對于深部地質(zhì)鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的思考

姚海平

（核工業(yè)二八〇研究所鉆探公司，四川 廣漢 618300）

近些年來，我國地質(zhì)行業(yè)發(fā)展迅速，深部找礦和合理鉆探大大促進了我國深孔鉆探技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與此同時，我國深部地質(zhì)巖心鉆探也面臨著空前的機遇和挑戰(zhàn)。目前，我國5000m智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備的應(yīng)用已經(jīng)成為了一個重點研發(fā)的地質(zhì)項目。在進行深孔施工作業(yè)時，鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要，同時該工作對正確判斷孔內(nèi)情況和合理調(diào)整鉆孔結(jié)構(gòu)以增強經(jīng)濟效益有十分重要的意義?；诖?，我們可以與長期以來對于深部鉆探的施工經(jīng)驗相結(jié)合，分析深部地質(zhì)鉆探鉆孔設(shè)計與施工，為相關(guān)行業(yè)工作者提供相關(guān)借鑒。

1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循相應(yīng)的原則，這樣才能確保設(shè)計的科學(xué)性和合理性，主要原則包括以下五點：①有效阻斷長孔段的復(fù)雜地形，保證孔壁及孔內(nèi)的穩(wěn)定性和安全性；②通常情況下鉆柱的組成、施工設(shè)施能力的需求得到滿足；③設(shè)計原則應(yīng)能夠有效減少施工成本，確保施工過程的安全穩(wěn)定，增加施工效率和施工水平；④將所涉及的鉆孔設(shè)備簡化，縮減級數(shù)，達到使鉆孔結(jié)構(gòu)簡化的目標；⑤使得地質(zhì)設(shè)計需求和穿礦口徑、終孔直徑能夠達到相應(yīng)水平，得到滿足。

2 深孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)

在開展施工的過程中，所遇到的地形具有多樣性和復(fù)雜性，施工難度系數(shù)較大，施工用時較長，所消耗成本較大，因此，設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu)應(yīng)以安全施工為原則，首先要對以下幾種因素進行集中考慮[1]。

2.1 地層情況

鉆孔結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的最大原因便是是為了能夠保證上方孔段和孔壁的安全性和穩(wěn)定性，使其能夠順利鉆進，以達到預(yù)期的設(shè)計目標?？妆谑欠窬哂幸欢ǖ姆€(wěn)定性的前提便是地層的情況，因此地層的地質(zhì)構(gòu)造、地層的結(jié)構(gòu)、巖石的物理學(xué)特點都是進行鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些參考項目，并且作用重大，意義明顯。通過對地質(zhì)報告的了解和認識，逐漸開展深入性研究，對一些施工難度系數(shù)較高、施工過程中易出現(xiàn)問題，如坍塌、粘附、遺漏的問題的地層、地段進行套管隔離，這些地層、地段主要包括上覆蓋層、松散地形、軟巖層、地質(zhì)構(gòu)造層段等。假如上方孔段的安全性較低，并且厚度較高，那么便可以將下層套管應(yīng)用其中，對鉆孔結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時要明確好級數(shù)；部分巖石具有較大的強度、地層狀態(tài)較好，保護壁層難度系數(shù)較低的地段則不需要將套管護臂應(yīng)用其中，這時對鉆孔結(jié)構(gòu)進行設(shè)計便不需要深入考慮。

2.2 終孔口徑和孔深

能夠有效滿足地質(zhì)要求的最小口徑便是終孔口徑[2]。明確套管級數(shù)的條件下，對各級套管和鉆頭的直徑有決定性作用的便是終孔口徑和地質(zhì)因素。

孔深對鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)系密切，大多體現(xiàn)在孔深和鉆探狀況的正相關(guān)關(guān)系，孔深越大，那么鉆探所面臨的復(fù)雜情況也就越多，因為整個施工過程耗時較長，孔壁也就越容易遭到損壞。為了有效防止孔壁穩(wěn)定性的下滑和異常情況的出現(xiàn)，對后續(xù)的施工工作產(chǎn)生影響，每當鉆進達到一定的深度之后，套管的應(yīng)用都會顯得尤為重要，它能夠有效達到隔離的效果。

2.3 礦區(qū)施工經(jīng)驗

同地質(zhì)設(shè)計的不同點在于，在進行鉆探工作時，對于地層地質(zhì)情況的核心要素在于巖石的工程力學(xué)特性，也就是工程力學(xué)的可鉆性和安全性，正是因為該原因，地質(zhì)設(shè)計報告中的一些預(yù)測可能與鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計并不相符，在這種情況下，礦區(qū)的施工經(jīng)驗豐富與否對設(shè)計鉆孔的質(zhì)量和效率關(guān)系密切。例如說，某一新礦區(qū)施工需要較多鉆孔，鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計也具有一定的復(fù)雜性，之后便能夠和詳細施工情況相結(jié)合對鉆孔結(jié)構(gòu)進行簡化。假如某一礦區(qū)在施工過程中僅僅需要一個較深的鉆孔，那么便需要搜集之前的淺孔施工資料或者設(shè)計預(yù)導(dǎo)孔。

