深孔巖心鉆探問題探討

汪洪民WANG Hong-min

（青海省第二地質礦產勘查院，西寧 810028）

（The 2nd Geology and Mineral Resources Institute of Qinghai Province，Xining 810028，China）

0 引言

隨著我國社會主義的不斷向前發展，我國愈來愈重視各種技術領域的突破，力爭在許多重要技術領域走在世界前列，擺脫我國自主技術能力水平低的帽子。鉆探技術作為礦產能源開發、交通基礎設施建設和高層建筑建設過程中必不可少的重環節，其發展水平直接關系我國國民經濟建設能否正常快速前行。當前，在淺層鉆探領域我國的各項技術已經相當成熟，而且正在不斷取得創新與突破，然而隨著淺層礦產資源的枯竭，淺層孔鉆探不足以保證各種高技術標準的交通基礎設施和高層建筑的正常開發建設，因此，亟需對深孔鉆探技術進行研究，以期能適應現代社會的發展需要。

1 深孔巖心鉆探問題概述

深孔巖心鉆探相對于目前普通的巖心鉆探，不僅其孔深明顯增加，而且鉆探成本與鉆探難度都急劇增大，因此，深孔巖心鉆探問題必須得到相關人員的高度重視，在安全第一的前提下不斷探索與試驗相關技術，力爭深孔巖心鉆探技術取得新的突破。在深孔巖心鉆探中，設計鉆探小孔的結構和鉆進過程中孔壁的穩定是需要重點注意的地方，因為如果對這兩個方面的問題不加以重視，那么在鉆探過程中，由于地層應力、地層的孔隙壓力、地層破裂壓力和地層坍塌壓力的綜合作用，會出現安全事故。要想避免深層鉆探過程中出現的各種安全隱患，需要重視地質結構、巖石性質、鉆探工藝和孔內側井的技術。本文以深孔巖心鉆探過程中，孔壁的穩定與安全為出發點，對于深孔巖心鉆探過程中的孔壁穩定、鉆探裝備與鉆探過程兩方面探討其中存在的問題并給出對應的解決辦法。

2 深孔巖心鉆探存在的問題及對策

2.1 孔壁穩定性

2.1.1 存在的問題 在深孔巖心鉆探過程中，孔壁穩定性是首先需要考慮的問題，其他方面的技術均是圍繞這個中心進行的。在深孔鉆探中，主要涉及到的孔壁穩定問題就是孔壁的坍塌或口徑變化、地層的裂變這兩類問題，這也是所有鉆探過程中存在的普遍性的問題。在鉆探施工中，出現的井噴、漏漿、脆性地層坍塌、井口徑變化、地層變形、鉆探工具粘附、固井不返水泥漿等問題都是由于孔內井壁穩定性不達標造成的，而且由于對相關情況的掌握程度不夠，導致解決措施也沒有起到有效作用。對于深孔巖心鉆探，孔壁穩定問題必須放到首要位置予以考慮，對于鉆探前的預測工作做充分，并準備相應的應急預案，防止事故的發生以防引起不必要的損失。對于孔壁失穩的原因，主要為工程、地質方面的因素影響。對于工程方面的問題，下文在鉆探工藝和鉆探實施方面做詳細的介紹，此處主要介紹地質因素對孔壁穩定性的影響及解決辦法。

影響孔壁穩定性的地質因素主要包括地質的構造、地質應力和地層巖性和含粘土礦物的類型、地層強度和裂隙紋理的發展、孔隙率、滲透性和孔隙中的流體壓力等。孔壁失穩的實質是由于孔眼在特定的狀態下，其強度無法承受孔壁巖石受到的應力。在孔被鉆開后，如果孔內鉆井液柱的壓力與孔壁處巖石的剪切強度無法抵抗孔壁圍巖的應力，那么孔壁巖石將會發生破壞，對于脆性的巖石結構，其孔壁將會發生崩塌；對于塑性的巖石結構，其孔徑將會發生改變，局部變小；如果孔內的鉆井液密度過大，則巖石所受的周向應力將超過巖石的拉伸強度而對地層結構構成破壞。

