鉆探工程中的復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)分析

浦靜怡，段立強(qiáng)，馬少華

（1.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000；2.陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710000）

為了滿足水文、礦產(chǎn)等諸多方面的需求，地質(zhì)鉆探已然成為一門炙手可熱的重要行業(yè)。但在實(shí)際鉆探生產(chǎn)過程中，總會(huì)因?yàn)閺?fù)雜地層而引發(fā)各種孔內(nèi)事故。不僅影響鉆探工程進(jìn)度，還影響了礦芯采取率。因此，本文主要從復(fù)雜地層的成因入手，深入分析鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用策略，并對(duì)措施成果進(jìn)行小結(jié)，以供參考。

1 技術(shù)概述

由于煤礦的開采環(huán)境惡劣，在開采過程中若出現(xiàn)問題極易造成生命財(cái)產(chǎn)等方面的損失。因此在煤礦開工之前，先針對(duì)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行研究對(duì)應(yīng)的開采工作。在進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)期間，可以導(dǎo)入定向鉆進(jìn)技術(shù)來提升煤礦開采的工作效率，同時(shí)確保生產(chǎn)人員的人身安全。

不同于其他井下地質(zhì)勘探技術(shù)，定向鉆進(jìn)技術(shù)能通過人工操作，改變鉆頭的鉆進(jìn)軌跡或相關(guān)的空間位置。進(jìn)行實(shí)地探測(cè)時(shí)，應(yīng)將探頭放在深井區(qū)域，調(diào)整鉆頭參數(shù)及孔深，然后根據(jù)鉆進(jìn)設(shè)備的鉆孔軌跡，能夠精準(zhǔn)地計(jì)算出孔垂周邊的位移參數(shù)。進(jìn)一步優(yōu)化鉆進(jìn)探頭數(shù)據(jù)，得出鉆孔前方煤層的地質(zhì)條件。通過對(duì)鉆孔設(shè)備的運(yùn)行軌跡，能有效查明勘測(cè)點(diǎn)連同其周邊的地層變化等相關(guān)信息。以此確保煤礦生產(chǎn)順利進(jìn)行。

2 應(yīng)用鉆進(jìn)技術(shù)過程遇到的問題及其原因分析

2.1 各種復(fù)雜地層及形成主要原因

2.1.1 地層本身的礦物巖石組成造成的復(fù)雜地層

由于地層本身存在著儲(chǔ)油、氣、水的封閉型的背斜構(gòu)造，或者逆掩斷層封閉構(gòu)造，會(huì)給鉆探施工帶來極大的工作難度。一旦出現(xiàn)問題將會(huì)出現(xiàn)井噴等一系列不良后果。

2.1.2 風(fēng)化作用下形成的復(fù)雜地層

松散的孔隙地層（如流砂層、砂礫石層等）或者風(fēng)化裂隙發(fā)育地層，鉆探過程中遇到這種類型的地層，很容易出現(xiàn)孔壁垮塌、超孔超徑、涌砂等狀況。

2.1.3 流水作用形成的復(fù)雜地層

一些諸如鹽巖、鉀鹽等水溶性地層或各種泥巖、粘土膠結(jié)等水敏性地層，若出現(xiàn)在鉆探作業(yè)過程中，若得不到及時(shí)處理，很容易出現(xiàn)孔壁表面剝落、膨脹縮徑、鉆頭泥包、鉆孔超徑等復(fù)雜情況。

2.1.4 地質(zhì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的復(fù)雜地層

巖層在形成過程中在不同地質(zhì)運(yùn)動(dòng)（若擠壓、沉積、溶蝕等）的作用下，形成像碎石帶、松散層等復(fù)雜情況。鉆進(jìn)工程中若遇到構(gòu)造裂隙或成巖裂隙等因素形成的斷層、節(jié)理發(fā)育地層，就會(huì)導(dǎo)致井壁掉塊、坍塌、漏水等情況。

2.1.5 溶蝕作用導(dǎo)致的復(fù)雜地層

鉆進(jìn)過程中若遇到石膏、石灰?guī)r等溶洞發(fā)育地層，將會(huì)出現(xiàn)礦井漏水、涌水甚至坍塌等情況。

2.1.6 巖性自身導(dǎo)致的復(fù)雜地層

由于巖漿活動(dòng)或放射性礦物相關(guān)的地層，都屬于高溫地層，當(dāng)?shù)責(zé)峋虺罹龅竭@類地層時(shí)，泥漿處理劑將會(huì)失效，導(dǎo)致地層不穩(wěn)定，帶來的危害也是可想而知的。因此，在鉆進(jìn)施工過程中，若不能及時(shí)處理很容易出現(xiàn)掉鉆、埋鉆等情況。

