地質鉆探中新技術的應用之芻議

龍廣慶

摘 要：地質鉆探就是利用鉆機從地表向地下進行鉆進，在此過程中地質鉆探的關鍵環(huán)節(jié)就是鉆探設備的選型、鉆探技術的選定、鉆孔過程中樣本的取出和保持鉆孔壁的穩(wěn)定。本文從深海海洋和深孔地質鉆探設備新技術；受控定向和反循環(huán)鉆進技術的應用；深海取樣新技術、鉆孔堵漏和極地地區(qū)鉆井液幾方面地質鉆探中幾種新技術的應用進行了闡述，以供大家參考。

關鍵詞：地質鉆探；新技術；應用

地質鉆探就是利用鉆機從地表向地下進行鉆進，并在鉆孔的不同深度取出巖心、礦樣或土樣，通過對這些鉆探得到的樣本的研究，來測定樣本的各種物理或化學特性，以此來鑒定和劃分地層的特性。在此過程中地質鉆探的關鍵環(huán)節(jié)就是鉆探設備的選型、鉆探技術的選定、鉆孔過程中樣本的取出和保持鉆孔壁的穩(wěn)定。所以地質鉆探的新技術的應用也往往是從這四個方面展開的。

1 地質鉆探中鉆探設備新技術的應用

隨著我國對各類能源礦產需求的增大，地質鉆探的區(qū)域也從原來的內陸腹地向極地和海洋發(fā)展，特別是對深海地區(qū)這里各種礦藏蘊涵極為豐富，更是近些年來地質鉆探的熱點地區(qū)。

1.1 深海和大洋地質鉆探設備中新技術的應用

深海和大洋地質鉆探主要是對海洋大陸架或海床地質鉆探取樣，用以對海洋的地質調查，以便充分利用好海底的礦藏。在21世紀初我國海洋地質鉆探基本處于空白狀態(tài)，由于國外一直處于海洋鉆探的領先地位，而且對我國進行技術封鎖，我們的地質鉆探工作基本是依靠外國的鉆探船和技術。最近這幾年內我國的海洋地質鉆探船和相應的技術從無到有，有了長足的進展。特別是2017年我國自主設計、建造的“海洋地質十號”綜合地質調查船在廣東東莞出塢下水，該船填補了我國小噸位大鉆深海洋地質鉆探船的空白，提升了海洋地質調查能力，也標志著我國海洋地質綜合調查能力躋身世界前列。該船可以實現在全球無限航區(qū)開展海洋地質調查工作，配置了我國首套自主研制的舉升式海洋鉆探系統。這種舉升式鉆井，是在海洋鉆探作業(yè)時，將鉆井隔水管內注滿海水，在鉆井過程中海底的泥漿泵泵出的泥漿從小直徑管線旁路返回至隔水管環(huán)內，使隔水管環(huán)空內流體的密度與海水相當，從而降低海底隔水管環(huán)空周邊液柱的靜壓力，使之與海底泥面下井眼環(huán)空內壓力、井底壓力得到有效的控制，并與海底地層壓力和破裂壓力之間間隙的壓力平衡，從而實現安全鉆井作業(yè)的技術。

1.2 深孔地質鉆探設備中新技術的應用

隨著探礦技術的發(fā)展，我們要向更深層次的地層進行鉆探，這就需要深孔地質鉆探設備。深孔鉆探中隨著鉆進深度的加深，鉆孔壁會變得脆弱，出現塌孔掉塊現象，而且空內不可預見的問題也隨時會發(fā)生，所以深孔鉆探設備必須解決這些問題。所以在深孔鉆探設備中采用變頻電機，通過鉆頭對巖心硬度的檢測，自動調整電機功率，實現自動減速和變檔旋轉鉆柱， 并沿導繩上下移動， 通過主絞車控制實現減壓鉆進功能。在主 絞 車和頂驅變頻電機之間，通過大減速比變速箱，實現絞車繩速和拉力、頂驅轉速和扭矩無級調整和限制。電氣控制上微機PLC變頻系統， 可以自動調整鉆矩、鉆頭鉆進位置和穩(wěn)定轉速，把鉆壓精度保持在4 00～1000N。

