鉆探施工技術在復雜地層中的應用

邢元猛

（山東金嶺礦業股份有限公司，山東 淄博 255081）

復雜地層是指巖心鉆探過程中一些孔壁穩定性較差，容易出現塌方、掉層、溶解、漏水等情況的地層。當前，地質巖心鉆探技術作為促進我國經濟社會發展的重要因素之一也得到了快速地發展。但是由于我國有些地區礦山地表的資源被過度地開發利用，現存的鉆探施工技術難以滿足項目施工的實際應用，從而導致礦山對人類的服務年限逐漸縮短，市場對礦產資源的需求無法得到滿足。為此，需要適度開發礦山深部資源。但是這樣就會在一定程度上加大復雜地層鉆探施工技術的難度，使鉆探施工技術的創新變得刻不容緩。

現階段，在進行項目施工的過程中，為了能夠有效地完成復雜地層的鉆探工作，需要科學合理地規范復雜地層處理技術工作在實際項目施工的應用。而該技術的有效應用在一定程度上可以提升項目實施的工作效率。通常情況，項目施工人員在對復雜地層進行鉆探時都會使用鉆探施工技術，但是當前該技術的實際應用還存在著許多質量安全問題。

1 復雜地層難以鉆探的原因

在實際的項目鉆探過程中，復雜地層的構造會給鉆探工作的實施帶來一定程度的阻礙。這是由于復雜地層具有松散、吸水溶解或膨脹、軟硬互層等特點，并且隨著工作人員的鉆探會使地下水出現融蝕活動，從而導致施工面臨坍、掉、涌、漏等問題。其中由于風化形成的復雜地層在鉆探施工過程中非常容易出現塌方、漏水的情況，這是因為風化作用破壞了巖石之間的連接方式，使巖石之間的穩定性大大降低。而由于流水、沉積導致的復雜地層，則會由于巖石之間的膠質不穩定而引起大范圍的坍塌，非常影響后續項目的施工。因此，鉆探工作人員在進行鉆探之前需要先了解復雜地層難以鉆探的原因，然后在尋找一些護壁措施來保護鉆孔的穩定性[2]。

2 影響復雜地層鉆探施工效果的相關因素

在實際的項目施工過程中，如果鉆孔出現了一定程度的彎曲情況，那么必然是由于沒有按照相應的規范在進行鉆進，這樣不僅會導致礦體的彎曲、丟失以及斷層等等，而且還需要相關的工作人員重新勘探地層的密度和組成結構，從而降低了項目的工作效率，使項目無法在規定的時間內有效完成[1]。

為了能夠提高復雜地層的鉆探效率，首先需要相關的施工人員能夠掌握影響復雜地層鉆探施工效果的相關因素，因為只有這樣才能夠在保證施工安全的基礎上提升項目的鉆探施工效果[3]。

2.1 地層條件

現階段，項目施工人員都會將復雜地層分為以下四大類，分別是泥巖、頁巖、黏土以及鹽類地層。這些不同類型地層的物理特性也是不同的，所以如果在實際的復雜地層鉆探施工過程中遇到了各種不同地層的組合，那么必然會影響施工的效率和質量。例如項目施工人員在工作中發現巖石在垂直方向和水平方向的層理硬度較大，不采取相應的保護措施就直接進行鉆探，就會導致地層直接斷裂。同時鉆探工具還會出現掉鉆的現象，最終使項目工期無限延長。因此，在對復雜地層進行施工的過程中需要考慮復雜地層的地層條件[4]。

2.2 鉆探施工工藝

在復雜地層的鉆進過程中，由于鉆探設備使用不當的問題，鉆孔和鉆桿都會出現一定程度的彎曲情況。以下就是會導致鉆孔和鉆桿彎曲的情況，第一，鉆探使用的力度較大，導致鉆桿彎曲，鉆頭難以居中，最終導致鉆孔彎曲。第二，鉆探設備的鉆進速度較快，空間離心力變大，破壞孔壁，最終導致鉆孔彎曲。