2.2 鉆進(jìn)工藝缺陷

一般情況下，以往的礦區(qū)采用過普雙金剛石鉆進(jìn)、S75金剛石繩索取芯鉆進(jìn)以及093毫米普雙金剛石鉆進(jìn)等多種技術(shù)工藝，均未能很好地解決護(hù)壁堵漏、糊鉆、嚴(yán)重堵水或巖礦芯采取率低等問題。而且還存在著鉆頭/擴(kuò)孔器消耗量大、無法鉆進(jìn)等問題。因此必須導(dǎo)入先進(jìn)的鉆探技術(shù)，才能彌補(bǔ)普通鉆進(jìn)工藝的種種缺陷，確保煤礦安全生產(chǎn)的同時(shí)，節(jié)約成本。

3 鉆探工程在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)技術(shù)的對(duì)策探討

根據(jù)各類型形成原因，結(jié)合相關(guān)理論研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議。

3.1 礦物巖石、風(fēng)化與流水作用導(dǎo)致的地層的鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)策

在實(shí)地鉆探過程中，首先應(yīng)明確勘測(cè)點(diǎn)位，根據(jù)相關(guān)的電法儀器能準(zhǔn)確探測(cè)出位置異常的地質(zhì)條件，然后設(shè)置好鉆孔的具體方位，鉆進(jìn)設(shè)備工作期間，施工人員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注返渣巖性的相關(guān)變化，充分了解當(dāng)前位置是否存在異常情況。由于鉆孔局部范圍內(nèi)的構(gòu)造情況不容易被掌握，導(dǎo)致地面鉆孔種種受限。利用定向鉆孔技術(shù)能超前探測(cè)所要開采的地質(zhì)條件。在實(shí)地鉆探過程中，可以根據(jù)開采要求設(shè)定合理的分支鉆孔，然后依照分支鉆孔獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，能有效算出煤層厚度，提高煤礦開采效率。

對(duì)一些復(fù)雜（如礦物巖、風(fēng)化、流水等）地層進(jìn)行鉆進(jìn)施工時(shí)，為避免孔壁斷裂、掉塊等問題，可以在下鉆時(shí)必須嚴(yán)格把控對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位及鉆速。使用粘度大的沖洗液將孔壁破碎的巖石進(jìn)行有效連接，可以有效防止孔壁坍塌。在鉆入鹽度高的地層，應(yīng)使用高鹽度鉆進(jìn)泥漿，能有效防止地層鹽巖被溶蝕導(dǎo)致的孔徑增大。

鉆探破碎程度較大的地層時(shí)，可以采用有堵塞功能的物質(zhì)注入地層，使松散、破碎的巖石固結(jié)在一起，以此確保鉆孔表面巖石穩(wěn)定。等巖石強(qiáng)度達(dá)標(biāo)時(shí)再進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。

3.2 地質(zhì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的復(fù)雜地層的鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)策

由于構(gòu)造碎裂巖等類的復(fù)雜地層，通常處于應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài)。在進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，很容易打破巖層固有的平衡狀態(tài)，經(jīng)過相關(guān)沖洗液的沖蝕作用，很容易導(dǎo)致掉鉆情況，而且斷泥層中的黏土礦物，因?yàn)槲蛎洏O易導(dǎo)致卡鉆或縮徑。

在開孔鉆進(jìn)作業(yè)之前，應(yīng)準(zhǔn)備好相關(guān)的套管、鉆頭、擰卸工具以及相關(guān)報(bào)表等。全面檢查鉆探設(shè)備及其安裝質(zhì)量，對(duì)不合理之處應(yīng)及時(shí)調(diào)整或重裝，不得湊合。力求鉆探工作能夠有序進(jìn)行。

在執(zhí)行深孔鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，可以在孔口處挖坑將定向管埋入，等到鉆進(jìn)基巖之后再下入套管。對(duì)于一些淺孔的施工來說，則可以采用泥漿保護(hù)孔壁，若出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌情況，則應(yīng)使用人工造壁的方式鉆入基巖，然后下入套管。

