深孔巖心鉆探問(wèn)題探討

汪洪民WANG Hong-min

（青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，西寧 810028）

（The 2nd Geology and Mineral Resources Institute of Qinghai Province，Xining 810028，China）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)主義的不斷向前發(fā)展，我國(guó)愈來(lái)愈重視各種技術(shù)領(lǐng)域的突破，力爭(zhēng)在許多重要技術(shù)領(lǐng)域走在世界前列，擺脫我國(guó)自主技術(shù)能力水平低的帽子。鉆探技術(shù)作為礦產(chǎn)能源開(kāi)發(fā)、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和高層建筑建設(shè)過(guò)程中必不可少的重環(huán)節(jié)，其發(fā)展水平直接關(guān)系我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)能否正?？焖偾靶小．?dāng)前，在淺層鉆探領(lǐng)域我國(guó)的各項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且正在不斷取得創(chuàng)新與突破，然而隨著淺層礦產(chǎn)資源的枯竭，淺層孔鉆探不足以保證各種高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的交通基礎(chǔ)設(shè)施和高層建筑的正常開(kāi)發(fā)建設(shè)，因此，亟需對(duì)深孔鉆探技術(shù)進(jìn)行研究，以期能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需要。

1 深孔巖心鉆探問(wèn)題概述

深孔巖心鉆探相對(duì)于目前普通的巖心鉆探，不僅其孔深明顯增加，而且鉆探成本與鉆探難度都急劇增大，因此，深孔巖心鉆探問(wèn)題必須得到相關(guān)人員的高度重視，在安全第一的前提下不斷探索與試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)，力爭(zhēng)深孔巖心鉆探技術(shù)取得新的突破。在深孔巖心鉆探中，設(shè)計(jì)鉆探小孔的結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)過(guò)程中孔壁的穩(wěn)定是需要重點(diǎn)注意的地方，因?yàn)槿绻麑?duì)這兩個(gè)方面的問(wèn)題不加以重視，那么在鉆探過(guò)程中，由于地層應(yīng)力、地層的孔隙壓力、地層破裂壓力和地層坍塌壓力的綜合作用，會(huì)出現(xiàn)安全事故。要想避免深層鉆探過(guò)程中出現(xiàn)的各種安全隱患，需要重視地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、鉆探工藝和孔內(nèi)側(cè)井的技術(shù)。本文以深孔巖心鉆探過(guò)程中，孔壁的穩(wěn)定與安全為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)于深孔巖心鉆探過(guò)程中的孔壁穩(wěn)定、鉆探裝備與鉆探過(guò)程兩方面探討其中存在的問(wèn)題并給出對(duì)應(yīng)的解決辦法。

2 深孔巖心鉆探存在的問(wèn)題及對(duì)策

2.1 孔壁穩(wěn)定性

2.1.1 存在的問(wèn)題 在深孔巖心鉆探過(guò)程中，孔壁穩(wěn)定性是首先需要考慮的問(wèn)題，其他方面的技術(shù)均是圍繞這個(gè)中心進(jìn)行的。在深孔鉆探中，主要涉及到的孔壁穩(wěn)定問(wèn)題就是孔壁的坍塌或口徑變化、地層的裂變這兩類(lèi)問(wèn)題，這也是所有鉆探過(guò)程中存在的普遍性的問(wèn)題。在鉆探施工中，出現(xiàn)的井噴、漏漿、脆性地層坍塌、井口徑變化、地層變形、鉆探工具粘附、固井不返水泥漿等問(wèn)題都是由于孔內(nèi)井壁穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo)造成的，而且由于對(duì)相關(guān)情況的掌握程度不夠，導(dǎo)致解決措施也沒(méi)有起到有效作用。對(duì)于深孔巖心鉆探，孔壁穩(wěn)定問(wèn)題必須放到首要位置予以考慮，對(duì)于鉆探前的預(yù)測(cè)工作做充分，并準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，防止事故的發(fā)生以防引起不必要的損失。對(duì)于孔壁失穩(wěn)的原因，主要為工程、地質(zhì)方面的因素影響。對(duì)于工程方面的問(wèn)題，下文在鉆探工藝和鉆探實(shí)施方面做詳細(xì)的介紹，此處主要介紹地質(zhì)因素對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響及解決辦法。

