深部地質鉆探鉆孔結構設計與施工分析

楊 芳， 陳師遜

(山東省第三地質礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

0 引言

近年來，深部找礦和科學鉆探極大地推動了我國深孔(特深孔)鉆探的發(fā)展，為深部地質巖心鉆探理論和技術的發(fā)展帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，“5000米智能地質鉆探技術裝備研發(fā)及應用”已列為國家重點研發(fā)項目。在深孔施工中，鉆孔結構設計是順利完成施工的基礎和關鍵，同時準確判斷孔內狀況對鉆孔結構進行適當調整以提高經(jīng)濟效益也是一項重要的技術工作。為此，我們根據(jù)長期在深孔施工中的一些做法，對鉆孔結構的設計和施工作一些探討，給深孔、超深孔鉆探鉆孔結構設計與施工提供一定的經(jīng)驗參考。

1 鉆孔結構設計的原則

(1)隔離長孔段復雜地層，保障孔壁穩(wěn)定，孔內安全。

(2)滿足常規(guī)鉆柱組合、現(xiàn)有施工機具設備能力的要求。

(3)有利于降低鉆探成本，保障安全施工，提高鉆探生產(chǎn)效率。

(4)盡量簡化鉆具配套，減少級數(shù)，即簡化鉆孔結構。

(5)滿足地質設計要求的穿礦口徑和終孔直徑。

2 深孔鉆孔結構設計的主要依據(jù)

對于深孔鉆進，由于鉆遇地層類型多、地層復雜、施工難度大、施工周期長、投資較大等特點，鉆孔結構的設計要以安全施工為基本原則。通常情況下要考慮以下因素[1-4]。

2.1 地層情況

鉆孔結構設計的目的主要是為了維護上部孔段孔壁的穩(wěn)定，安全鉆進，順利達到設計深度。地層條件是孔壁能否穩(wěn)定的基礎，因此地層的地質結構、構造，巖石的物理力學性質都是設計鉆孔結構的重要依據(jù)。要根據(jù)地質報告預測，逐層進行研究，對上覆蓋層、松散地層、軟巖層、地質構造層段、強地應力地層等一些護壁難度大，施工時容易造成坍塌、掉快、縮徑、擴徑、漏失、粘附等孔段，使用套管隔離。如果上部孔段不穩(wěn)定層段厚度較大，就需要下多層套管，鉆孔結構相應級數(shù)要多；對巖石強度高、完整的地層，護壁難度小，則不需要下入套管護壁，此時鉆孔結構就可簡單一些。

2.2 終孔口徑和孔深

終孔口徑是滿足地質成果要求的最小口徑，在套管級數(shù)確定的情況下，終孔口徑與地質因素決定了各級套管和鉆頭的直徑。

孔深對鉆孔結構的影響在于孔深越大，鉆探遇到的復雜情況會越多，施工周期長，孔壁受到的破壞作用也越大，為了避免孔壁出現(xiàn)不穩(wěn)定或異常，影響到下面的施工，每鉆進一定深度后，要用套管進行護壁隔離。

2.3 礦區(qū)施工經(jīng)驗

與地質設計不同，對鉆探來說，對地層地質狀況的關注往往更偏重于巖石的工程力學性質(可鉆性和穩(wěn)定性)，所以地質設計報告中所預測的不完全適合鉆孔結構設計，此時礦區(qū)內的施工經(jīng)驗將對鉆孔設計起決定性因素。如果某一新礦區(qū)施工多個鉆孔，開始施工的鉆孔，鉆孔結構可以設計復雜一些，之后再根據(jù)施工情況適當簡化鉆孔結構。如果在一個礦區(qū)只施工一個較深鉆孔，則應盡量收集到以往淺孔施工資料或設計預導孔。

2.4 設備和鉆具能力

深孔鉆進中，一般根據(jù)終孔口徑和孔深選擇設備。同樣的鉆探設備，口徑越大，施工負荷越大，鉆進深度能力越小，會限制某一級口徑的鉆進深度。如果考慮采用設計深度足夠大的設備使鉆孔結構不受其影響，但在目前，適用于3000 m以深鉆孔的特深孔鉆機并不是最常用鉆機，許多單位不具備條件，從經(jīng)濟的觀點也不合理。

