地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)應(yīng)用探究

石 冰

（山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)發(fā)展和城市化建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定關(guān)系，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)開始推進(jìn)城市化建設(shè)工作，各地經(jīng)濟(jì)水平快速提升，就當(dāng)前的勘探情況來(lái)看，多地淺層礦物資源都已經(jīng)被揭示，為進(jìn)一步推進(jìn)礦物勘探工作發(fā)展，開采深層的礦物，就需要結(jié)合實(shí)際情況以及具體的地質(zhì)理論知識(shí)進(jìn)行全面分析，以提高勘探安全水平，全面提升勘探開采效率。

1 基本概況

某礦區(qū)地貌屬于典型黃土高原地貌，海拔高度在1300m左右，勘查區(qū)域地表大部分覆蓋第四系松散沉積物，主要由全新統(tǒng)風(fēng)積沙、現(xiàn)代河床沖積層、洪沖層構(gòu)成，鉆探揭露地層主要為侏羅系直羅組、侏羅系延安組、侏羅系安定組、三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組等等，主要含煤地層平均深度在600m左右。該礦區(qū)煤層鉆探充分參考既往鉆探經(jīng)驗(yàn)，采用普鉆“打單管”的方式，技術(shù)水平相對(duì)較低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，成本相對(duì)難以控制。針對(duì)該情況，技術(shù)人員探討一種行之有效的鉆進(jìn)技術(shù)方法以及新的技術(shù)操作規(guī)程，采用全液壓鉆機(jī)、繩索取樣技術(shù)以及設(shè)備，使用電腦采集、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，力求提高鉆探效果、質(zhì)量[1]。

2 基本技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 沖洗液配比

技術(shù)人員經(jīng)過(guò)商討，發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)煤層鉆探主要存在兩個(gè)方面的難點(diǎn)：一是松散地層的鉆進(jìn)，因采用全液壓鉆機(jī)、繩索取樣技術(shù)的鉆進(jìn)環(huán)狀間隙相對(duì)較小，故沖洗液在鉆進(jìn)過(guò)程中的上返速度較快，對(duì)孔壁沖刷相對(duì)作用較大，不利于井壁泥皮的形成，同時(shí)上鉆、下鉆產(chǎn)生的激動(dòng)壓力較大，容易導(dǎo)致鉆孔超徑或者孔壁坍塌。避免孔壁受到鉆探影響，提高沖洗液的沖洗性能，保證沖洗液壓力大于塌陷壓力是保證鉆探工作正常開展的首要條件；二是泥頁(yè)巖水化問(wèn)題，該礦區(qū)煤層主要為沉積地層，由粉砂巖、頁(yè)巖構(gòu)成，極其容易引發(fā)水化膨脹問(wèn)題，進(jìn)而影響沖洗液的固相狀態(tài)，嚴(yán)重甚至?xí)苯訉?dǎo)致鉆孔彎曲、卡鉆等等，如何避免這些問(wèn)題發(fā)生也是保證工作正常推進(jìn)的關(guān)鍵要素[2-4]。

客觀而言，松散地層的鉆探工作難度必然大于本身持力性較好的地層，避免鉆孔坍塌、避免水熱化是鉆探重點(diǎn)。采用的沖洗液不僅僅要有良好的流變性，同時(shí)還要能夠合理控制固相含量。對(duì)此，國(guó)內(nèi)有諸多學(xué)者提出了不同的技術(shù)建議，比如適量的無(wú)機(jī)鹽成分能夠在一定程度上降低沖洗液中水的活度，進(jìn)一步誘發(fā)空隙流體向沖洗液中滲透，從而達(dá)到提高穩(wěn)定性的目的，而KCI無(wú)機(jī)鹽的效果得到了正式；相較于鈉離子，鉀離子的水化半徑更小，對(duì)聚硅醇酸有較為良好的束縛效果，可避免粘土吸附在聚硅酸根表面，且鉀離子比鈉離子的聚沉能力更加出眾，適當(dāng)調(diào)整后，沖洗液對(duì)絮凝物的沖洗效果會(huì)更為突出[5，6]。

