淺談鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

耿　印

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德067001）

淺談鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

耿印*

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德067001）

就鉆孔的結(jié)構(gòu)定義、設(shè)計(jì)方法步驟、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的各種因素等進(jìn)行探討，并列舉典型鉆孔（大烏蘇溝礦區(qū)ZK2401和ZK2402兩個(gè)鉆孔）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行舉例說(shuō)明。希望能對(duì)今后深孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所幫助。

鉆孔結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方法；地層結(jié)構(gòu)；預(yù)留孔徑；典型結(jié)構(gòu)

1　鉆孔結(jié)構(gòu)的定義

鉆孔結(jié)構(gòu)是指，鉆孔由開(kāi)孔至終孔，孔身剖面中各孔段的深度和口徑的變化情況，它包括：鉆孔的總深；各段鉆孔直徑和深度、井管的直徑、下放深度；灌漿部位所處的孔深位置。一般來(lái)說(shuō)，鉆孔愈深、地層愈復(fù)雜的情況，鉆孔換徑次數(shù)越多，鉆孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

我國(guó)是鉆探技術(shù)的最早的發(fā)明國(guó)家。道光十五年（1853年）鉆鑿了世界第一口超千米的深孔——燊海井，井深達(dá)到1001.42m，這是中國(guó)古代鉆井技術(shù)成熟的標(biāo)志，也是世界鉆進(jìn)史的里程碑，它的重要突破之一是用木套管代替了竹套管，改善了竹套管口徑小的局限性，鉆孔結(jié)構(gòu)由“二徑結(jié)構(gòu)”發(fā)展為“多徑結(jié)構(gòu)”。

2　設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)的重要性

首先，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)鉆孔的首要環(huán)節(jié)，它是整個(gè)地質(zhì)鉆探施工的前提和基礎(chǔ)。一個(gè)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保障鉆孔順利實(shí)施的根本。依據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就可以進(jìn)行鉆探設(shè)備、管材、工具的配套和準(zhǔn)備，以及確定技術(shù)措施；有了鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工時(shí)就有了依據(jù)，按部就班地有計(jì)劃進(jìn)行施工；合理的鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能保障鉆孔順利達(dá)到預(yù)定孔深，甚至影響到鉆探施工質(zhì)量和安全，降低鉆探成本，提高鉆探的整體工作效益。

其次，鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是鉆進(jìn)施工所有預(yù)算的基礎(chǔ)依據(jù)，根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就可以進(jìn)行各種財(cái)務(wù)預(yù)算，為領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行決策提供依據(jù)，以便正確決策，提高經(jīng)濟(jì)效率。鉆孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單對(duì)鉆進(jìn)的影響越小，人力物力消耗也越少。但由于地層因素以及施工工藝等多種影響，一徑到底的期望我們很難做到。

最后，地質(zhì)巖芯鉆探勘探深度大多在1000m以內(nèi)，近年來(lái)超過(guò)1000m的鉆孔越來(lái)越多，我國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)一批2000～3000m的孔深，正向4000～5000m孔深發(fā)展。礦產(chǎn)資源是不可再生的，資源需求量愈來(lái)愈大，地表資源已接近枯竭，資源勘查的鉆孔也愈來(lái)愈深。鉆孔越深鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)愈顯重要。當(dāng)我們接到一項(xiàng)深孔施工任務(wù)時(shí)如何設(shè)計(jì)施工方案，怎樣確定鉆孔結(jié)構(gòu)？

3　鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和必須考慮的因素

從理論上講鉆孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一龐雜的過(guò)程，非常困難，因?yàn)樵O(shè)計(jì)涉及很多因素，而且有許多地層因素不確定，必須依靠經(jīng)驗(yàn)，綜合分析和準(zhǔn)確推斷，因?yàn)樘降V的本身就是科學(xué)探索的過(guò)程。

3.1依據(jù)鉆孔施工用途目的以及施工要求確定終孔孔徑

每個(gè)鉆孔施工用途目的以及施工要求不同，鉆孔的終孔口徑也不同。固體巖芯鉆探鉆孔一般比較小，終孔口徑為?53mm～?95mm，開(kāi)孔孔徑一般在?150mm以下，礦區(qū)坑道鉆探的孔深口徑比地表鉆探更淺更小；石油鉆探鉆孔口徑較大，標(biāo)準(zhǔn)的終孔口徑為?216mm，開(kāi)口口徑則取決于地層的復(fù)雜程度，一般在?311mm～?445mm，甚至達(dá)到?712mm；科學(xué)鉆探終孔口徑在?150mm～?216mm，開(kāi)口口徑?500mm～?700mm；地?zé)崴辈榻K孔口徑一般在?100mm～?216mm，甚至更大。

