對于深部地質(zhì)鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的思考

姚海平

（核工業(yè)二八〇研究所鉆探公司，四川 廣漢 618300）

近些年來，我國地質(zhì)行業(yè)發(fā)展迅速，深部找礦和合理鉆探大大促進(jìn)了我國深孔鉆探技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，我國深部地質(zhì)巖心鉆探也面臨著空前的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前，我國5000m智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備的應(yīng)用已經(jīng)成為了一個(gè)重點(diǎn)研發(fā)的地質(zhì)項(xiàng)目。在進(jìn)行深孔施工作業(yè)時(shí)，鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，同時(shí)該工作對正確判斷孔內(nèi)情況和合理調(diào)整鉆孔結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益有十分重要的意義?；诖?，我們可以與長期以來對于深部鉆探的施工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，分析深部地質(zhì)鉆探鉆孔設(shè)計(jì)與施工，為相關(guān)行業(yè)工作者提供相關(guān)借鑒。

1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循相應(yīng)的原則，這樣才能確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，主要原則包括以下五點(diǎn)：①有效阻斷長孔段的復(fù)雜地形，保證孔壁及孔內(nèi)的穩(wěn)定性和安全性；②通常情況下鉆柱的組成、施工設(shè)施能力的需求得到滿足；③設(shè)計(jì)原則應(yīng)能夠有效減少施工成本，確保施工過程的安全穩(wěn)定，增加施工效率和施工水平；④將所涉及的鉆孔設(shè)備簡化，縮減級數(shù)，達(dá)到使鉆孔結(jié)構(gòu)簡化的目標(biāo)；⑤使得地質(zhì)設(shè)計(jì)需求和穿礦口徑、終孔直徑能夠達(dá)到相應(yīng)水平，得到滿足。

2 深孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)

在開展施工的過程中，所遇到的地形具有多樣性和復(fù)雜性，施工難度系數(shù)較大，施工用時(shí)較長，所消耗成本較大，因此，設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)應(yīng)以安全施工為原則，首先要對以下幾種因素進(jìn)行集中考慮[1]。

2.1 地層情況

鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的最大原因便是是為了能夠保證上方孔段和孔壁的安全性和穩(wěn)定性，使其能夠順利鉆進(jìn)，以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)?？妆谑欠窬哂幸欢ǖ姆€(wěn)定性的前提便是地層的情況，因此地層的地質(zhì)構(gòu)造、地層的結(jié)構(gòu)、巖石的物理學(xué)特點(diǎn)都是進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些參考項(xiàng)目，并且作用重大，意義明顯。通過對地質(zhì)報(bào)告的了解和認(rèn)識，逐漸開展深入性研究，對一些施工難度系數(shù)較高、施工過程中易出現(xiàn)問題，如坍塌、粘附、遺漏的問題的地層、地段進(jìn)行套管隔離，這些地層、地段主要包括上覆蓋層、松散地形、軟巖層、地質(zhì)構(gòu)造層段等。假如上方孔段的安全性較低，并且厚度較高，那么便可以將下層套管應(yīng)用其中，對鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要明確好級數(shù)；部分巖石具有較大的強(qiáng)度、地層狀態(tài)較好，保護(hù)壁層難度系數(shù)較低的地段則不需要將套管護(hù)臂應(yīng)用其中，這時(shí)對鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)便不需要深入考慮。

2.2 終孔口徑和孔深

能夠有效滿足地質(zhì)要求的最小口徑便是終孔口徑[2]。明確套管級數(shù)的條件下，對各級套管和鉆頭的直徑有決定性作用的便是終孔口徑和地質(zhì)因素。

孔深對鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)系密切，大多體現(xiàn)在孔深和鉆探狀況的正相關(guān)關(guān)系，孔深越大，那么鉆探所面臨的復(fù)雜情況也就越多，因?yàn)檎麄€(gè)施工過程耗時(shí)較長，孔壁也就越容易遭到損壞。為了有效防止孔壁穩(wěn)定性的下滑和異常情況的出現(xiàn)，對后續(xù)的施工工作產(chǎn)生影響，每當(dāng)鉆進(jìn)達(dá)到一定的深度之后，套管的應(yīng)用都會顯得尤為重要，它能夠有效達(dá)到隔離的效果。

2.3 礦區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)

同地質(zhì)設(shè)計(jì)的不同點(diǎn)在于，在進(jìn)行鉆探工作時(shí)，對于地層地質(zhì)情況的核心要素在于巖石的工程力學(xué)特性，也就是工程力學(xué)的可鉆性和安全性，正是因?yàn)樵撛?，地質(zhì)設(shè)計(jì)報(bào)告中的一些預(yù)測可能與鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不相符，在這種情況下，礦區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)豐富與否對設(shè)計(jì)鉆孔的質(zhì)量和效率關(guān)系密切。例如說，某一新礦區(qū)施工需要較多鉆孔，鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也具有一定的復(fù)雜性，之后便能夠和詳細(xì)施工情況相結(jié)合對鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。假如某一礦區(qū)在施工過程中僅僅需要一個(gè)較深的鉆孔，那么便需要搜集之前的淺孔施工資料或者設(shè)計(jì)預(yù)導(dǎo)孔。