地層的鉆探工作離不開鉆探施工工藝的應用，科學合理地將鉆探施工工藝投入使用不僅能夠提升項目施工的工作效率，而且還能夠有效地防止各種項目風險的發生。例如，項目施工人員在不能合理地控制對復雜地層的鉆探力度時，就會非常容易出現鉆孔彎曲的情況。如果鉆速太快，就會增大空間的離心力，從而導致鉆孔變大，產生一定程度的偏移。如果工作人員在鉆孔過程中遇到了硬度較小的巖石，但是卻不能規范沖洗液的應用，那么就會使鉆孔空間塌陷，從而出現卡鉆、掉鉆的情況[5]。

3 鉆探施工技術應用分析

3.1 選擇鉆進方法

在實際的項目施工過程中，合理地選擇鉆進方法能夠有效地提升鉆探施工的質量。根據《巖心鉆探規程》中的相關規定，施工人員一般會根據地層的堅硬程度，將其分為四種類型，分別是軟度、中硬度、硬度、堅硬度。將地層的完整情況分為三種類型，是完整、較完整以及破碎。通過這兩種分類就可以完成鉆探施工的鉆進方法，例如如果巖石的硬度是在軟度和中硬度之間，那么就可以選擇金剛石、硬質合金類的鉆探材料進行施工；如果巖石的硬度是在中硬度和堅硬度之間，那么就可以選擇金剛石類的鉆探材料；如果巖石的硬度是在硬度和堅硬度之間，那么可以選擇剛粒鉆進行鉆探。但是在此過程中應該嚴格遵循《巖心鉆探規程》中的相關工作要求，因為只有這樣才能夠達到鉆探施工的預期效果[7]。

3.2 選擇鉆孔結構

鉆孔結構的選擇也會在一定程度上影響鉆探施工的質量，這是因為鉆孔結構的選擇會直接影響項目施工的成本，而鉆孔的應用會直接影響鉆孔施工的工作效率。因此，在實際的鉆探施工工作中，應該根據鉆孔的深度、直徑、地質條件、防護方法以及設備情況等要素科學地選擇相應的鉆孔結構。現階段，經驗豐富的鉆探施工工作人員會選擇130mm或91mm的多徑成孔，并將75mm的孔徑作為備用，運用金剛石繩索來進行取芯鉆進，然后利用優質泥漿來保護孔徑[6]。

3.3 重視對施工方法的改進

為了保障鉆孔施工工作的安全性，經驗豐富的工作人員選擇在應用原有的鉆孔技術的基礎上，對項目施工的方法進行改進，最終取得了良好的成效。而對項目施工方法的改進有兩個方向，第一，改進鉆孔的結構。在實際的施工過程中將四級口徑、三級套管的鉆孔換成五級口徑、四級套管的結構。例如在鉆探硬度比較豐富的復雜地層時，在鉆穿第四層土層后，開始不斷地更換更小的鉆孔口徑和套管，而在此過程中套管的深度也在不斷地加大，以此來達到隔絕溶洞和風化層的作用。然后就可以選擇相應的繩索取芯鉆具進行施工，直到鉆探到地下水位就可以選擇相應的套管來保護孔壁，最終完成終孔的鉆探。第二，改進沖洗液。一般情況下，鉆探施工技術都使用PHP和皂化油相混合的無固相泥漿。而這沖洗液的利用不僅會增加卡鉆、掉鉆的概率，而且還會難以達到地層水敏性的需求，因此，改進沖洗液刻不容緩。為此，鉆孔施工工作人員在實際的施工中應該根據地層水敏性的需求來研究沖洗液的配方。例如在原來的低固相泥漿液中放入廣譜護壁劑和腐植酸鉀等，使其變成性質穩定的化學泥漿。相關的工作人員在配比化學泥漿的過程中需要確保其比重是在1.05到1.10立方厘米每克之間，PH值為8，因為只有這樣配置的泥漿防護性才更好[8]。

在進行復雜地層的補漏過程中，為了提升項目施工的效率，首先需要對堵漏技術進行改進，相關工作人員可以向原來的化學泥漿中加入瀝青等惰性材料，這種方法可以降低沖洗液的成本控制。另外，相關的工作人員還可以利用高標號水泥來進行封孔，并向泥漿中加入水玻璃來加快泥漿凝固的速度。