一般來(lái)講當(dāng)我們承接到一個(gè)鉆探任務(wù)的時(shí)候，終孔口徑和施工目的要求是明確的。為確保滿足終孔口徑和施工目的，設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)在終孔直徑允許范圍內(nèi)預(yù)留一種孔徑。

3.2了解地層結(jié)構(gòu)狀況確定鉆孔可能穿過(guò)的地層參數(shù)

地層的地質(zhì)狀況、巖石的物理力學(xué)化學(xué)性質(zhì)，包括地層的地質(zhì)年代、可鉆性級(jí)別、研磨性級(jí)別、裂隙級(jí)別、穩(wěn)定性和水敏性以及地層復(fù)雜狀況。這些因素都必須了解清楚，做到心中有數(shù)，它是設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)的前提和基礎(chǔ)。當(dāng)鉆孔在含礫石、卵石和漂礫的砂質(zhì)粘土質(zhì)等巖土中施工時(shí)，孔壁可能坍塌；在水敏性地層中鉆孔可能縮徑；在流砂層中必須加固孔壁；如果用泥漿或?qū)ｉT配置的處理劑護(hù)壁無(wú)效的話，則必須用套管來(lái)隔離不穩(wěn)定的孔壁。根據(jù)這些可能碰到情況進(jìn)而確定可能需下套管的級(jí)數(shù)和深度。

3.3確定鉆進(jìn)方法、鉆探設(shè)備參數(shù)

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)的孔深和鉆孔的方位、頂角方向的施工要求；在該鉆孔中擬采用的鉆進(jìn)方法，鉆探設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和孔內(nèi)測(cè)量?jī)x器的外徑尺寸；確定了的鉆孔可能穿過(guò)的地層參數(shù)；考慮單位的設(shè)備實(shí)際施工能力情況，選擇鉆進(jìn)工藝方法，確定鉆具的級(jí)配關(guān)系。根據(jù)地層剖面找出需要加固的危險(xiǎn)孔段，再設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)孔段下入套管的直徑和深度。綜合分析，反復(fù)研討，最終確定鉆孔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

另外，確定鉆具的級(jí)配關(guān)系。鉆具級(jí)配它反映了孔壁間隙的大小，影響到鉆桿的工作狀態(tài)、沖洗液的流動(dòng)、鉆具回轉(zhuǎn)阻力的大小，也影響最終孔徑。對(duì)于深孔小口徑金剛石鉆進(jìn)尤顯突出。

4　鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

（1）采用自下而上逐段確定各層套管的深度和孔徑的原則，設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)，即最先確定所需的終孔孔徑及深度→最后一層套管孔徑及深度→……→孔口管孔徑及深度。

（2）往往鉆孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，孔內(nèi)事故隱患也會(huì)越多。為了降低生產(chǎn)成本，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化鉆孔結(jié)構(gòu)，減少套管所下的層數(shù)。因?yàn)槊肯乱粚犹坠茔@孔便縮小一級(jí)口徑，套管柱的上下端固定密封、保持鉆孔軸心方向等方面都會(huì)出現(xiàn)一系列技術(shù)問(wèn)題。但有下列情況之一者必須下套管：孔口管必下，以保護(hù)孔口處松散的巖土層不被沖刷而坍塌，孔口管的另一個(gè)重要作用是導(dǎo)正鉆孔方向；鉆遇很難用泥漿護(hù)壁方法解決的不穩(wěn)定地層時(shí)，采用水泥護(hù)壁無(wú)效的情況下必下套管；需要隔離漏水層或涌水層時(shí)必下套管；處理孔內(nèi)事故需要縮小一級(jí)孔徑，而上面地層存有坍塌塊、縮徑危險(xiǎn)時(shí)，需要下套管護(hù)壁。

（3）在設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)時(shí)（尤其在新區(qū)）通常要留一級(jí)備用口徑，萬(wàn)一出現(xiàn)無(wú)法處理的孔內(nèi)復(fù)雜情況，還可以補(bǔ)下一層套管，以保證工程結(jié)束時(shí)能達(dá)到終孔直徑的設(shè)計(jì)要求。

