小秦嶺地區(qū)深部鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳風(fēng)云，王 虎，谷天本

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南鄭州 450053;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)探礦隊(duì)，河南洛陽 471023)

小秦嶺地區(qū)深部鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳風(fēng)云1，王 虎2，谷天本2

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南鄭州 450053;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)探礦隊(duì)，河南洛陽 471023)

介紹了鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)和原則，目前國內(nèi)最深的巖心鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)和基于新的巖心鉆探規(guī)程下專家建議的深孔鉆孔結(jié)構(gòu)。據(jù)此提出了小秦嶺地區(qū)深部鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，建議深孔鉆探必須加大開孔口徑，留足用套管隔離深部復(fù)雜地層的空間。

深部鉆探;鉆孔結(jié)構(gòu);小秦嶺地區(qū)

0 引言

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鉆探施工設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，深部鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為重要，合理的鉆孔結(jié)構(gòu)可為處理深部復(fù)雜地層留下更換小一級(jí)鉆具的空間，減少偏斜或報(bào)廢鉆探進(jìn)尺。隨著攻深找盲地質(zhì)工作的開展，孔深＞1000 m的鉆孔越來越多，施工中由于鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，造成的鉆探進(jìn)尺報(bào)廢也越來越多，需要鉆探技術(shù)人員總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)，以提高鉆探效率。

小秦嶺地區(qū)是我國的重要成礦帶，筆者單位多年來一直在小秦嶺地區(qū)從事巖心鉆探施工，對(duì)小秦嶺地區(qū)地層復(fù)雜程度比較了解，因此，筆者總結(jié)在該地區(qū)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，以指導(dǎo)在該地區(qū)的鉆探施工。

1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔結(jié)構(gòu)是指鉆孔由開孔至終孔，孔深剖面中各孔段的深度和口徑變化情況。一般來說，地層越復(fù)雜，孔越深，鉆孔換徑次數(shù)越多，鉆孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

1.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)［1］

(1)所鉆巖石的物理、力學(xué)性質(zhì)，特別是巖石的硬度、穩(wěn)定性和水敏性;

(2)鉆孔設(shè)計(jì)深度和傾角;

(3)鉆進(jìn)方法，鉆探設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和入孔測(cè)量?jī)x器的外徑;

(4)與鉆孔目的有關(guān)的終孔直徑。

1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常備用一級(jí)口徑(特別是在新礦區(qū)對(duì)地層情況不甚了解的情況下)，出現(xiàn)孔內(nèi)復(fù)雜情況時(shí)可以補(bǔ)下一層套管，以保證終孔直徑滿足設(shè)計(jì)要求。為了降低生產(chǎn)成本，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化鉆孔結(jié)構(gòu)，少下或不下套管。但是下列情況必須下套管:

(1)泥漿護(hù)壁仍不穩(wěn)定的地層;

(2)隔離涌水層和漏水層;

(3)處理孔內(nèi)事故，上部地層坍塌掉塊、縮徑等情況。

深孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮增大鉆桿環(huán)狀間隙以降低泵壓，增大泥漿粘度護(hù)壁等問題。

2 國內(nèi)深孔(2000 m左右)鉆孔結(jié)構(gòu)

2.1 典型深孔鉆孔結(jié)構(gòu)

由于受到地質(zhì)管材規(guī)格限制，國內(nèi)目前大多數(shù)深孔鉆孔結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 目前國內(nèi)典型的深孔鉆孔結(jié)構(gòu) /mm

這種鉆孔結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是鉆桿環(huán)狀間隙小，深孔鉆進(jìn)時(shí)泵壓高，不利于深孔復(fù)雜地層(泥漿粘度大)鉆進(jìn)。

2.2 目前國內(nèi)最深的巖心鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)最深的巖心鉆探孔為安徽313地質(zhì)隊(duì)施工的ZK1725孔，孔深為2706.68 m，該鉆孔所遇巖層段巖石膠結(jié)性差，非常破碎，鉆孔坍塌、漏水、涌水極為嚴(yán)重，入孔4級(jí)套管，其鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安徽313地質(zhì)隊(duì)ZK1725鉆孔結(jié)構(gòu)圖［2］

2.3 根據(jù)巖心鉆探新規(guī)程建議的深孔鉆孔結(jié)構(gòu)

新頒布的《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DD2010－01)與國際通用標(biāo)準(zhǔn)接軌，口徑級(jí)差合理。新規(guī)程主要起草人王達(dá)教授在建議的鉆孔口徑基礎(chǔ)上，考慮到環(huán)狀間隙大、利于深孔鉆進(jìn)的因素，提出了建議的鉆孔結(jié)構(gòu)如表 2［3］。

表2 基于新規(guī)程建議的鉆孔結(jié)構(gòu) /mm

3 小秦嶺地區(qū)深部鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小秦嶺地區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于火山巖地層，鉆進(jìn)中坍塌、掉塊、漏失、縮徑等巖心鉆探技術(shù)難題經(jīng)常遇到，必須合理設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)，留足套管隔離復(fù)雜地層的口徑。

3.1 多年來小秦嶺地區(qū)所采用的鉆孔結(jié)構(gòu)

2005年以前，小秦嶺地區(qū)勘探孔深在500 m左右(終孔直徑＞75 mm)，現(xiàn)在，隨著攻深找盲的開展，鉆探孔深已達(dá)1000 m左右，然而，許多機(jī)臺(tái)仍然沿用淺孔鉆探的鉆孔結(jié)構(gòu)(如圖2)。