為了防止鉆孔彎曲，換徑時(shí)可采用綜合式導(dǎo)向鉆具。由于鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液容易漏失，導(dǎo)致孔壁不夠穩(wěn)定，應(yīng)做好埋鉆、糊鉆等方面事故的防治工作。在下套管之前，應(yīng)封閉套管底部，用木楔固定好套管上端，用粘土或水泥進(jìn)行封閉。在固定套管之前，將用來檢驗(yàn)套管是否端正的主動(dòng)鉆桿與套管連接，必須確保套管在完整的基巖上，才能按要求完成鉆探工程的所有工作。

3.3 溶蝕作用導(dǎo)致的復(fù)雜地層的鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)策

由于溶蝕性地層存在各種裂隙，沖洗液也會(huì)隨著裂隙滲透地層，導(dǎo)致鉆進(jìn)作業(yè)期間泥漿大量流失，不產(chǎn)生返漿情況。因此，為了提升施工效率，選擇合適的鉆孔結(jié)構(gòu)很重要。畢竟鉆孔深度以及終孔結(jié)構(gòu)直接影響施工質(zhì)量，在實(shí)地鉆探過程中，應(yīng)不斷改進(jìn)鉆孔技術(shù)，優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)。可以采用套管鉆代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆桿，可以在不起鉆的情況下，直接取出鉆具組和的鉆進(jìn)方法。這種套管鉆進(jìn)技術(shù)，能有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省起鉆或下鉆的時(shí)間，在鉆孔作業(yè)完成后，可以取出對(duì)應(yīng)的鉆孔設(shè)備，放入PVC-U篩管，能有效避免塌孔等事故，有利于瓦斯抽采效率的提高。

除了一些硬巖地區(qū)之外，還可以采用定向鉆孔技術(shù)。由于定向鉆孔能保證鉆孔在既定層位中得到合理延伸，一定程度上增加了瓦斯的抽采范圍，而且定向鉆孔技術(shù)還可以一孔多用。因此利用井下定向鉆孔技術(shù)，能有效拓展抽采面積、提高單孔抽采量。雖然井下定向鉆孔技術(shù)能有效解決瓦斯的各種抽放問題，但在鉆進(jìn)工藝以及相關(guān)設(shè)備等方面仍存在這樣或那樣的問題，只有不斷改良相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)，才能確保瓦斯能被安全、高效的利用。

4 措施運(yùn)用成果

套管隔離法主要用于鉆孔坍塌、超徑等其他方法無法控制的情況，值得注意的是套管下端必須封閉止水。遇到地層漏失、掉塊等復(fù)雜問題時(shí)，可以利用水泥外加劑調(diào)整其性能，縮短凝結(jié)時(shí)間達(dá)到護(hù)壁堵漏的目的。使用水泥護(hù)壁時(shí)應(yīng)充分考慮施工條件、灌注方式以及外加劑的選用等。而且護(hù)壁堵漏還可以采用瀝青材料或其他化學(xué)漿液（如木銨漿液、丙凝漿液等）。由于水玻璃是可溶于水的注漿材料，具有價(jià)格低、貨源廣等方面優(yōu)勢(shì)。所以將其混入水泥，能使水泥快速硬化，達(dá)到很好的堵水、防漏效果。此外，在鉆探工程中還可以采用控制液柱壓力的方法，調(diào)整泥漿密度。當(dāng)?shù)貙映霈F(xiàn)漏失、涌水等情況時(shí)，可以利用充氣泡沫泥漿進(jìn)行低壓漏失地層鉆井，在平衡地層壓力的同時(shí)，有效同時(shí)鉆進(jìn)設(shè)備的工作效率。

5 結(jié)語

總之，鉆探工程應(yīng)以鉆孔質(zhì)量與安全為前提，根據(jù)巖石性質(zhì)、水文條件鉆孔深度等方面因素，綜合考慮并選取最佳鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的鉆具配置。按照一定直徑與深度在地層中制造符合要求的鉆孔，與此同時(shí)，不斷研發(fā)、使用新型鉆進(jìn)技術(shù)，解決各種地層施工可能出現(xiàn)的問題，確保鉆孔施工的全部工作都能順利、高效地完成。