深部地質(zhì)鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工分析

楊 芳， 陳師遜

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺(tái) 264004)

0 引言

近年來，深部找礦和科學(xué)鉆探極大地推動(dòng)了我國深孔(特深孔)鉆探的發(fā)展，為深部地質(zhì)巖心鉆探理論和技術(shù)的發(fā)展帶來了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，“5000米智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備研發(fā)及應(yīng)用”已列為國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。在深孔施工中，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是順利完成施工的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，同時(shí)準(zhǔn)確判斷孔內(nèi)狀況對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以提高經(jīng)濟(jì)效益也是一項(xiàng)重要的技術(shù)工作。為此，我們根據(jù)長期在深孔施工中的一些做法，對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工作一些探討，給深孔、超深孔鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考。

1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

(1)隔離長孔段復(fù)雜地層，保障孔壁穩(wěn)定，孔內(nèi)安全。

(2)滿足常規(guī)鉆柱組合、現(xiàn)有施工機(jī)具設(shè)備能力的要求。

(3)有利于降低鉆探成本，保障安全施工，提高鉆探生產(chǎn)效率。

(4)盡量簡化鉆具配套，減少級(jí)數(shù)，即簡化鉆孔結(jié)構(gòu)。

(5)滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求的穿礦口徑和終孔直徑。

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

對(duì)于深孔鉆進(jìn)，由于鉆遇地層類型多、地層復(fù)雜、施工難度大、施工周期長、投資較大等特點(diǎn)，鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要以安全施工為基本原則。通常情況下要考慮以下因素[1-4]。

2.1 地層情況

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的主要是為了維護(hù)上部孔段孔壁的穩(wěn)定，安全鉆進(jìn)，順利達(dá)到設(shè)計(jì)深度。地層條件是孔壁能否穩(wěn)定的基礎(chǔ)，因此地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)都是設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)。要根據(jù)地質(zhì)報(bào)告預(yù)測(cè)，逐層進(jìn)行研究，對(duì)上覆蓋層、松散地層、軟巖層、地質(zhì)構(gòu)造層段、強(qiáng)地應(yīng)力地層等一些護(hù)壁難度大，施工時(shí)容易造成坍塌、掉快、縮徑、擴(kuò)徑、漏失、粘附等孔段，使用套管隔離。如果上部孔段不穩(wěn)定層段厚度較大，就需要下多層套管，鉆孔結(jié)構(gòu)相應(yīng)級(jí)數(shù)要多；對(duì)巖石強(qiáng)度高、完整的地層，護(hù)壁難度小，則不需要下入套管護(hù)壁，此時(shí)鉆孔結(jié)構(gòu)就可簡單一些。

2.2 終孔口徑和孔深

終孔口徑是滿足地質(zhì)成果要求的最小口徑，在套管級(jí)數(shù)確定的情況下，終孔口徑與地質(zhì)因素決定了各級(jí)套管和鉆頭的直徑。

孔深對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)的影響在于孔深越大，鉆探遇到的復(fù)雜情況會(huì)越多，施工周期長，孔壁受到的破壞作用也越大，為了避免孔壁出現(xiàn)不穩(wěn)定或異常，影響到下面的施工，每鉆進(jìn)一定深度后，要用套管進(jìn)行護(hù)壁隔離。

2.3 礦區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)

與地質(zhì)設(shè)計(jì)不同，對(duì)鉆探來說，對(duì)地層地質(zhì)狀況的關(guān)注往往更偏重于巖石的工程力學(xué)性質(zhì)(可鉆性和穩(wěn)定性)，所以地質(zhì)設(shè)計(jì)報(bào)告中所預(yù)測(cè)的不完全適合鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此時(shí)礦區(qū)內(nèi)的施工經(jīng)驗(yàn)將對(duì)鉆孔設(shè)計(jì)起決定性因素。如果某一新礦區(qū)施工多個(gè)鉆孔，開始施工的鉆孔，鉆孔結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)復(fù)雜一些，之后再根據(jù)施工情況適當(dāng)簡化鉆孔結(jié)構(gòu)。如果在一個(gè)礦區(qū)只施工一個(gè)較深鉆孔，則應(yīng)盡量收集到以往淺孔施工資料或設(shè)計(jì)預(yù)導(dǎo)孔。