3.4 組合鉆探工藝

根據經驗豐富的鉆探施工工作人員的研究發現，巧妙地組合鉆探工藝應用于復雜地層的鉆探工作不僅能夠有效地保證施工的質量安全問題，而且還能夠提升鉆探設備的應用率，從而為未來鉆探技術的創新提供了有利的條件[9]。

組合鉆探工藝就是將水利反循環連續采樣、空氣反循環連續取樣等技術進行完美地融合后在應用于復雜地層的鉆探施工工作中。其中空氣反循環連續取樣技術使用的方法是連續回鉆，而在此過程中利用了雙壁鉆桿來進行鉆孔。空氣反循環連續取樣技術在實際的工作中會運用到循環介質，循環介質利用該技術的雙壁鉆桿來獲取不同地層的土質樣本，從而完成收集復雜地層分析樣本的作用。另外，由于空氣反循環連續取樣技術具有投入成本低廉、應用性較強的特點，所以在許多地區都得到了廣泛地好評，尤其是地層復雜的地區。

為了幫助干旱地區尋找水源也會運用到空氣反循環連續取樣技術，鉆探施工人員會將鉆具深入到土地表層進行鉆孔。而在此過程中需要運用滿足相關規定的低固相泥漿，然后在保證鉆井液密度的情況下提升其粘性，工作人員可以向鉆井液中加入PAC141來增強其粘性。

3.5 鉆孔彎曲控制技術的實際應用

為了保障鉆探施工技術能夠在復雜地層中得到有效的應用，首先需要工作人員收集鉆探地區的地質材料，研究需要進行鉆探的區域的地層發育情況、巖石的組成問題、種類以及鉆探工具與地層之間的關系等要素。而這些要素對鉆孔的彎曲情況有很大的影響作用。其次，相關工作人員在安裝鉆機的過程中，應該將天車、立軸以及鉆孔放置在同一水平線上進行固定。而這一水平線的確定需要符合鉆孔角度與地層關系的要求，并且鉆塔柱腳的搭建需要保持其穩定性。這是因為鉆孔受力之后如果鉆塔柱腳難以保證其穩定性就會使鉆孔出現彎曲的情況。

鉆探施工人員在進行開孔鉆探時，應該選擇比較鋒利的鉆頭，擺正鉆桿，控制好鉆探的力度，并隨著孔徑的擴大而放長巖心管。另外，鉆探施工人員在剛開始鉆探時應該將鉆探的速度放緩，不能貿然地進行提速，不然會出現掉鉆或是孔徑傾斜的情況。之后就可以根據地層硬度的不同來更換不同的鉆具口徑和套管，但是在此過程中需要測量鉆孔口徑的傾斜情況，然后進行逐步地校正。在選擇鉆具材質的時候應該盡量選擇具有金剛石性質的，這是因為其硬度較大不容易彎曲。而在選擇鋼粒進行鉆探的過程中，應該盡量選擇具有噴反性質或是口徑較小的鋼粒，然后在施工的過程中投入少量的砂土，降低鉆進的力度。因為只有這樣才能夠更好地調節鉆探的速度[10]。

由于復雜地層的組成結構比較豐富，所以在進行鉆探施工的過程中會非常容易出現鉆孔傾斜的情況。因此，相關工作人員應該及時地進行測斜。這種方式不僅可以幫助鉆探施工工作人員掌握鉆探的軌跡變化，對下次的鉆探軌跡進行預測，而且還可以及時糾正傾斜的鉆孔。而鉆探施工工作人員在此過程中應該提升鉆孔測斜的測量次數，使其能夠滿足《巖心鉆探規程》中的相關要求。

4 結語

在對復雜地層進行鉆探施工的過程中不僅需要科學地規范鉆探過程中應用到的所有設備的參數，而且還需要鉆探工作人員能夠充分地掌握鉆探地區復雜地層的地質條件，合理地利用鉆孔彎曲技術，使其能夠在一定程度上提升鉆探施工的安全質量，降低鉆孔彎曲事件發生的概率，從而提升項目施工的工作效率。