2.4 設(shè)備和鉆具水平

在進(jìn)行深孔鉆進(jìn)時(shí)，普遍要與終孔口徑和孔深對設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)行選擇。同時(shí)鉆探設(shè)備的口徑越大，那么施工的難度也就越大，鉆進(jìn)深度的質(zhì)量效果也就越差，會限制到某個(gè)口徑的鉆進(jìn)深度。同時(shí)使用具有較大設(shè)計(jì)深度的設(shè)備使鉆孔，其結(jié)構(gòu)影響甚微，但是就當(dāng)下來說，3000m的特深鉆孔機(jī)并不是應(yīng)用最為普遍的設(shè)備，我國的較多施工單位都不具備這一條件，不具有合理性。

鉆具組合的選擇也與鉆孔結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。其一便是體現(xiàn)在鉆桿的強(qiáng)度，對一些深孔鉆探來說，假如所設(shè)置的終孔直徑較小，通常也會由于鉆桿強(qiáng)度無法有效滿足深孔的扭矩傳送需求，進(jìn)而導(dǎo)致不能正常應(yīng)用[3]。口徑和鉆桿直徑應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系，口徑越小則鉆桿直徑也越小，強(qiáng)度也會下降。同過往的地質(zhì)勘探相同，因?yàn)樯畹V深度較淺應(yīng)用較多的口徑是56mm口徑。但由于設(shè)計(jì)鉆孔深度的越來越深，逐漸75mm口徑取代了鉆孔終孔口徑。其二。對于較大口徑的繩索取心鉆應(yīng)用并不普遍。同時(shí)，進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對繩索鉆具的規(guī)格情況要進(jìn)行認(rèn)真檢查，假如某一口徑能夠使用繩索取心鉆開展那么則可以使鉆進(jìn)的深度增加，使提鉆取心的工作量減少。

2.5 鉆桿直徑和套管內(nèi)外直徑的配合

因?yàn)榈刭|(zhì)巖心鉆探中套管、鉆頭內(nèi)外徑配合間隙很小，例如說鉆頭孔徑為175-150-130-110-95-76-60mm，套管外徑分別為168-146-127-108-89-73mm，尤其是當(dāng)下很多廠家的加工質(zhì)量沒有一個(gè)明確統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，管材的外徑、管壁厚度都存在一定的差異，有時(shí)計(jì)算可以根據(jù)鉆頭的套管，但不能通過，在進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)影響較大。

2.6 要保留下方施工

在深孔鉆探過程中，有很多出現(xiàn)的問題并不能有效預(yù)測，有時(shí)需要對鉆孔深度進(jìn)行調(diào)節(jié)，依據(jù)終孔直徑合理設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)問題可以及時(shí)解決。為了能夠充分保留下方施工，可以增加一級套管結(jié)構(gòu)，使用大一級的口徑順利終孔，也能降低成本，減少浪費(fèi)。

2.7 與孔內(nèi)試驗(yàn)測試儀器配合

深孔鉆探過程中，孔內(nèi)有很多試驗(yàn)機(jī)會，所以要對測試儀器的外徑和選取測試要求進(jìn)行詳密考慮。假如具備長期觀測儀器，還應(yīng)詳密考慮儀器在孔內(nèi)的安裝工作。

2.8 鉆探技術(shù)的方法和開展

對于套管的合理利用和安排對于設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，但是具體施工過程中不能徹底依靠套管，否則會致使鉆孔結(jié)構(gòu)暴露出一定的復(fù)雜性，加大了工作難度和工作量。要與地層條件相結(jié)合并制定對應(yīng)的技術(shù)對策，比如對于一些不適合繩索取心鉆進(jìn)層位采取相應(yīng)的鉆進(jìn)對策，對于一些漏失地層，嚴(yán)密考慮惰性材料堵漏、水泥封孔和套管隔離方法的使用[4]。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)施工方法

3.1 按設(shè)計(jì)施工法

該方法主要表現(xiàn)為對地形的了解，一些經(jīng)驗(yàn)較為充分的礦區(qū)，地質(zhì)預(yù)測和實(shí)際不具有較大的差異性，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)驗(yàn)也是一項(xiàng)重要的參考依據(jù)。這也是應(yīng)用最為廣泛的一種施工方法。該方法以充分搜集鉆孔資料為基礎(chǔ)，確保鉆孔結(jié)構(gòu)達(dá)到鉆孔質(zhì)量要求。

3.2 探索施工法

在無法預(yù)測下方底層的復(fù)雜情況下可以使用探索施工法，首先進(jìn)行取心工作，之后依據(jù)地形復(fù)雜情況開展擴(kuò)孔工作，進(jìn)而對鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，深部鉆探通常與下方地層認(rèn)識模糊，大口徑取心效率同下一級口徑效率具有差異性，假如下一級鉆進(jìn)遇到問題，則與具體情況相結(jié)合對上一級口徑套管進(jìn)行擴(kuò)孔，直至復(fù)雜孔段底板，之后再下入套管[5]。

3.3 充分施工法

如果設(shè)備能力較高，可以使用大口徑向下鉆進(jìn)方法，這一方法被稱作充分施工法。一些新施工礦區(qū)可以依據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)的預(yù)測，將其作為鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。為了確保下部施工有充足的換徑空間，使用大口徑鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)盡量向深處鉆進(jìn)，以達(dá)到終孔。只有遇到復(fù)雜情況時(shí)或者設(shè)備能力較低時(shí)，再下入套管或使用下一級口徑。

4 結(jié)語

現(xiàn)如今，深部地質(zhì)鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工變得愈發(fā)重要，它對正確判斷孔內(nèi)情況和合理調(diào)整鉆孔結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益有十分重要的意義。在進(jìn)行深部地質(zhì)鉆探鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與實(shí)際情況和過往經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，選擇科學(xué)合理的施工方法，確保施工質(zhì)量和施工效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。