圖2 小秦嶺地區(qū)淺孔鉆孔結(jié)構(gòu)

小秦嶺地區(qū)淺孔鉆探一般以φ110 mm開孔，鉆穿覆蓋層后直接換φ77 mm鉆進(jìn)，當(dāng)遇到復(fù)雜地層需下套管隔離時(shí)，擴(kuò)孔至φ95 mm，下入φ89 mm套管，然后換回φ77 mm口徑鉆至終孔。這種鉆孔結(jié)構(gòu)對(duì)于淺孔比較合理，也屬于超前裸眼鉆進(jìn)方案［4］，比較容易鉆至設(shè)計(jì)孔深。對(duì)于深孔(1000 m左右)，這種鉆孔結(jié)構(gòu)存在很大弊端。深部地層復(fù)雜程度由于不可預(yù)見，深部遇到復(fù)雜地層需要下套管隔離時(shí)，終孔口徑將不能滿足最小鉆孔直徑要求(φ75 mm)。因此，設(shè)計(jì)孔深結(jié)構(gòu)時(shí)必須留足套管隔離空間。

3.2 小秦嶺地區(qū)深孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該地區(qū)鉆孔終孔口徑一般大于75 mm，建議采用超前裸眼技術(shù)方案，留一級(jí)備用口徑，以φ150 mm口徑開孔，鉆穿覆蓋層后下入φ139.7 mm套管，然后以φ122 mm口徑鉆至600～800 m，下入φ114 mm套管，再以φ77 mm口徑進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，當(dāng)遇到深部復(fù)雜地層泥漿無法控制時(shí)，可以擴(kuò)孔下入φ89 mm套管(技術(shù)套管)隔離復(fù)雜地層，然后換回φ77 mm口徑繼續(xù)鉆進(jìn)。建議該地區(qū)深孔鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 應(yīng)用效果

2009年我們?cè)谛∏貛X地區(qū)施工孔深＞1000 m的鉆孔4個(gè)，因?yàn)榈貙訌?fù)雜，全部采用增大開孔直徑、超前裸眼鉆進(jìn)的方法，均順利利用套管隔離了復(fù)雜地層，保證了鉆探順利實(shí)施。

圖3 小秦嶺地區(qū)深孔鉆孔結(jié)構(gòu)

靈寶市大湖礦區(qū)ZK402孔，設(shè)計(jì)孔深1200 m，采用 φ150 mm開孔，鉆穿覆蓋層(80 m)下入φ139.7 mm套管，然后以φ122 mm普通雙管鉆至595 m穿過上部破碎地層，下入φ114 mm套管595 m隔離上部破碎地層，再以φ77 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)，在768～771.5 m遇到縮徑坍塌地層，以φ95 mm鉆具擴(kuò)孔鉆進(jìn)至771.5 m，下入φ89 mm套管(技術(shù)套管)6 m隔離縮徑坍塌地層，然后換回φ77 mm繩索取心鉆進(jìn)直至終孔。

5 結(jié)論

(1)深孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系到鉆探的成敗，新的礦區(qū)應(yīng)深入了解地層構(gòu)造，合理設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)，才能保證鉆遇復(fù)雜地層時(shí)適時(shí)下入套管隔離復(fù)雜地層，保證鉆探順利進(jìn)行。

(2)深孔鉆探開孔孔徑應(yīng)加大，開孔孔徑加大會(huì)降低上部鉆探效率，但是，孔徑加大為深部鉆探處理復(fù)雜地層留下了擴(kuò)孔下套管的空間，能保證深部鉆探順利進(jìn)行。

［1］鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

［2］朱恒銀.2706 m試驗(yàn)孔施工關(guān)鍵裝備與技術(shù)［A］.特深孔設(shè)備配套與施工技術(shù)研討會(huì)及第二屆全國地質(zhì)勘探技術(shù)研討會(huì)［C］.安徽六安:2010.

［3］王達(dá).深孔巖心鉆探的技術(shù)關(guān)鍵［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1).

［4］王達(dá)，張偉，張曉西，等.中國大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井鉆探工程技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［5］陳風(fēng)云，谷天本.西平鐵礦深孔繩索取心鉆探技術(shù)應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(6).

［6］孫德學(xué)，陳偉，張?jiān)?，?沉積巖松軟地層深孔繩索取心鉆探技術(shù)實(shí)踐［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(1).

Design of Borehole Structure of Deep Drilling in Xiaoqinling Region

CHEN Feng-yun，WANG Hu，GU Tian-ben(1.No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Team，Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development，Zhengzhou Henan，China;2.No.3 Geological Prospecting Team，Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development，Luoyang Henan，China)

The paper introduced the basis and the principle of borehole structure design，the deepest borehole structure of core drilling in China and the deep borehole structure suggested by the experts according to the new core drilling rules.Hereby，the design of borehole structure for deep drilling in Xiaoqinling region was put forward;the initial diameter should be enlarged to provide enough space for casing to isolate deep complex formations.

deep drilling;borehole structure;Xiaoqinling region

P634.5

A

1672－7428(2011)07－0044－03122

2011－01－05

陳風(fēng)云(1962－)，女(漢族)，河南洛陽人，河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)工程師，探礦工程專業(yè)，從事地質(zhì)巖心鉆探、工勘施工技術(shù)工作，河南省鄭州市南陽路56號(hào)地礦大廈411室，dzdcfy@163.com。