鉆探工程中的復雜地層鉆進技術分析

浦靜怡，段立強，馬少華

（1.陜西省煤田地質集團有限公司，陜西 西安 710000；2.陜西省一八六煤田地質有限公司，陜西 西安 710000）

為了滿足水文、礦產等諸多方面的需求，地質鉆探已然成為一門炙手可熱的重要行業。但在實際鉆探生產過程中，總會因為復雜地層而引發各種孔內事故。不僅影響鉆探工程進度，還影響了礦芯采取率。因此，本文主要從復雜地層的成因入手，深入分析鉆進技術的應用策略，并對措施成果進行小結，以供參考。

1 技術概述

由于煤礦的開采環境惡劣，在開采過程中若出現問題極易造成生命財產等方面的損失。因此在煤礦開工之前，先針對實際地質條件進行研究對應的開采工作。在進行地質勘測期間，可以導入定向鉆進技術來提升煤礦開采的工作效率，同時確保生產人員的人身安全。

不同于其他井下地質勘探技術，定向鉆進技術能通過人工操作，改變鉆頭的鉆進軌跡或相關的空間位置。進行實地探測時，應將探頭放在深井區域，調整鉆頭參數及孔深，然后根據鉆進設備的鉆孔軌跡，能夠精準地計算出孔垂周邊的位移參數。進一步優化鉆進探頭數據，得出鉆孔前方煤層的地質條件。通過對鉆孔設備的運行軌跡，能有效查明勘測點連同其周邊的地層變化等相關信息。以此確保煤礦生產順利進行。

2 應用鉆進技術過程遇到的問題及其原因分析

2.1 各種復雜地層及形成主要原因

2.1.1 地層本身的礦物巖石組成造成的復雜地層

由于地層本身存在著儲油、氣、水的封閉型的背斜構造，或者逆掩斷層封閉構造，會給鉆探施工帶來極大的工作難度。一旦出現問題將會出現井噴等一系列不良后果。

2.1.2 風化作用下形成的復雜地層

松散的孔隙地層（如流砂層、砂礫石層等）或者風化裂隙發育地層，鉆探過程中遇到這種類型的地層，很容易出現孔壁垮塌、超孔超徑、涌砂等狀況。

2.1.3 流水作用形成的復雜地層

一些諸如鹽巖、鉀鹽等水溶性地層或各種泥巖、粘土膠結等水敏性地層，若出現在鉆探作業過程中，若得不到及時處理，很容易出現孔壁表面剝落、膨脹縮徑、鉆頭泥包、鉆孔超徑等復雜情況。

2.1.4 地質運動導致的復雜地層

巖層在形成過程中在不同地質運動（若擠壓、沉積、溶蝕等）的作用下，形成像碎石帶、松散層等復雜情況。鉆進工程中若遇到構造裂隙或成巖裂隙等因素形成的斷層、節理發育地層，就會導致井壁掉塊、坍塌、漏水等情況。

2.1.5 溶蝕作用導致的復雜地層

鉆進過程中若遇到石膏、石灰巖等溶洞發育地層，將會出現礦井漏水、涌水甚至坍塌等情況。

2.1.6 巖性自身導致的復雜地層

由于巖漿活動或放射性礦物相關的地層，都屬于高溫地層，當地熱井或超深井遇到這類地層時，泥漿處理劑將會失效，導致地層不穩定，帶來的危害也是可想而知的。因此，在鉆進施工過程中，若不能及時處理很容易出現掉鉆、埋鉆等情況。

2.2 鉆進工藝缺陷

一般情況下，以往的礦區采用過普雙金剛石鉆進、S75金剛石繩索取芯鉆進以及093毫米普雙金剛石鉆進等多種技術工藝，均未能很好地解決護壁堵漏、糊鉆、嚴重堵水或巖礦芯采取率低等問題。而且還存在著鉆頭/擴孔器消耗量大、無法鉆進等問題。因此必須導入先進的鉆探技術，才能彌補普通鉆進工藝的種種缺陷，確保煤礦安全生產的同時，節約成本。

3 鉆探工程在復雜地層中鉆進技術的對策探討

根據各類型形成原因，結合相關理論研究與實踐經驗，提出以下建議。

3.1 礦物巖石、風化與流水作用導致的地層的鉆進技術對策

在實地鉆探過程中，首先應明確勘測點位，根據相關的電法儀器能準確探測出位置異常的地質條件，然后設置好鉆孔的具體方位，鉆進設備工作期間，施工人員應時刻關注返渣巖性的相關變化，充分了解當前位置是否存在異常情況。由于鉆孔局部范圍內的構造情況不容易被掌握，導致地面鉆孔種種受限。利用定向鉆孔技術能超前探測所要開采的地質條件。在實地鉆探過程中，可以根據開采要求設定合理的分支鉆孔，然后依照分支鉆孔獲取的相關數據，能有效算出煤層厚度，提高煤礦開采效率。