2 地質鉆探中鉆探工藝上新技術的應用

2.1 受控定向鉆進技術

近些年來隨著頁巖氣的開發(fā)，受控定向鉆進技術有了突飛猛進的發(fā)展，受控定向鉆進技術就是在地質鉆探過程中使鉆孔按照事先設計好的軌跡進行鉆進，并實現既定的鉆進目標。在受控定向鉆進施工工藝中，液動螺桿鉆是主要設備，在下鉆是無載荷條件下進行的，鉆具啟動后徐徐下放，待鉆頭到達孔底后，再逐步加大鉆壓，直至正常鉆壓。在造斜鉆進過程中，鉆桿是不轉動的，操作者密切注意水泵壓力，通過對壓力的判定，來確定螺桿鉆具是否工作正常。當泵壓正常時，說明鉆桿柱上載荷均勻，工作正常，如果泵壓升高，說明鉆桿柱上的反扭矩增加，孔內有異常，應立即減小鉆壓，若泵壓持續(xù)不能改善，應立即提升鉆具。在鉆進過程中，應及時對鉆進方向進行測量，一般每鉆進5米就要進行一次測量，同時在進行定向受控鉆進要對鉆進的地層進行分析，選擇適當的造斜鉆頭，當在松軟地層螺桿鉆就可以，但是要在螺桿桿鉆配用 “ 彎接頭或”彎外管 。當在較高硬度巖層進行鉆進時，要選用較高強度的鉆頭，一般來說，巖層硬度在五級以下時采用合金造斜鉆頭，在六級以上時要選用金剛石造斜鉆頭。在受控定向鉆進中最難的就是分枝孔的鉆進，其核心在于在主孔分枝點處按照巖層特點和設計要求灌注水泥，在水泥凝固后 ， 下常規(guī)鉆具探灰面并掃孔到分枝點上部 處，提出鉆具。將組合好的造斜鉆具下到距孔底處， 定向，擰緊防反轉器螺母，開泵，造斜鉆進。

2.2 反循環(huán)鉆進技術

反循環(huán)鉆進技術就是沖洗液循環(huán)方式與我們經常使用的傳統的正循環(huán)相反的一種循環(huán)方式，經常使用于大口徑的巖心鉆探、水井施工和工程技術鉆進，在其鉆進過程中，鉆孔內保持較高的水位，沖洗液的靜壓力與地層壓力平衡，同時沖洗液壓力較高，可以排除孔底集聚的巖屑。使巖屑不受重復破碎，鉆進時不易堵鉆，從而提高鉆進速度，目前國內有三種方式分別是泵吸反循環(huán)、壓縮空氣反循環(huán)（又稱氣舉反循環(huán)）和射流反循環(huán)等。泵吸反循環(huán)利用離心泵或軸流泵的抽吸力量使鉆桿內部的液體攜帶巖屑經鉆桿上升并經水泵出水口排出。壓氣反循環(huán)鉆進是將壓縮空氣通過供氣管路送至井內汽水混合室，使壓氣與鉆桿內的水混合，從而形成比重小于1的氣水混合體，在鉆桿外側水柱壓力的作用下，鉆桿內氣水混合體挾帶巖屑不斷上升，將巖屑排出井外。 射流反循環(huán)鉆進方式是利用高速的液流（清水或泥漿）經噴嘴射入循環(huán)管路，造成負壓，這種負壓使管路產生抽吸作用，液流挾帶巖屑在抽吸作用下經鉆桿上升排出井外。

3 海洋地質鉆探中取心鉆具新技術的應用

在海洋地質鉆探中取樣系統都采用繩索取心系統，根據不同地層有多取心鉆具種?；剞D取心器適用于海底2000米內中等硬度的巖層，切削巖心采用回轉牙輪鉆頭，打撈系統是通過鋼絲沖擊桿和巖心管回收系統取樣。而在特別軟的地層，采用液壓活塞取心器，鉆頭通過沖擊壓入海底，并通過內部的翻板裝置將樣本取出。而在在200米以內海底，軟泥與半固結地層中，也可以使用高級活塞取心器、沖擊桿取心器。

4 地質鉆探中堵漏新技術的應用

在地質鉆探中由于鉆井液對孔壁的破壞，惡化了孔內孔內壓力的平衡，極易造成各種事故，因此對于鉆探堵漏技術的研究伴隨鉆探技手段的變化也在不斷的演變。目前我國在堵漏技術方面，主要從堵漏劑和鉆井液兩方面發(fā)展。

在堵漏劑研究方面又有高強度快速失水堵漏和化學觸變堵漏技術的研究方向。高強度失水堵漏技術是將拉筋材料、架橋材料和助濾劑等材料合理配比的堵漏劑快速的灌注到孔內地層的空隙處，并通過快速失水使堵漏材料堆積在孔內，使孔壁周圍的裂隙和空隙得到封堵，其強度和密度均高于周圍孔內土層。當堵漏劑材料中，其主要成分還有某種化學材料，這種化學材料一旦與孔壁裂隙和空隙中物質相遇就會產生化學反應，生成一種不溶于水的膠體，這種堵漏方法就是化學觸變堵漏法。這這兩種堵漏方法其實質就對于堵漏劑的不同研究。

從鉆井液方面，主要是從事先防范的角度出發(fā)，在鉆井液中配比一定的溶脹性物質，這種物質隨著鉆井液一同進入到鉆孔孔壁，這種物質通過逐漸的積累在孔壁，通過溶脹物質的吸水作用，使孔壁周圍形成一種致密的保護層，從而防止孔壁的塌落。

5 結語

俗話說“工欲善必先利其器”，為了我國地質鉆探技術的發(fā)展，我們要在現有技術上進行突破，從鉆探的效率、鉆探的深度、鉆探的地域和環(huán)境、環(huán)境保護等幾方面進行創(chuàng)新型研究，切實實現習近平總書記對于科技工作者“創(chuàng)新是第一動力的”的要求，將地質鉆探任務完成的更好，也為新時代能源、科研發(fā)展提供有力的保障。

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