2.4 設(shè)備和鉆具水平

在進行深孔鉆進時，普遍要與終孔口徑和孔深對設(shè)備的應(yīng)用進行選擇。同時鉆探設(shè)備的口徑越大，那么施工的難度也就越大，鉆進深度的質(zhì)量效果也就越差，會限制到某個口徑的鉆進深度。同時使用具有較大設(shè)計深度的設(shè)備使鉆孔，其結(jié)構(gòu)影響甚微，但是就當下來說，3000m的特深鉆孔機并不是應(yīng)用最為普遍的設(shè)備，我國的較多施工單位都不具備這一條件，不具有合理性。

鉆具組合的選擇也與鉆孔結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。其一便是體現(xiàn)在鉆桿的強度，對一些深孔鉆探來說，假如所設(shè)置的終孔直徑較小，通常也會由于鉆桿強度無法有效滿足深孔的扭矩傳送需求，進而導(dǎo)致不能正常應(yīng)用[3]?？趶胶豌@桿直徑應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系，口徑越小則鉆桿直徑也越小，強度也會下降。同過往的地質(zhì)勘探相同，因為深礦深度較淺應(yīng)用較多的口徑是56mm口徑。但由于設(shè)計鉆孔深度的越來越深，逐漸75mm口徑取代了鉆孔終孔口徑。其二。對于較大口徑的繩索取心鉆應(yīng)用并不普遍。同時，進行鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)對繩索鉆具的規(guī)格情況要進行認真檢查，假如某一口徑能夠使用繩索取心鉆開展那么則可以使鉆進的深度增加，使提鉆取心的工作量減少。

2.5 鉆桿直徑和套管內(nèi)外直徑的配合

因為地質(zhì)巖心鉆探中套管、鉆頭內(nèi)外徑配合間隙很小，例如說鉆頭孔徑為175-150-130-110-95-76-60mm，套管外徑分別為168-146-127-108-89-73mm，尤其是當下很多廠家的加工質(zhì)量沒有一個明確統(tǒng)一的標準，管材的外徑、管壁厚度都存在一定的差異，有時計算可以根據(jù)鉆頭的套管，但不能通過，在進行鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計時影響較大。

2.6 要保留下方施工

在深孔鉆探過程中，有很多出現(xiàn)的問題并不能有效預(yù)測，有時需要對鉆孔深度進行調(diào)節(jié)，依據(jù)終孔直徑合理設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)問題可以及時解決。為了能夠充分保留下方施工，可以增加一級套管結(jié)構(gòu)，使用大一級的口徑順利終孔，也能降低成本，減少浪費。

2.7 與孔內(nèi)試驗測試儀器配合

深孔鉆探過程中，孔內(nèi)有很多試驗機會，所以要對測試儀器的外徑和選取測試要求進行詳密考慮。假如具備長期觀測儀器，還應(yīng)詳密考慮儀器在孔內(nèi)的安裝工作。

2.8 鉆探技術(shù)的方法和開展

對于套管的合理利用和安排對于設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，但是具體施工過程中不能徹底依靠套管，否則會致使鉆孔結(jié)構(gòu)暴露出一定的復(fù)雜性，加大了工作難度和工作量。要與地層條件相結(jié)合并制定對應(yīng)的技術(shù)對策，比如對于一些不適合繩索取心鉆進層位采取相應(yīng)的鉆進對策，對于一些漏失地層，嚴密考慮惰性材料堵漏、水泥封孔和套管隔離方法的使用[4]。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)施工方法

3.1 按設(shè)計施工法

該方法主要表現(xiàn)為對地形的了解，一些經(jīng)驗較為充分的礦區(qū)，地質(zhì)預(yù)測和實際不具有較大的差異性，在進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計時經(jīng)驗也是一項重要的參考依據(jù)。這也是應(yīng)用最為廣泛的一種施工方法。該方法以充分搜集鉆孔資料為基礎(chǔ)，確保鉆孔結(jié)構(gòu)達到鉆孔質(zhì)量要求。

3.2 探索施工法

在無法預(yù)測下方底層的復(fù)雜情況下可以使用探索施工法，首先進行取心工作，之后依據(jù)地形復(fù)雜情況開展擴孔工作，進而對鉆孔結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，深部鉆探通常與下方地層認識模糊，大口徑取心效率同下一級口徑效率具有差異性，假如下一級鉆進遇到問題，則與具體情況相結(jié)合對上一級口徑套管進行擴孔，直至復(fù)雜孔段底板，之后再下入套管[5]。

3.3 充分施工法

如果設(shè)備能力較高，可以使用大口徑向下鉆進方法，這一方法被稱作充分施工法。一些新施工礦區(qū)可以依據(jù)地質(zhì)設(shè)計的預(yù)測，將其作為鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。為了確保下部施工有充足的換徑空間，使用大口徑鉆進時應(yīng)盡量向深處鉆進，以達到終孔。只有遇到復(fù)雜情況時或者設(shè)備能力較低時，再下入套管或使用下一級口徑。

4 結(jié)語

現(xiàn)如今，深部地質(zhì)鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工變得愈發(fā)重要，它對正確判斷孔內(nèi)情況和合理調(diào)整鉆孔結(jié)構(gòu)以增強經(jīng)濟效益有十分重要的意義。在進行深部地質(zhì)鉆探鉆孔設(shè)計時應(yīng)與實際情況和過往經(jīng)驗相結(jié)合，選擇科學(xué)合理的施工方法，確保施工質(zhì)量和施工效率，提高經(jīng)濟效益。