2.4 設(shè)備和鉆具能力

深孔鉆進(jìn)中，一般根據(jù)終孔口徑和孔深選擇設(shè)備。同樣的鉆探設(shè)備，口徑越大，施工負(fù)荷越大，鉆進(jìn)深度能力越小，會(huì)限制某一級(jí)口徑的鉆進(jìn)深度。如果考慮采用設(shè)計(jì)深度足夠大的設(shè)備使鉆孔結(jié)構(gòu)不受其影響，但在目前，適用于3000 m以深鉆孔的特深孔鉆機(jī)并不是最常用鉆機(jī)，許多單位不具備條件，從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)也不合理。

選用的鉆具組合對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)影響更大。一方面是鉆桿的強(qiáng)度，對(duì)深孔鉆探來說，即使要求終孔直徑很小，往往也會(huì)因?yàn)殂@桿強(qiáng)度不能滿足深孔的扭矩傳遞要求而不能使用。口徑越小，鉆桿直徑要相應(yīng)減小，強(qiáng)度也會(huì)降低。正如在以往的地質(zhì)勘探中，由于探礦深度較淺最常用的是56 mm口徑。但隨著設(shè)計(jì)鉆孔深度逐步加深，鉆孔終孔口徑逐步被75 mm(NQ)口徑替代。另一方面，大口徑繩索取心鉆具(如S122)還不普及，施工中必須用提鉆取心，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮施工單位擁有的繩索鉆具的規(guī)格情況，如果對(duì)于某一口徑可以利用繩索取心鉆進(jìn)就可以適當(dāng)增加鉆進(jìn)深度，以減小提鉆取心的工作量。對(duì)使用全面鉆進(jìn)的不取心孔段，可以加大鉆進(jìn)深度。

2.5 鉆頭(鉆桿)直徑與套管內(nèi)外直徑的配合

在地質(zhì)巖心鉆探中套管、鉆頭內(nèi)外徑配合間隙都比較小，如鉆頭口徑系列為175-150-130-110-95-76-60 mm、套管外徑系列分別為168-146-127-108-89-73 mm，需要加大鉆頭或用鉆桿替代套管時(shí)要考慮上一級(jí)套管的內(nèi)徑。特別是目前各廠家加工質(zhì)量不一，管材外徑、壁厚等存在公差，有時(shí)計(jì)算可以通過鉆頭的套管，卻無法通過，使鉆孔結(jié)構(gòu)的實(shí)施受到影響。

2.6 配合孔內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試儀器

深孔鉆探中，孔內(nèi)測(cè)井、試驗(yàn)的機(jī)會(huì)較多，因此要充分考慮測(cè)試儀器的外徑與測(cè)試要求選擇鉆孔結(jié)構(gòu)。如果有長期觀測(cè)儀器，還要考慮儀器在孔內(nèi)的安裝。

2.7 要為下部施工留有余地

對(duì)深孔鉆探來說，不可預(yù)見的問題較多，有時(shí)還需要變更鉆孔深度，按終孔直徑設(shè)計(jì)的鉆孔結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)意外就難以彌補(bǔ)。為了給鉆孔下部的施工留有充分的余地，可以增加一級(jí)套管結(jié)構(gòu)，即增大一級(jí)終孔口徑，即使按大一級(jí)的口徑順利終孔，也不會(huì)造成很大浪費(fèi)。

2.8 鉆探技術(shù)方法和措施

鉆孔結(jié)構(gòu)包括了套管的有效利用和合理安排，但施工絕對(duì)不能完全依賴套管，否則鉆孔結(jié)構(gòu)會(huì)特別復(fù)雜。要針對(duì)地層條件制定相應(yīng)的技術(shù)方法和措施，例如對(duì)不適合繩索取心鉆進(jìn)層位，要采取什么鉆進(jìn)方法和措施，對(duì)漏失地層是采用惰性材料堵漏、水泥封孔還是套管隔離等[5-7]。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)施工方法

