、裂隙及斷層等地質構造特征。

（4）繩索取芯鉆探工藝全孔取芯率達到95%以上，數據真實，可靠性高，為項目后續工作帶來極大的便利。

（5）本次施工采用了繩索取芯鉆探新技術、新工藝，保證了項目在工期內保質保量完成，實現了河西地區煤炭勘查的重大突破。