2.2 鉆進(jìn)參數(shù)

（1）是轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速直接影響勘探用金剛石鉆頭的鉆進(jìn)速度，一般情況下，轉(zhuǎn)速越快，其鉆進(jìn)速度也就越快，具體應(yīng)根據(jù)金剛石鉆頭的圓周線速度、外徑進(jìn)行調(diào)整，針對(duì)煤田地層，直徑為113mm的鉆頭轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在200r/m左右，直徑為76mm的鉆頭，轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在400mm左右。另外，在鉆進(jìn)過(guò)程中，若地質(zhì)硬度較高，則應(yīng)采用高速鉆，若是巖層持力性交叉、裂隙發(fā)育、軟硬不均、鉆進(jìn)振動(dòng)較大，則應(yīng)采用低速鉆。

（2）是鉆壓，鉆具在軸向載荷作用下施加力于巖石，因鉆具的尺寸不同、形狀不同，故產(chǎn)生的應(yīng)力也存在較大的差異，就應(yīng)力區(qū)域而言，一般壓力、破碎區(qū)、深度成正比關(guān)系。該礦區(qū)煤層勘探采用復(fù)合片鉆頭，其鉆壓計(jì)算主要參考鉆頭復(fù)合片數(shù)、巖石礦壓強(qiáng)度、復(fù)合片數(shù)的和巖石的實(shí)際接觸面積。

（3）是泵量，在泵量的一般設(shè)計(jì)原則需滿足沖洗液上返速度的具體要求，金剛鉆鉆進(jìn)沖洗液的上翻速度應(yīng)該控制在0.5m/s左右，金剛石繩索取芯鉆進(jìn)沖洗液上翻速度應(yīng)控制在1m/s左右。類似該礦區(qū)煤層勘探，采用復(fù)合片鉆頭，泵量應(yīng)參考表鑲或者孕鑲的實(shí)際參數(shù)，將泵量控制在該參數(shù)的30%左右。

3 實(shí)際鉆探

該礦區(qū)煤層鉆探實(shí)際使用復(fù)合片鉆頭，該工作原理和一般刮片鉆頭的工作原理基本一致，主要通過(guò)擠壓、切割、剪切等多種方式破碎、割裂地層，通過(guò)克服巖層本身的剪切壓力實(shí)現(xiàn)破碎，而非用過(guò)擠壓強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以在松散地層，相較于普通金剛鉆頭，復(fù)合片鉆頭表現(xiàn)出鉆進(jìn)效率高、切削速度快、鉆頭壽命長(zhǎng)等等優(yōu)勢(shì)。一般煤礦附近地層以沉積地層為主，煤層附近地層偏軟，具有發(fā)揮復(fù)合片鉆頭優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)條件。復(fù)合片鉆頭在實(shí)踐中表現(xiàn)出以下特征：一是鉆頭壽命較長(zhǎng)，全孔長(zhǎng)度為534m，鉆進(jìn)過(guò)程中僅需要進(jìn)行一個(gè)鉆頭更換，節(jié)約了大量時(shí)間，提高了鉆探效率；二是復(fù)合片鉆頭本身耐磨性較強(qiáng)，具有進(jìn)行橫速鉆進(jìn)的基礎(chǔ)條件，鉆進(jìn)過(guò)程中壓力較小，轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，整體行進(jìn)過(guò)程穩(wěn)定，成本易于控制。經(jīng)過(guò)測(cè)定，該礦區(qū)單孔鉆進(jìn)每米成本僅在2.37元左右，經(jīng)濟(jì)效益極為突出[7-9]。

