探索深孔超深孔巖心鉆探的相關問題

武仲國

（河北省地礦局第四地質大隊，河北 承德 067000）

深孔超深孔巖心鉆探工作本身具有較高的風險和難度，因此，在正式開展此項工作之前，必須全面分析和掌握其相關問題，包括應采用何種加壓方式、鉆探設備等，與此同時，還必須加強對整個鉆探過程安全性的監督和控制，從而確保深孔超深孔巖心鉆探工作的順利有效開展。

1 深孔超深孔巖心鉆探的發展現狀

鉆探技術是唯一一種能從地表之下取出實物巖礦樣品的勘查技術手段，伴隨我國科研事業的不斷推進，現代鉆探技術的發展水平也進一步提升，深孔超深孔巖心鉆探技術開始在地層深部資源的開發中得到廣泛推廣和運用。巖心鉆機逐漸朝著智能化、自動化的方向發展，如當前在巖心鉆探工作中經常用到的全液壓動力頭鉆機。孔底電站、螺旋鉆、潛孔錘等也取得了較為顯著的發展成果，實踐應用效果與以前相比有了很大程度的提升。我國鉆探技術的發展已經順利從人造金剛石階段步入到人造復合超硬材料鉆探時代。

從鉆探設備的角度來看，國內固體礦產資源勘探所采用的的巖心鉆機通常為液壓立軸式鉆機，此類鉆機能達到的最高鉆探深度大約為1500米。新一代全液壓動力頭式鉆機的研發工作當前已經在全國范圍內正式啟動，而且取得了初步成效。定向鉆進、繩索取芯鉆進等多工藝組合鉆進技術的研究也取得了不少新成果。深孔超深孔巖心鉆探技術在我國深部資源勘探、地質災害監測與治理等方面都扮演著十分重要的角色，隨著該技術的進一步改進和完善，其發揮的作用也將越來越顯著。

2 深孔超深孔巖心鉆探的相關問題

2.1 孔壁穩定分析

孔壁穩定問題主要涉及到鉆進過程中孔壁坍塌、地層破裂這兩種類型，這是大多數巖心鉆探工程在實際開展過程中都可能遇到的典型問題。粘彈性地層變形、井漏、井噴以及脆性地層的坍塌等問題大都是因為沒有全面分析井壁的穩定情況，采取的措施不當而引起的。在淺層巖心鉆探過程中，孔壁穩定問題一直以來并沒有得到應有的重視，例如，某鉆探工程項目在施工過程中接連發生3口鉆孔的套管事故，其根本原因就在于沒有充分了解該施工區域的孔壁失穩規律。對于深孔巖心鉆探工作的開展來說，必須高度重視孔壁穩定問題，嚴格落實好施工前期的預測工作，以免在鉆探過程中因各種失誤而造成巨大的經濟損失。

導致孔壁失穩的原因多種多樣，總結起來主要可分為工程和地質這兩大方面的因素。工程方面的因素具體涉及到起下鉆的波動壓力、循環動壓力、孔徑大小、鉆井液成分等；地質方面的因素則主要包括地層巖性、強度、滲透性、孔隙率以及地質構造情況等。所謂孔壁失穩，實際上指的就是孔壁巖石所承受的應力遠遠高于其在孔眼狀態下的整體強度。

一旦孔內鉆井液柱壓力偏低，孔壁圍巖應力明顯大于此處巖石的剪切強度時，孔壁巖石就很可能被破壞，若屬于塑性巖石，一般會出現縮徑現象；若屬于脆性巖石，則通常會出現崩落現象。因此，為了控制孔壁失穩問題的發生，就必須提前分析和了解地層孔隙壓力、地層應力以及地層破裂壓力。