選用的鉆具組合對鉆孔結構影響更大。一方面是鉆桿的強度，對深孔鉆探來說，即使要求終孔直徑很小，往往也會因為鉆桿強度不能滿足深孔的扭矩傳遞要求而不能使用?？趶皆叫?，鉆桿直徑要相應減小，強度也會降低。正如在以往的地質勘探中，由于探礦深度較淺最常用的是56 mm口徑。但隨著設計鉆孔深度逐步加深，鉆孔終孔口徑逐步被75 mm(NQ)口徑替代。另一方面，大口徑繩索取心鉆具(如S122)還不普及，施工中必須用提鉆取心，鉆孔結構設計時應考慮施工單位擁有的繩索鉆具的規(guī)格情況，如果對于某一口徑可以利用繩索取心鉆進就可以適當增加鉆進深度，以減小提鉆取心的工作量。對使用全面鉆進的不取心孔段，可以加大鉆進深度。

2.5 鉆頭(鉆桿)直徑與套管內外直徑的配合

在地質巖心鉆探中套管、鉆頭內外徑配合間隙都比較小，如鉆頭口徑系列為175-150-130-110-95-76-60 mm、套管外徑系列分別為168-146-127-108-89-73 mm，需要加大鉆頭或用鉆桿替代套管時要考慮上一級套管的內徑。特別是目前各廠家加工質量不一，管材外徑、壁厚等存在公差，有時計算可以通過鉆頭的套管，卻無法通過，使鉆孔結構的實施受到影響。

2.6 配合孔內試驗測試儀器

深孔鉆探中，孔內測井、試驗的機會較多，因此要充分考慮測試儀器的外徑與測試要求選擇鉆孔結構。如果有長期觀測儀器，還要考慮儀器在孔內的安裝。

2.7 要為下部施工留有余地

對深孔鉆探來說，不可預見的問題較多，有時還需要變更鉆孔深度，按終孔直徑設計的鉆孔結構，一旦出現(xiàn)意外就難以彌補。為了給鉆孔下部的施工留有充分的余地，可以增加一級套管結構，即增大一級終孔口徑，即使按大一級的口徑順利終孔，也不會造成很大浪費。

2.8 鉆探技術方法和措施

鉆孔結構包括了套管的有效利用和合理安排，但施工絕對不能完全依賴套管，否則鉆孔結構會特別復雜。要針對地層條件制定相應的技術方法和措施，例如對不適合繩索取心鉆進層位，要采取什么鉆進方法和措施，對漏失地層是采用惰性材料堵漏、水泥封孔還是套管隔離等[5-7]。

3 鉆孔結構施工方法

根據(jù)在深孔施工中的經(jīng)驗積累及參考有關資料介紹，深孔施工有以下幾種主要方法實現(xiàn)最終鉆孔結構。

3.1 按設計施工法

按設計施工法就是對地層熟悉，施工經(jīng)驗豐富的礦區(qū)，地質預測與實際往往相差不大，設計鉆孔結構時可根據(jù)經(jīng)驗有針對性地選擇結構。這種情況下，就可以根據(jù)設計的鉆孔結構進行施工，套管設計在什么位置就下到什么位置，這是最常用的施工方法。

此法要在充分收集附近鉆孔資料的基礎上，保證設計的鉆孔結構符合鉆孔質量的需要。往往可以最大限度簡化鉆孔結構、充分發(fā)揮設備鉆進能力和提高生產(chǎn)效率。

3.2 探索施工法

探索施工法是指在不能預測下部地層復雜情況的條件下，先采用鉆進效率高的鉆進方法進行探索(取心)，再根據(jù)地層復雜程度進行擴孔，調整鉆孔結構。

深部鉆探往往對下部地層認識不清，而大口徑取心(特別是提鉆取心)鉆進效率如果與下一級口徑的鉆進效率差別較大，則可以提前終止大口徑鉆進，改用下一級口徑鉆進，如果下一級口徑施工中遇到復雜情況，根據(jù)情況鉆穿復雜地層后提出上一級口徑套管進行擴孔至復雜孔段底板，再重新下入套管。當然如果沒有復雜地層存在，就可以繼續(xù)施工，直至到換下一級口徑，提高了生產(chǎn)效率。