影響孔壁穩(wěn)定性的地質(zhì)因素主要包括地質(zhì)的構(gòu)造、地質(zhì)應(yīng)力和地層巖性和含粘土礦物的類(lèi)型、地層強(qiáng)度和裂隙紋理的發(fā)展、孔隙率、滲透性和孔隙中的流體壓力等。孔壁失穩(wěn)的實(shí)質(zhì)是由于孔眼在特定的狀態(tài)下，其強(qiáng)度無(wú)法承受孔壁巖石受到的應(yīng)力。在孔被鉆開(kāi)后，如果孔內(nèi)鉆井液柱的壓力與孔壁處巖石的剪切強(qiáng)度無(wú)法抵抗孔壁圍巖的應(yīng)力，那么孔壁巖石將會(huì)發(fā)生破壞，對(duì)于脆性的巖石結(jié)構(gòu)，其孔壁將會(huì)發(fā)生崩塌；對(duì)于塑性的巖石結(jié)構(gòu)，其孔徑將會(huì)發(fā)生改變，局部變??；如果孔內(nèi)的鉆井液密度過(guò)大，則巖石所受的周向應(yīng)力將超過(guò)巖石的拉伸強(qiáng)度而對(duì)地層結(jié)構(gòu)構(gòu)成破壞。

2.1.2 相應(yīng)的對(duì)策①克服地層孔隙壓力的危害。地層孔隙壓力的形成，與地層的沉積過(guò)程和地層中礦物成分等有密切關(guān)系。地層孔隙壓力一般較大。因此，要想克服地層孔隙壓力對(duì)孔壁穩(wěn)定性帶來(lái)的危害，首先需要確定地層孔隙壓力。孔隙壓力的確定有如下幾類(lèi)方法：第一，鉆探前預(yù)測(cè)。這種方法需要查閱相關(guān)的地震層資料，并依據(jù)相關(guān)的關(guān)系和計(jì)算方法，對(duì)地層孔隙壓力進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)。這種方法的預(yù)測(cè)精度與地震資料的質(zhì)量、當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)分層情況、巖性以及計(jì)算模型等相關(guān)。一般有直接計(jì)算和等效深度計(jì)算兩種計(jì)算方法。第二，隨鉆監(jiān)測(cè)法。這種方法是依據(jù)鉆探過(guò)程中，對(duì)測(cè)量到的隨鉆信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄異常壓力值。第三，鉆后測(cè)井檢驗(yàn)法。這種方法是在鉆井過(guò)程結(jié)束之后，對(duì)測(cè)井資料進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，得出地層的孔隙壓力，一般采用的技術(shù)手段是泥頁(yè)巖聲波時(shí)差法、泥頁(yè)巖電阻率（電導(dǎo)率）法、泥頁(yè)巖密度法等。第四，實(shí)測(cè)地層孔隙壓力。利用專(zhuān)用的壓力測(cè)量?jī)x器，對(duì)地層孔隙壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。得到地層孔隙的壓力資料尤其是異常壓力資料之后，即需要進(jìn)行下一步工作，對(duì)孔隙壓力進(jìn)行克服。采取的方法就是注漿護(hù)壁堵漏技術(shù)。一般是向鉆孔中注入足量的水泥漿，在對(duì)小孔進(jìn)行堵住的同時(shí)，增強(qiáng)孔壁的水泥防護(hù)層厚度，提高其強(qiáng)度以抵抗應(yīng)力。②克服地層破裂壓力。在影響孔壁穩(wěn)定性的地質(zhì)因素中，地層破裂壓力是另一個(gè)重要的因素。地層破裂壓力存在時(shí)，孔壁將會(huì)發(fā)生裂紋甚至是開(kāi)口，將會(huì)使鉆探失敗。同樣，要想克服地層破裂壓力帶來(lái)的破壞，需要對(duì)地層破裂情況進(jìn)行研究并得到地層破裂的壓力值。相關(guān)研究表明，地層破裂的方向與最小水平有效應(yīng)力有關(guān)，裂縫的延伸方向與最小水平有效應(yīng)力垂直。因此井壁地層發(fā)生破裂，一般更容易出現(xiàn)垂直方向的裂紋。井壁在左右兩側(cè)應(yīng)力不平衡時(shí)將會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，出現(xiàn)井漏現(xiàn)象。地層破裂壓力的數(shù)據(jù)一般采用地層破漏試驗(yàn)得到。處理這樣的井漏情況，采用堵塞的方法基本上起不到作用，一般采用降低外施壓力，即將鉆井液的密度降低。