對一些復雜（如礦物巖、風化、流水等）地層進行鉆進施工時，為避免孔壁斷裂、掉塊等問題，可以在下鉆時必須嚴格把控對應的點位及鉆速。使用粘度大的沖洗液將孔壁破碎的巖石進行有效連接，可以有效防止孔壁坍塌。在鉆入鹽度高的地層，應使用高鹽度鉆進泥漿，能有效防止地層鹽巖被溶蝕導致的孔徑增大。

鉆探破碎程度較大的地層時，可以采用有堵塞功能的物質注入地層，使松散、破碎的巖石固結在一起，以此確保鉆孔表面巖石穩定。等巖石強度達標時再進行鉆進作業。

3.2 地質運動導致的復雜地層的鉆進技術對策

由于構造碎裂巖等類的復雜地層，通常處于應力相對平衡狀態。在進行鉆進作業時，很容易打破巖層固有的平衡狀態，經過相關沖洗液的沖蝕作用，很容易導致掉鉆情況，而且斷泥層中的黏土礦物，因為吸水膨脹極易導致卡鉆或縮徑。

在開孔鉆進作業之前，應準備好相關的套管、鉆頭、擰卸工具以及相關報表等。全面檢查鉆探設備及其安裝質量，對不合理之處應及時調整或重裝，不得湊合。力求鉆探工作能夠有序進行。

在執行深孔鉆進作業時，可以在孔口處挖坑將定向管埋入，等到鉆進基巖之后再下入套管。對于一些淺孔的施工來說，則可以采用泥漿保護孔壁，若出現嚴重坍塌情況，則應使用人工造壁的方式鉆入基巖，然后下入套管。

為了防止鉆孔彎曲，換徑時可采用綜合式導向鉆具。由于鉆進時，沖洗液容易漏失，導致孔壁不夠穩定，應做好埋鉆、糊鉆等方面事故的防治工作。在下套管之前，應封閉套管底部，用木楔固定好套管上端，用粘土或水泥進行封閉。在固定套管之前，將用來檢驗套管是否端正的主動鉆桿與套管連接，必須確保套管在完整的基巖上，才能按要求完成鉆探工程的所有工作。

3.3 溶蝕作用導致的復雜地層的鉆進技術對策

由于溶蝕性地層存在各種裂隙，沖洗液也會隨著裂隙滲透地層，導致鉆進作業期間泥漿大量流失，不產生返漿情況。因此，為了提升施工效率，選擇合適的鉆孔結構很重要。畢竟鉆孔深度以及終孔結構直接影響施工質量，在實地鉆探過程中，應不斷改進鉆孔技術，優化鉆孔結構。可以采用套管鉆代替傳統的鉆桿，可以在不起鉆的情況下，直接取出鉆具組和的鉆進方法。這種套管鉆進技術，能有效降低勞動強度、節省起鉆或下鉆的時間，在鉆孔作業完成后，可以取出對應的鉆孔設備，放入PVC-U篩管，能有效避免塌孔等事故，有利于瓦斯抽采效率的提高。

除了一些硬巖地區之外，還可以采用定向鉆孔技術。由于定向鉆孔能保證鉆孔在既定層位中得到合理延伸，一定程度上增加了瓦斯的抽采范圍，而且定向鉆孔技術還可以一孔多用。因此利用井下定向鉆孔技術，能有效拓展抽采面積、提高單孔抽采量。雖然井下定向鉆孔技術能有效解決瓦斯的各種抽放問題，但在鉆進工藝以及相關設備等方面仍存在這樣或那樣的問題，只有不斷改良相關的生產技術，才能確保瓦斯能被安全、高效的利用。

4 措施運用成果

套管隔離法主要用于鉆孔坍塌、超徑等其他方法無法控制的情況，值得注意的是套管下端必須封閉止水。遇到地層漏失、掉塊等復雜問題時，可以利用水泥外加劑調整其性能，縮短凝結時間達到護壁堵漏的目的。使用水泥護壁時應充分考慮施工條件、灌注方式以及外加劑的選用等。而且護壁堵漏還可以采用瀝青材料或其他化學漿液（如木銨漿液、丙凝漿液等）。由于水玻璃是可溶于水的注漿材料，具有價格低、貨源廣等方面優勢。所以將其混入水泥，能使水泥快速硬化，達到很好的堵水、防漏效果。此外，在鉆探工程中還可以采用控制液柱壓力的方法，調整泥漿密度。當地層出現漏失、涌水等情況時，可以利用充氣泡沫泥漿進行低壓漏失地層鉆井，在平衡地層壓力的同時，有效同時鉆進設備的工作效率。

5 結語

總之，鉆探工程應以鉆孔質量與安全為前提，根據巖石性質、水文條件鉆孔深度等方面因素，綜合考慮并選取最佳鉆進結構及對應的鉆具配置。按照一定直徑與深度在地層中制造符合要求的鉆孔，與此同時，不斷研發、使用新型鉆進技術，解決各種地層施工可能出現的問題，確保鉆孔施工的全部工作都能順利、高效地完成。