（4）在施工時(shí)某一層套管下完后，開(kāi)始鉆進(jìn)又出現(xiàn)漏失、涌水、坍塌掉塊或縮徑等現(xiàn)象時(shí)，盡可能采用調(diào)整泥漿性能或水泥灌注的方法處理，穿過(guò)事故地層段后，擴(kuò)孔重下該層套管，切不可輕易改變鉆孔設(shè)計(jì)，再下一層新套管。

5　鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例

承德大烏蘇溝礦區(qū)是河北省自2006年開(kāi)展深部找礦以來(lái)，最先發(fā)現(xiàn)的超大型釩鈦磁鐵礦。它拉開(kāi)河北省深部找礦的序幕，先后施工30個(gè)深孔，總工作量達(dá)到47379.81m，對(duì)于研究深部找礦理論和方法具有重要意義。

5.1該礦區(qū)的地層狀況及構(gòu)造

區(qū)域內(nèi)出露地層有新太古界單塔子群、中生界地層及第四系。

新太古界為單塔子群，由老至新劃分為燕窩鋪組（Ary）、白廟子組（Arb）、鳳凰咀組（Arf）及太平莊組（Art）（因篇幅有限，逐層敘述略）。

本區(qū)中生界主要分布在朝梁溝、孤山及后中關(guān)等盆地中，分別不整合于太古界變質(zhì)花崗巖、變質(zhì)閃長(zhǎng)巖及基性、超基性巖之上。

區(qū)內(nèi)第四系分布于山澗洼地、山麓邊緣緩坡及河床溝谷之中。

區(qū)域構(gòu)造以東西向深斷裂為骨架，疊加燕山期北東向?yàn)橹鞯臄嗔褬?gòu)造。區(qū)域構(gòu)造從北到南有豐寧—隆化、紅石砬—大廟、尚義—平泉3條深斷裂，呈近平行展布。深斷裂之間發(fā)育有燕山期—北北東、北西向次級(jí)斷裂構(gòu)造，切割成許多大小不等的斷塊，構(gòu)成了隆起與凹陷相間的格局。

區(qū)內(nèi)巖漿巖活動(dòng)強(qiáng)烈，自太古代至中生代各個(gè)地質(zhì)時(shí)期均有不同特征的火山—巖漿侵入活動(dòng)，形成了不同類型的巖漿巖。主要與釩鈦磁鐵礦有關(guān)的巖漿活動(dòng)，是在中、晚元古代沿紅石砬—大廟深斷裂帶北側(cè)產(chǎn)出的大廟基性雜巖體。

5.2該礦區(qū)主要巖石與可鉆性

礦區(qū)位于黑山基性雜巖體西北部邊緣，雜巖體由斜長(zhǎng)巖和蘇長(zhǎng)巖組成，生成于遠(yuǎn)古帶兩者侵入關(guān)系。斜長(zhǎng)巖：為先期侵入產(chǎn)物，分布廣，面積較大，蝕變較強(qiáng)，主要由鈉黝簾石石化斜長(zhǎng)石組成，次有綠泥石、纖閃石等蝕變礦物，是組成含礦體的主要圍巖。屬中粗粒構(gòu)造和塊狀構(gòu)造；蘇長(zhǎng)巖：為后期侵入產(chǎn)物，呈各種不規(guī)則形態(tài)侵入斜長(zhǎng)巖中。巖石呈暗灰色至灰黑色，主要由暗色斜長(zhǎng)巖和少量紫蘇輝石、單斜輝石等組成，是組成含礦體的直接母巖。屬于粗偉晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

實(shí)驗(yàn)得知地表巖石極限抗壓強(qiáng)度為95.12～157.89MN/cm2，內(nèi)摩角84°，普氏系數(shù)12～18。深部巖石極限抗壓強(qiáng)度69.04～251.05MN/cm2，普氏系數(shù)為7～26。

斜長(zhǎng)巖約占80%以上，結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，研磨性較弱，可鉆性7級(jí)，部分8～9級(jí)；蘇長(zhǎng)巖硬度、研磨性中等，可鉆性6級(jí)左右；鐵礦石可鉆性8級(jí)。

主要礦層分布在800～1800m之間，埋藏較深，鉆孔均為1300～2000m的深孔，施工難度較大。鉆遇地層類型較多往往涉及更多、更古老地質(zhì)年代所形成的地層。

5.3大烏蘇溝礦區(qū)ZK2401鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2006年施工的鉆孔ZK2401是大烏蘇溝礦區(qū)所施工的32個(gè)深孔勘查的第一個(gè)鉆孔，設(shè)計(jì)孔深1440m，終孔直徑要求不低于?56mm。根據(jù)地質(zhì)所提供的地層狀況、地層構(gòu)造以及可能鉆遇的地層柱狀圖，綜合分析確定該孔的鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　ZK2401鉆孔結(jié)構(gòu)（單位：mm）