根據(jù)在深孔施工中的經(jīng)驗(yàn)積累及參考有關(guān)資料介紹，深孔施工有以下幾種主要方法實(shí)現(xiàn)最終鉆孔結(jié)構(gòu)。

3.1 按設(shè)計(jì)施工法

按設(shè)計(jì)施工法就是對(duì)地層熟悉，施工經(jīng)驗(yàn)豐富的礦區(qū)，地質(zhì)預(yù)測(cè)與實(shí)際往往相差不大，設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)有針對(duì)性地選擇結(jié)構(gòu)。這種情況下，就可以根據(jù)設(shè)計(jì)的鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，套管設(shè)計(jì)在什么位置就下到什么位置，這是最常用的施工方法。

此法要在充分收集附近鉆孔資料的基礎(chǔ)上，保證設(shè)計(jì)的鉆孔結(jié)構(gòu)符合鉆孔質(zhì)量的需要。往往可以最大限度簡化鉆孔結(jié)構(gòu)、充分發(fā)揮設(shè)備鉆進(jìn)能力和提高生產(chǎn)效率。

3.2 探索施工法

探索施工法是指在不能預(yù)測(cè)下部地層復(fù)雜情況的條件下，先采用鉆進(jìn)效率高的鉆進(jìn)方法進(jìn)行探索(取心)，再根據(jù)地層復(fù)雜程度進(jìn)行擴(kuò)孔，調(diào)整鉆孔結(jié)構(gòu)。

深部鉆探往往對(duì)下部地層認(rèn)識(shí)不清，而大口徑取心(特別是提鉆取心)鉆進(jìn)效率如果與下一級(jí)口徑的鉆進(jìn)效率差別較大，則可以提前終止大口徑鉆進(jìn)，改用下一級(jí)口徑鉆進(jìn)，如果下一級(jí)口徑施工中遇到復(fù)雜情況，根據(jù)情況鉆穿復(fù)雜地層后提出上一級(jí)口徑套管進(jìn)行擴(kuò)孔至復(fù)雜孔段底板，再重新下入套管。當(dāng)然如果沒有復(fù)雜地層存在，就可以繼續(xù)施工，直至到換下一級(jí)口徑，提高了生產(chǎn)效率。

3.3 充分施工法

充分施工法是指在設(shè)備能力達(dá)到的情況下，利用大口徑盡可能向下鉆進(jìn)的方法。

對(duì)新施工礦區(qū)，地質(zhì)條件不熟悉，巖石鉆進(jìn)特性、構(gòu)造分布等判斷不清，只能根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)給出的預(yù)測(cè)作為鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)。為了保證下部施工有充分的換徑余地，在對(duì)施工效率和成本影響較小(如繩索取心)的前提下，以較大口徑鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)盡量往深處鉆進(jìn)，甚至至終孔。只有在大口徑遇到復(fù)雜的孔內(nèi)狀況難以處理或是鉆具及設(shè)備能力不允許時(shí)，再下入套管換用下一級(jí)口徑。

3.4 其他方法(同徑套管、飛管等)

飛管指某一孔徑遇到復(fù)雜地層必須套管隔離，且該孔段長度較短，而其它孔段完整的情況下，只下入滿足隔離復(fù)雜地層孔段的套管，而不是傳統(tǒng)的自上而下的全孔套管，以節(jié)省套管費(fèi)用。

同徑套管技術(shù)，下入套管后再對(duì)套管進(jìn)行擴(kuò)張，使套管內(nèi)徑滿足同一口徑的鉆頭鉆進(jìn)。這一技術(shù)是深孔鉆進(jìn)中最理想的施工方法，可以最大限度的簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，但還有待于進(jìn)一步研究[8]。

4 幾種深孔鉆孔結(jié)構(gòu)施工方法的成功案例

4.1 按設(shè)計(jì)施工法

我院完成的招遠(yuǎn)玲瓏東風(fēng)礦區(qū)171號(hào)脈深部詳查項(xiàng)目，該項(xiàng)目共完成鉆孔102個(gè)，鉆探進(jìn)尺110973.17 m，平均鉆孔深度1088 m，最大終孔深度1891.38 m。該金礦區(qū)是“中國金都”招遠(yuǎn)轄區(qū)內(nèi)最大的金礦區(qū)，勘探歷史長，礦區(qū)前期地質(zhì)資料豐富，鉆孔施工區(qū)地層情況清楚。因此，在鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)和合同要求，盡量簡化結(jié)構(gòu)。