3.1 斷鉆問(wèn)題以及問(wèn)題處置方法

鉆桿在鉆進(jìn)的過(guò)程中，受到各種載荷作用影響，比如彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)、拉壓、腐蝕、極其容易導(dǎo)致鉆桿這段，尤其是金剛石繩索取芯鉆進(jìn)法，在復(fù)雜條件下，鉆桿相對(duì)薄弱，更容易出現(xiàn)鉆桿這段的問(wèn)題。通常來(lái)說(shuō)，加壓鉆進(jìn)最大撓度在距離最深處1/3左右地段，鉆桿折斷問(wèn)題發(fā)生概率較高。而鉆桿折斷必然會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)效率降低，鉆進(jìn)效率降低又會(huì)導(dǎo)致鉆桿折斷幾率增加，往復(fù)惡性循環(huán)，往往會(huì)導(dǎo)致鉆探質(zhì)量、成本失控，

該礦區(qū)鉆進(jìn)施工過(guò)程中共發(fā)生5次折斷事故，技術(shù)人員事后對(duì)事故成因進(jìn)行了系統(tǒng)分析：一是鉆孔級(jí)配指數(shù)不合理，開孔采用直徑為108mm的鉆套，而后直接采用直徑為73mm的鉆桿開始鉆進(jìn)，孔壁間隙較大，鉆壓難以有效的施加在鉆頭上，鉆進(jìn)時(shí)效相對(duì)低下，鉆桿折斷的次數(shù)也極為頻繁；二是鉆壓沒有得到良好控制，技術(shù)人員前期對(duì)地層的認(rèn)識(shí)不足，同時(shí)全液壓設(shè)備施加的壓力也較大，一味追求鉆探效率，應(yīng)力過(guò)于集中導(dǎo)致鉆桿折斷；三是沖洗液的配比設(shè)計(jì)不合理，鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。

鉆進(jìn)過(guò)程中采取的解決措施為：進(jìn)一步改變鉆孔結(jié)構(gòu)，合理調(diào)整鉆桿級(jí)配，控制鉆孔環(huán)狀間隙，控制鉆進(jìn)過(guò)程中的彎曲應(yīng)力、彎曲撓度。建議，合理調(diào)整孔徑、鉆桿、接頭之間的關(guān)系，同時(shí)改善沖洗液配比，保證沖洗液能夠起到保護(hù)孔壁，減少鉆桿吸附的效果，避免過(guò)激操作導(dǎo)致內(nèi)部壓力持續(xù)增加。另外，在條件允許的情況下提高鉆桿強(qiáng)度，可考慮采用復(fù)合熱處理鉆桿。

3.2 沖洗液性能控制

鉆進(jìn)過(guò)程中常出現(xiàn)鉆孔漏失、沖洗液固相失控的情況，進(jìn)一步導(dǎo)致地層坍塌、鉆進(jìn)速度失去控制。具體的解決方法為：調(diào)整鉆進(jìn)循環(huán)槽的實(shí)際尺寸，現(xiàn)場(chǎng)增加除砂器等等設(shè)備，選擇性子啊沖洗液中加入絮凝劑，改善沖洗液的固相狀態(tài)。技術(shù)人員定期檢驗(yàn)沖洗液的密度、粘度，判斷沖洗液的固相狀態(tài)是否服藥要求，根據(jù)規(guī)定更換泥漿，或者進(jìn)行稀釋、沉降。沖洗液若需摻加黃原膠、纖維素等等高分子材料，需保證沖洗液提前進(jìn)行了預(yù)水化，保證攪拌機(jī)始終保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，保證沖洗液中鉀離子含量符合技術(shù)要求。

3.3 鉆進(jìn)參數(shù)控制

鉆進(jìn)參數(shù)控制主要是指針對(duì)當(dāng)前孔深度、地層的實(shí)際情況，對(duì)扭矩、壓力、鉆進(jìn)速度、沖洗液性能等參數(shù)進(jìn)行靈活控制。該礦區(qū)地質(zhì)勘探工作開展過(guò)程中，針對(duì)覆蓋層、紫紅色泥巖層、紅紗層、藍(lán)灰色泥巖層、藍(lán)灰色砂巖層、灰色泥巖層、灰色砂巖層、煤層等靈活進(jìn)行加減壓力、調(diào)整轉(zhuǎn)速、調(diào)整扭矩、調(diào)整泵壓、調(diào)整漏斗粘度、調(diào)整密度以及鉆進(jìn)時(shí)效，技術(shù)人員記錄下各個(gè)階段的實(shí)際鉆進(jìn)情況，確?？變?nèi)情況能夠正確得到反映，秉承“輕壓、吊打”的基本原則合理控制鉆壓、鉆進(jìn)速度。