2.1.2 相應的對策①克服地層孔隙壓力的危害。地層孔隙壓力的形成，與地層的沉積過程和地層中礦物成分等有密切關系。地層孔隙壓力一般較大。因此，要想克服地層孔隙壓力對孔壁穩定性帶來的危害，首先需要確定地層孔隙壓力。孔隙壓力的確定有如下幾類方法：第一，鉆探前預測。這種方法需要查閱相關的地震層資料，并依據相關的關系和計算方法，對地層孔隙壓力進行計算預測。這種方法的預測精度與地震資料的質量、當地的地質分層情況、巖性以及計算模型等相關。一般有直接計算和等效深度計算兩種計算方法。第二，隨鉆監測法。這種方法是依據鉆探過程中，對測量到的隨鉆信息進行實時監測，記錄異常壓力值。第三，鉆后測井檢驗法。這種方法是在鉆井過程結束之后，對測井資料進行評估計算，得出地層的孔隙壓力，一般采用的技術手段是泥頁巖聲波時差法、泥頁巖電阻率（電導率）法、泥頁巖密度法等。第四，實測地層孔隙壓力。利用專用的壓力測量儀器，對地層孔隙壓力進行準確測量。得到地層孔隙的壓力資料尤其是異常壓力資料之后，即需要進行下一步工作，對孔隙壓力進行克服。采取的方法就是注漿護壁堵漏技術。一般是向鉆孔中注入足量的水泥漿，在對小孔進行堵住的同時，增強孔壁的水泥防護層厚度，提高其強度以抵抗應力。②克服地層破裂壓力。在影響孔壁穩定性的地質因素中，地層破裂壓力是另一個重要的因素。地層破裂壓力存在時，孔壁將會發生裂紋甚至是開口，將會使鉆探失敗。同樣，要想克服地層破裂壓力帶來的破壞，需要對地層破裂情況進行研究并得到地層破裂的壓力值。相關研究表明，地層破裂的方向與最小水平有效應力有關，裂縫的延伸方向與最小水平有效應力垂直。因此井壁地層發生破裂，一般更容易出現垂直方向的裂紋。井壁在左右兩側應力不平衡時將會發生開裂，出現井漏現象。地層破裂壓力的數據一般采用地層破漏試驗得到。處理這樣的井漏情況，采用堵塞的方法基本上起不到作用，一般采用降低外施壓力，即將鉆井液的密度降低。

2.2 鉆探裝備

2.2.1 存在的問題 當前，在我國鉆探行業中，采用的鉆機處于較低技術水平，在深層巖心鉆探中，鉆機設備的落后，制約了鉆探水平的提升。在鉆探裝備中，主要是鉆頭驅動方式落后和鉆探架高度較低。對于鉆頭驅動方式，目前主要采用的是立軸式巖心鉆機以及轉盤式石油鉆機，這兩類鉆機在實際使用過程中，均存在不同程度的故障率和鉆探缺陷，而我國研發的液壓動力頭鉆機發展十分緩慢，無法滿足我國深孔巖心鉆探的要求。對于鉆探架高度較低的問題，主要是受制于經濟能力及高鉆架的適用性。

2.2.2 相應的對策 對于我國鉆探裝備無法適應深層巖心鉆探的問題，必須引起我國裝備制造業相關同行的足夠重視。對于鉆頭的驅動方式，還是選擇全液壓動力頭鉆機，對于深層巖心鉆機，可以采用轉盤+高速頂驅的驅動方式，頂驅的最高速度要達到600r/min，最低轉速要確定在70r/min。對與鉆塔高度，在進行深層巖心鉆探時應選擇塔架高度為45米的，鉆架的地盤高速要高于4米。

2.3 鉆探過程

2.3.1 存在的問題 在深層巖心鉆探中，鉆探過程中存在許多問題。本文受制于篇幅，僅對其中的鉆井液的使用存在的問題進行介紹。在傳統的地質巖心鉆進中，一般依靠增減粘土含量、添加化學處理劑和加水稀釋的方法調整鉆井液性能。這些方法雖然在短期內能取得一定效果，但是鉆井液的維護成本極高。這種方法對鉆井液中的優質膨潤土和化學處理劑的含量有減小作用，造成不必要的浪費，而且還可能在鉆井中形成壞死土，影響鉆探工作。

2.3.2 對策 對于鉆探過程中，鉆井液的使用問題，可以采用目前剛開發出的鉆井液固控技術進行有效調控。固孔設備主要有振動篩、除砂器、除泥器和離心機，這些裝備的使用，能夠將鉆井液中的巖屑和劣質的粘土固相進行消除，保持鉆井中優質粘土的含量，起到調整鉆井液性能的目的。

3 總結

深孔巖心鉆探中存在的問題得到有效的克服之后，能夠極大地促進相關行業的發展，為我國維護能源資源安全起到重要作用。

[1]孫建華，周紅軍，王漢寶，梁元濂.深孔巖心鉆探裝備配置應用技術趨勢分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，05：1-7.

[2]張培豐.深孔巖心鉆探問題探討[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，08：6-11.

[3]汪濤.云南某礦區復雜地層深孔巖心鉆探關鍵技術應用研究[D].中國地質大學（北京），2013.

[4]陳興源，于向前.深孔巖心鉆探問題探討[J].科技創新導報，2012，25：119.

[5]張成德.注漿護壁堵漏工藝在深孔巖心鉆探中的應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，05：25-26.