對(duì)本礦區(qū)來說，上部第四系地層較淺，下部復(fù)雜地層為構(gòu)造帶或蝕變帶類，針對(duì)這一特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)深度500 m以淺鉆孔，主要選擇二級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，即?110-95 mm；對(duì)設(shè)計(jì)深度1500 m以淺鉆孔，選擇三級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即?110-95-75 mm。對(duì)終孔口徑要求大的水文地質(zhì)鉆孔或地層特別復(fù)雜鉆孔，采用大口徑鉆孔結(jié)構(gòu)(?130-110-95 mm)，設(shè)計(jì)深度1500 m以深鉆孔，采用4級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即?130-110-95-75 mm。在實(shí)際生產(chǎn)中，除個(gè)別鉆孔根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)情況做了適當(dāng)調(diào)整外，礦區(qū)絕大部分鉆孔按照設(shè)計(jì)的鉆孔結(jié)構(gòu)執(zhí)行，具體情況如表1所示[9-10]。

典型鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。

4.2 探索施工法

中國巖金勘查第一深鉆——山東萊州西嶺金礦區(qū)ZK96-5孔，鉆探施工項(xiàng)目設(shè)計(jì)孔深4000 m，是在該區(qū)域施工的第一個(gè)特深孔，下部地層資料不足，以此使用探索法進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

4.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮的因素

該鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：

表1 招遠(yuǎn)玲瓏東風(fēng)礦區(qū)171號(hào)脈深部詳查項(xiàng)目鉆孔結(jié)構(gòu)一覽表Table 1 List of drilling structures for detailed survey project at the No.171 vein in Linglong Dongfeng Mine

圖1 玲瓏東風(fēng)礦區(qū)171號(hào)脈深部詳查項(xiàng)目典型鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Typical drilling structures for detailed survey project at the No.171 vein

(1)區(qū)內(nèi)地層以超基性巖體為主，相對(duì)較完整。

(2)設(shè)備能力和鉆探成本限制了大口徑施工。

(3)該孔是在該區(qū)域施工的第一個(gè)特深孔，沒有具體的地層資料。鉆進(jìn)中不可預(yù)見的因素較多，地質(zhì)情況可能與地質(zhì)預(yù)測(cè)資料有較大出入。鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)首先充分考慮到地層因素。

(4)為了預(yù)防鉆孔深部地層情況復(fù)雜，為降低終孔口徑的施工難度，H口徑應(yīng)盡力提高鉆進(jìn)深度，不宜小于2000 m孔深。

本工程設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。

4.2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整

根據(jù)《膠西北金礦集區(qū)礦區(qū)詳細(xì)普查地質(zhì)報(bào)告》提供的地層和巖石情況，該鉆孔主要孔段鉆遇巖石多數(shù)為花崗巖類、片麻巖類，巖石可鉆性級(jí)別一般為7～9級(jí)。上部第四系地層為海相沉積物覆蓋，主要為海相沉積，海陸交互相沉積，巖性為中粗砂、沙淤泥、海相主要為中細(xì)粒長石石英砂，厚度一般30～40 m。該層設(shè)計(jì)用一級(jí)套管隔離是必要的，但下部?146和114 mm套管的下入顯得有些倉促[11]。

鉆孔開孔時(shí)采用?150 mm合金鉆進(jìn)，配?50 mm鉆桿，鉆進(jìn)至32.80 m，由于扭矩較大，鉆桿折斷，用打撈工具撈取后，改用?170 mm鉆具擴(kuò)孔至鉆具底部，下入?168 mm套管。32.80 m開始采用?150 mm金剛石單管鉆具，由于效率低，取心困難，至81.50 m提前下入?146 mm套管。然后采用P口徑繩索取心鉆進(jìn)，至501.00 m，地層完整，于是下入?114 mm套管；開始采用H口徑繩索取心鉆進(jìn)進(jìn)行探索，至2229 m地層一直比較完整，直接轉(zhuǎn)換成N口徑繩索取心鉆進(jìn)，至2439.10 m出現(xiàn)破碎地層，繼續(xù)鉆進(jìn)至2672 m，在上部破碎帶出現(xiàn)了孔內(nèi)事故，需要處理，從2230 m處采用H口徑擴(kuò)孔至2439.10 m，下入?89 mm套管，最終形成了如圖2(c)的鉆孔結(jié)構(gòu)[12-15]。