該礦區(qū)應(yīng)用全液壓鉆進(jìn)設(shè)備+復(fù)合片鉆頭+鉆頭繩索取芯技術(shù)，最終成功完成鉆探任務(wù)，但是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中也存在諸多不足，該技術(shù)方案的優(yōu)勢(shì)以及不足具體表現(xiàn)為：一是全液壓鉆進(jìn)設(shè)備相較于普通巖心鉆機(jī)，在技術(shù)、安全、動(dòng)力、操作性方面均有所改善，這也是國(guó)內(nèi)外鉆探技術(shù)發(fā)展的主要方向。該技術(shù)方案有突出的信息化控制系統(tǒng)，技術(shù)人員也根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整鉆探參數(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了智能化操作，且具有較高的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，能夠有效適應(yīng)各種情況。同時(shí)，該技術(shù)方案的動(dòng)力頭行程相對(duì)較長(zhǎng)，可有效減少倒桿次數(shù)，避免孔洞堵塞，配備其他設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員勞動(dòng)量大幅度降低，且能夠提高現(xiàn)場(chǎng)施工安全水平。二是該技術(shù)方案在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用案例相對(duì)較少，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、施工經(jīng)驗(yàn)均有所不足，技術(shù)人員在智能化控制方面還需進(jìn)一步磨練，其顯示的技術(shù)參數(shù)存在一定的局限性，該技術(shù)方案對(duì)攪拌機(jī)的考慮相對(duì)較少，攪拌機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)意外事故。另外，設(shè)備在高強(qiáng)度的工作條件下出現(xiàn)漏油問(wèn)題，對(duì)設(shè)備的養(yǎng)護(hù)、管理要求較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)是經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基本需求，地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)同時(shí)整合測(cè)繪、地球物理勘探、地球化學(xué)勘探、鉆探、坑探、地質(zhì)遙感等等技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)一定區(qū)域內(nèi)巖石、地層構(gòu)造、礦產(chǎn)、地下水、地貌等地質(zhì)情況進(jìn)行的調(diào)查研究工作。根據(jù)國(guó)家自然資源部發(fā)布《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告2018》顯示，2017年，全國(guó)地質(zhì)勘查投資782.85億元，較上年增長(zhǎng)1%，連續(xù)四年下降后首次回升。其中，油氣礦產(chǎn)地質(zhì)勘查投資584.49億元，增長(zhǎng)10.8%；非油氣礦產(chǎn)地質(zhì)勘查投資198.36億元，下降19.8%。總體來(lái)看，我國(guó)資源類地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)應(yīng)用需求逐步提升，而各類礦物資源的勘探技術(shù)要求不斷提升，這就需要廣大從業(yè)者不斷提升地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)水準(zhǔn)。

事實(shí)證明，上述礦區(qū)采用的復(fù)合片鉆頭可有效應(yīng)對(duì)松散地層鉆探需求，該鉆頭不僅實(shí)際使用壽命長(zhǎng)，且能夠提高鉆進(jìn)效率。事實(shí)上，煤炭鉆進(jìn)設(shè)備相較于天然氣、石油行業(yè)一直較為落后，國(guó)內(nèi)技術(shù)水平和國(guó)外仍舊存在一定的差異。沖洗液的有效調(diào)配是保證順利鉆孔的關(guān)鍵要素，在任何地質(zhì)環(huán)境中鉆進(jìn)勘探，都不能忽視沖洗液的配置以及調(diào)整。上述內(nèi)容不僅有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也有教訓(xùn)，望廣大從業(yè)者加以重視，并在實(shí)踐中不斷探索、完善。