3.3 充分施工法

充分施工法是指在設備能力達到的情況下，利用大口徑盡可能向下鉆進的方法。

對新施工礦區(qū)，地質條件不熟悉，巖石鉆進特性、構造分布等判斷不清，只能根據(jù)地質設計給出的預測作為鉆孔結構的設計依據(jù)。為了保證下部施工有充分的換徑余地，在對施工效率和成本影響較小(如繩索取心)的前提下，以較大口徑鉆進時應盡量往深處鉆進，甚至至終孔。只有在大口徑遇到復雜的孔內狀況難以處理或是鉆具及設備能力不允許時，再下入套管換用下一級口徑。

3.4 其他方法(同徑套管、飛管等)

飛管指某一孔徑遇到復雜地層必須套管隔離，且該孔段長度較短，而其它孔段完整的情況下，只下入滿足隔離復雜地層孔段的套管，而不是傳統(tǒng)的自上而下的全孔套管，以節(jié)省套管費用。

同徑套管技術，下入套管后再對套管進行擴張，使套管內徑滿足同一口徑的鉆頭鉆進。這一技術是深孔鉆進中最理想的施工方法，可以最大限度的簡化鉆孔結構，但還有待于進一步研究[8]。

4 幾種深孔鉆孔結構施工方法的成功案例

4.1 按設計施工法

我院完成的招遠玲瓏東風礦區(qū)171號脈深部詳查項目，該項目共完成鉆孔102個，鉆探進尺110973.17 m，平均鉆孔深度1088 m，最大終孔深度1891.38 m。該金礦區(qū)是“中國金都”招遠轄區(qū)內最大的金礦區(qū)，勘探歷史長，礦區(qū)前期地質資料豐富，鉆孔施工區(qū)地層情況清楚。因此，在鉆孔結構設計時，根據(jù)地質設計和合同要求，盡量簡化結構。

對本礦區(qū)來說，上部第四系地層較淺，下部復雜地層為構造帶或蝕變帶類，針對這一特點，對設計深度500 m以淺鉆孔，主要選擇二級鉆孔結構，即?110-95 mm；對設計深度1500 m以淺鉆孔，選擇三級鉆孔結構設計，即?110-95-75 mm。對終孔口徑要求大的水文地質鉆孔或地層特別復雜鉆孔，采用大口徑鉆孔結構(?130-110-95 mm)，設計深度1500 m以深鉆孔，采用4級鉆孔結構設計，即?130-110-95-75 mm。在實際生產(chǎn)中，除個別鉆孔根據(jù)實際鉆進情況做了適當調整外，礦區(qū)絕大部分鉆孔按照設計的鉆孔結構執(zhí)行，具體情況如表1所示[9-10]。

典型鉆孔結構見圖1。

4.2 探索施工法

中國巖金勘查第一深鉆——山東萊州西嶺金礦區(qū)ZK96-5孔，鉆探施工項目設計孔深4000 m，是在該區(qū)域施工的第一個特深孔，下部地層資料不足，以此使用探索法進行設計和施工。

4.2.1 鉆孔結構設計主要考慮的因素

該鉆孔結構設計時主要考慮以下幾點：

表1 招遠玲瓏東風礦區(qū)171號脈深部詳查項目鉆孔結構一覽表Table 1 List of drilling structures for detailed survey project at the No.171 vein in Linglong Dongfeng Mine

圖1 玲瓏東風礦區(qū)171號脈深部詳查項目典型鉆孔結構示意圖Fig.1 Typical drilling structures for detailed survey project at the No.171 vein

(1)區(qū)內地層以超基性巖體為主，相對較完整。

(2)設備能力和鉆探成本限制了大口徑施工。

(3)該孔是在該區(qū)域施工的第一個特深孔，沒有具體的地層資料。鉆進中不可預見的因素較多，地質情況可能與地質預測資料有較大出入。鉆孔結構的設計應首先充分考慮到地層因素。

(4)為了預防鉆孔深部地層情況復雜，為降低終孔口徑的施工難度，H口徑應盡力提高鉆進深度，不宜小于2000 m孔深。

本工程設計鉆孔結構如圖2(a)所示。

4.2.2 鉆孔結構設計的調整

根據(jù)《膠西北金礦集區(qū)礦區(qū)詳細普查地質報告》提供的地層和巖石情況，該鉆孔主要孔段鉆遇巖石多數(shù)為花崗巖類、片麻巖類，巖石可鉆性級別一般為7～9級。上部第四系地層為海相沉積物覆蓋，主要為海相沉積，海陸交互相沉積，巖性為中粗砂、沙淤泥、海相主要為中細粒長石石英砂，厚度一般30～40 m。該層設計用一級套管隔離是必要的，但下部?146和114 mm套管的下入顯得有些倉促[11]。