ZK96-5鉆孔屬國內(nèi)本行業(yè)首次進(jìn)行的孔深超過4000 m的特深孔施工，沒有相應(yīng)施工經(jīng)驗(yàn)。按照一般的設(shè)計(jì)思路和原則，在同一地層條件下設(shè)計(jì)一級(jí)套管的方法不合理，如果考慮地層復(fù)雜，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就很復(fù)雜。因此，在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，根據(jù)實(shí)際情況采用探索的方法，對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在遇到復(fù)雜情況可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)孔，重新下入套管是合理的。

圖2萊州西嶺金礦區(qū)ZK96-5孔鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.2Structures of the ZK96-5hole in the Laizhou Xiling Gold Field

4.3 充分施工法

江西某礦區(qū)深部鉆孔施工為此類典型，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。該孔設(shè)計(jì)深度2500 m，根據(jù)地質(zhì)需要，加深后，用時(shí)283 d，終孔深度2818.88 m。該孔設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)常規(guī)考慮四級(jí)口徑，在實(shí)際施工中，因?qū)Φ刭|(zhì)條件不熟悉，從二開鉆進(jìn)開始，考慮下部可能出現(xiàn)復(fù)雜情況，為方便事故處理，從鉆穿第四系下入?146 mm套管后，一直采用?122 mm金剛石繩索取心裸孔鉆進(jìn)直至終孔。該孔主要采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)，鉆具組合為：液動(dòng)沖擊器+?122 mm金剛石繩索取心鉆具+孕鑲金剛石鉆頭。該孔的成功實(shí)施，證明在新礦區(qū)鉆進(jìn)時(shí)，在不影響鉆進(jìn)效率及成本影響較小時(shí)，以較大口徑盡量往深處鉆進(jìn)甚至至終孔的方法是可行的[16]。

圖3 江西某礦區(qū)深部鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Deep hole structures in a Jiangxi mine

5 結(jié)論

合理的鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保障深孔、超深孔鉆進(jìn)成功的關(guān)鍵因素之一。通過多年的深孔、超深孔鉆孔結(jié)構(gòu)實(shí)施方法的研究，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)：

(1)地質(zhì)鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工，特別是對(duì)深部地質(zhì)鉆探來說，除地質(zhì)條件及鉆孔深度、終孔直徑外，還要充分考慮鉆進(jìn)方法、護(hù)孔措施、設(shè)備情況，合理選擇開孔口徑、換徑次數(shù)與深度、套管程序等。

(2)在地質(zhì)條件熟悉的礦區(qū)，直接按照設(shè)計(jì)的鉆孔結(jié)構(gòu)施工，是比較安全、經(jīng)濟(jì)的。深部地層復(fù)雜情況不明時(shí)，可采用鉆進(jìn)效率高的鉆進(jìn)方法進(jìn)行探索(取心)，再根據(jù)地層復(fù)雜程度進(jìn)行擴(kuò)孔，調(diào)整鉆孔結(jié)構(gòu)。

(3)對(duì)于超深孔鉆進(jìn)時(shí)，可采用多種鉆孔結(jié)構(gòu)實(shí)施方法相結(jié)合，如采用探索法向下施工，在地層條件合適時(shí)，可采用大口徑盡可能向下鉆進(jìn)(充分施工)，遇地層復(fù)雜或處理孔內(nèi)事故需要，可提前下入套管，實(shí)際鉆孔結(jié)構(gòu)根據(jù)地層復(fù)雜情況及時(shí)調(diào)整。

(4)鉆孔結(jié)構(gòu)的選擇不是一成不變的，要根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)情況，如地層復(fù)雜破碎程度、孔內(nèi)事故等因素及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，在保證終孔口徑的前提下，盡量留有余地。