2.2 加壓方式分析

在進行深孔超深孔鉆探的時候，傳統的加壓方式并不適用，為了更好地滿足施工需求，施工人員應采用鉆鋌加壓的方式。通過鉆鋌加壓，可在一定程度上減緩鉆孔的“狗腿”度，確保套管能順利下放到設計深度。在取芯的時候，懸掛的鉆桿在自身重力的作用下而處于受拉狀態，而且處于最下部的取芯鉆頭所承受的拉力為0，地面井眼部位的拉力則最高。在鉆機加壓鉆進的過程中，整個鉆桿柱都會受到一定的壓力。減壓鉆井的時候，鉆壓和下端鉆具的重力基本相同，下部鉆具處于受壓狀態。

伴隨鉆壓的不斷增大，井筒中鉆桿所承受的壓力將逐漸增大，再加上鉆具在旋轉過程中產生的彎曲力矩和離心力，很容易導致鉆具在井底出現一定程度的彎曲變形，最終引發孔斜問題。所以，在深孔超深孔巖心鉆探的過程中必須根據施工現場的具體情況，采用適當的加壓方式，這樣才能保證整個取芯工作的順利開展。與此同時，在進行鉆鋌設計的時候必須充分考慮到下列幾個方面的因素：第一，在確定最大鉆鋌外徑的時候，應當保證在打撈施工時能夠套銑。第二，為了使套管順利進入到地下孔內，至少應確保一柱鉆鋌具備足夠大的外徑。第三，鉆鋌組合的整體剛度必須高于套管的剛度。

2.3 鉆探設備分析

（1）固相控制設備。

鉆井液中往往含有一些無用固相顆粒，這些顆粒的含量對深孔巖心鉆探有著非常直接的影響。若沒有采用適當的固相控制設備，則很容易導致鉆井液之中的無用固相顆粒含量超過規定標準，最終阻礙取芯工作的順利高效開展。為了保證鉆井液始終保持良好的狀態，就必須對其中的無用固相顆粒進行嚴格控制，避免其超出最大極限值。所以，在實際進行深孔超深孔巖心鉆探的時候，應根據井下的實際狀況，選擇最為適用的離心機、除砂器、振動篩等控制設備，從而使鉆井液之中的巖屑等物質得到有效去除，為鉆井液性能的充分發揮提供保障。

（2）驅動方式。

現階段，我國全液壓動力頭鉆機的發展速度相對來說比較緩慢，與國外發達國家相比還存在較大的差距。而且我國自主研發的全液壓動力頭鉆機對深孔超深孔巖心鉆探的適應程度偏低，國內絕大多數所謂的全液壓動力頭鉆機都還沒有完全達到全液壓控制的目標。另外，還有一個值得注意的問題是全液壓動力頭鉆機的起下鉆速度，為了使取芯的工作效率得到有效提升，必須在施工過程中盡最大努力縮短下鉆所花費的時間。

（3）鉆塔高度低。

在進行深孔超深孔巖心鉆探的時候，對取芯鉆進成本有著直接影響的因素并非鉆頭使用壽命和設備鉆進速度，而是起下鉆所需時間以及回次進長度。為了使深孔巖心鉆探的整體效率得到提升，就必須加強對起下鉆所用時間和回次進長度的控制，而鉆塔高度對上述兩個因素都有著非常顯著的影響。當前，我國國內所采用的的巖心鉆機的鉆探高度通常為18m～23m，鉆塔的有效高度為52m，鉆桿長度為9m，每次只能提升2根鉆桿。由于鉆塔高度偏低，起下鉆操作所需花費的時間也比較長，這就在很大程度上增長了取芯時間，造成取芯成本大幅上升。

3 結語

綜上所述，深孔超深孔巖心鉆探工作具有一定的專業性、復雜性和風險性。為了確保此項工作的開展成效，就必須做好孔壁穩定性分析工作，選擇最為適當的加壓方式，積極利用現代化的鉆探設備。與此同時，還必須加強對整個鉆探過程的監督和管理，盡量降低各種人為操作失誤，這樣才能使深孔超深孔巖心鉆探工作質量得到最大限度提升。