2.2 鉆探裝備

2.2.1 存在的問(wèn)題 當(dāng)前，在我國(guó)鉆探行業(yè)中，采用的鉆機(jī)處于較低技術(shù)水平，在深層巖心鉆探中，鉆機(jī)設(shè)備的落后，制約了鉆探水平的提升。在鉆探裝備中，主要是鉆頭驅(qū)動(dòng)方式落后和鉆探架高度較低。對(duì)于鉆頭驅(qū)動(dòng)方式，目前主要采用的是立軸式巖心鉆機(jī)以及轉(zhuǎn)盤(pán)式石油鉆機(jī)，這兩類(lèi)鉆機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中，均存在不同程度的故障率和鉆探缺陷，而我國(guó)研發(fā)的液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)發(fā)展十分緩慢，無(wú)法滿足我國(guó)深孔巖心鉆探的要求。對(duì)于鉆探架高度較低的問(wèn)題，主要是受制于經(jīng)濟(jì)能力及高鉆架的適用性。

2.2.2 相應(yīng)的對(duì)策 對(duì)于我國(guó)鉆探裝備無(wú)法適應(yīng)深層巖心鉆探的問(wèn)題，必須引起我國(guó)裝備制造業(yè)相關(guān)同行的足夠重視。對(duì)于鉆頭的驅(qū)動(dòng)方式，還是選擇全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，對(duì)于深層巖心鉆機(jī)，可以采用轉(zhuǎn)盤(pán)+高速頂驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式，頂驅(qū)的最高速度要達(dá)到600r/min，最低轉(zhuǎn)速要確定在70r/min。對(duì)與鉆塔高度，在進(jìn)行深層巖心鉆探時(shí)應(yīng)選擇塔架高度為45米的，鉆架的地盤(pán)高速要高于4米。

2.3 鉆探過(guò)程

2.3.1 存在的問(wèn)題 在深層巖心鉆探中，鉆探過(guò)程中存在許多問(wèn)題。本文受制于篇幅，僅對(duì)其中的鉆井液的使用存在的問(wèn)題進(jìn)行介紹。在傳統(tǒng)的地質(zhì)巖心鉆進(jìn)中，一般依靠增減粘土含量、添加化學(xué)處理劑和加水稀釋的方法調(diào)整鉆井液性能。這些方法雖然在短期內(nèi)能取得一定效果，但是鉆井液的維護(hù)成本極高。這種方法對(duì)鉆井液中的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土和化學(xué)處理劑的含量有減小作用，造成不必要的浪費(fèi)，而且還可能在鉆井中形成壞死土，影響鉆探工作。

2.3.2 對(duì)策 對(duì)于鉆探過(guò)程中，鉆井液的使用問(wèn)題，可以采用目前剛開(kāi)發(fā)出的鉆井液固控技術(shù)進(jìn)行有效調(diào)控。固孔設(shè)備主要有振動(dòng)篩、除砂器、除泥器和離心機(jī)，這些裝備的使用，能夠?qū)@井液中的巖屑和劣質(zhì)的粘土固相進(jìn)行消除，保持鉆井中優(yōu)質(zhì)粘土的含量，起到調(diào)整鉆井液性能的目的。

3 總結(jié)

深孔巖心鉆探中存在的問(wèn)題得到有效的克服之后，能夠極大地促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，為我國(guó)維護(hù)能源資源安全起到重要作用。

[1]孫建華，周紅軍，王漢寶，梁元濂.深孔巖心鉆探裝備配置應(yīng)用技術(shù)趨勢(shì)分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，05：1-7.

[2]張培豐.深孔巖心鉆探問(wèn)題探討[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，08：6-11.

[3]汪濤.云南某礦區(qū)復(fù)雜地層深孔巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2013.

[4]陳興源，于向前.深孔巖心鉆探問(wèn)題探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，25：119.

[5]張成德.注漿護(hù)壁堵漏工藝在深孔巖心鉆探中的應(yīng)用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，05：25-26.