鉆孔開孔時采用?150 mm合金鉆進，配?50 mm鉆桿，鉆進至32.80 m，由于扭矩較大，鉆桿折斷，用打撈工具撈取后，改用?170 mm鉆具擴孔至鉆具底部，下入?168 mm套管。32.80 m開始采用?150 mm金剛石單管鉆具，由于效率低，取心困難，至81.50 m提前下入?146 mm套管。然后采用P口徑繩索取心鉆進，至501.00 m，地層完整，于是下入?114 mm套管；開始采用H口徑繩索取心鉆進進行探索，至2229 m地層一直比較完整，直接轉換成N口徑繩索取心鉆進，至2439.10 m出現(xiàn)破碎地層，繼續(xù)鉆進至2672 m，在上部破碎帶出現(xiàn)了孔內事故，需要處理，從2230 m處采用H口徑擴孔至2439.10 m，下入?89 mm套管，最終形成了如圖2(c)的鉆孔結構[12-15]。

ZK96-5鉆孔屬國內本行業(yè)首次進行的孔深超過4000 m的特深孔施工，沒有相應施工經(jīng)驗。按照一般的設計思路和原則，在同一地層條件下設計一級套管的方法不合理，如果考慮地層復雜，鉆孔結構設計就很復雜。因此，在實際鉆進過程中，根據(jù)實際情況采用探索的方法，對鉆孔結構進行適當調整，在遇到復雜情況可根據(jù)實際情況進行擴孔，重新下入套管是合理的。

圖2萊州西嶺金礦區(qū)ZK96-5孔鉆孔結構示意圖
Fig.2Structures of the ZK96-5hole in the Laizhou Xiling Gold Field

4.3 充分施工法

江西某礦區(qū)深部鉆孔施工為此類典型，鉆孔結構如圖3所示。該孔設計深度2500 m，根據(jù)地質需要，加深后，用時283 d，終孔深度2818.88 m。該孔設計時，根據(jù)常規(guī)考慮四級口徑，在實際施工中，因對地質條件不熟悉，從二開鉆進開始，考慮下部可能出現(xiàn)復雜情況，為方便事故處理，從鉆穿第四系下入?146 mm套管后，一直采用?122 mm金剛石繩索取心裸孔鉆進直至終孔。該孔主要采用金剛石繩索取心鉆進，鉆具組合為：液動沖擊器+?122 mm金剛石繩索取心鉆具+孕鑲金剛石鉆頭。該孔的成功實施，證明在新礦區(qū)鉆進時，在不影響鉆進效率及成本影響較小時，以較大口徑盡量往深處鉆進甚至至終孔的方法是可行的[16]。

圖3 江西某礦區(qū)深部鉆孔結構示意圖Fig.3 Deep hole structures in a Jiangxi mine

5 結論

合理的鉆孔結構設計是保障深孔、超深孔鉆進成功的關鍵因素之一。通過多年的深孔、超深孔鉆孔結構實施方法的研究，取得了一定的經(jīng)驗：

(1)地質鉆探鉆孔結構的設計與施工，特別是對深部地質鉆探來說，除地質條件及鉆孔深度、終孔直徑外，還要充分考慮鉆進方法、護孔措施、設備情況，合理選擇開孔口徑、換徑次數(shù)與深度、套管程序等。

(2)在地質條件熟悉的礦區(qū)，直接按照設計的鉆孔結構施工，是比較安全、經(jīng)濟的。深部地層復雜情況不明時，可采用鉆進效率高的鉆進方法進行探索(取心)，再根據(jù)地層復雜程度進行擴孔，調整鉆孔結構。

(3)對于超深孔鉆進時，可采用多種鉆孔結構實施方法相結合，如采用探索法向下施工，在地層條件合適時，可采用大口徑盡可能向下鉆進(充分施工)，遇地層復雜或處理孔內事故需要，可提前下入套管，實際鉆孔結構根據(jù)地層復雜情況及時調整。

(4)鉆孔結構的選擇不是一成不變的，要根據(jù)實際鉆進情況，如地層復雜破碎程度、孔內事故等因素及時進行調整，在保證終孔口徑的前提下，盡量留有余地。