一開(kāi)用?150mm合金鉆頭開(kāi)孔，鉆進(jìn)第四系覆蓋層約8m下入?146mm孔口管，并用水泥固定；二開(kāi)用?130mm合金鉆頭鉆進(jìn)風(fēng)化層約15m，下入?127mm套管；三開(kāi)因?yàn)殂@遇巖石較破碎，軟硬互層，裂隙發(fā)育，所以換用金剛石鉆頭采用?110mm繩索取芯鉆具鉆進(jìn)，完全確認(rèn)地層較穩(wěn)定后，下入?108mm套管，深度大約95m；四開(kāi)用?95mm金剛石繩索取芯鉆具鉆具，鉆進(jìn)600m破碎帶，下入?89mm套管；五開(kāi)采用?75mm繩索取芯鉆進(jìn)，800m處左右有一較大斷層，主要以糜棱巖為主，非常破碎，且遇水膨脹，如使用化學(xué)護(hù)壁劑鉆進(jìn)，成本較高且孔深可能引起較大泵壓，不利于鉆進(jìn)，必須下一層?73mm套管840m；六開(kāi)采用?56mm繩索取芯鉆進(jìn)直至1440.2m終孔。

實(shí)際施工中鉆孔結(jié)構(gòu)分析：次鉆孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用六級(jí)孔徑結(jié)構(gòu)，從地層狀況和鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，套管結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但由于該孔是大烏蘇溝礦區(qū)的第一個(gè)鉆孔，底層的未知地層狀況較多，所以本設(shè)計(jì)并無(wú)什么瑕疵。但施工的實(shí)際情況卻出現(xiàn)這樣的情況：當(dāng)鉆孔達(dá)到1300m設(shè)計(jì)孔深時(shí)，遇鉆巖層正處在含礦的巖層中，地質(zhì)技術(shù)人員要求連續(xù)2次加深，鉆孔設(shè)計(jì)孔深更變?yōu)?460m。?56mm繩索取芯鉆進(jìn)至1440.20m時(shí)，凈鉆進(jìn)深度達(dá)600余米，已達(dá)到小口徑?56mm繩索取芯鉆進(jìn)的極限深度。當(dāng)時(shí)泵壓達(dá)到7～8MPa，?53mm鉆桿接箍出現(xiàn)“鉆漲”現(xiàn)象，恰巧地層剛出礦層5m，沒(méi)能達(dá)到最終孔深，帶著一絲遺憾，不得不宣布終孔。

5.4大烏蘇溝礦區(qū)ZK2402鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZK2402鉆孔設(shè)計(jì)孔深1900m，吸取ZK2401鉆孔的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，加深?89mm套管的下置深度至800～1000m，600m處破碎地層采用水泥灌注護(hù)壁的方法，盡可能減少一層套管級(jí)數(shù)，預(yù)留一層孔徑，力爭(zhēng)?75mm繩索取芯鉆進(jìn)終孔，鉆孔設(shè)計(jì)如圖2所示。

ZK2402鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：用?150mm合金鉆具開(kāi)孔，鉆進(jìn)覆蓋層約為5m下入?146mm孔口管；?130mm合金鉆頭鉆進(jìn)風(fēng)化巖層約10～15m，下入?127mm技術(shù)套管；因?yàn)闇\層巖石較為破碎，裂隙也較發(fā)育，所以要求施工過(guò)程中用?110mm口徑盡量多進(jìn)尺，完全確認(rèn)地層較為穩(wěn)定后，下入?108mm。

技術(shù)套管，孔深約為80～100m；然后采用S95mm金剛石繩索取芯鉆進(jìn)，600m左右碰到破碎地層，采取水泥灌注護(hù)壁法，調(diào)整泥漿性能；到800～1000m處遇到非常破碎的以糜棱巖為主的斷層時(shí)，下入?89mm套管，再使用S75mm繩索取芯鉆具鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。在實(shí)際施工中為防止泵壓過(guò)高，我們采用非標(biāo)鉆頭（鉆頭外徑?77mm，比標(biāo)準(zhǔn)鉆頭外徑大2mm），以增大鉆具與孔壁的間隙，以利于沖洗液的循環(huán)。

圖2　M24礦區(qū)典型鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

該孔與2007年4月15日開(kāi)始施工，至2007年7月18日終孔歷時(shí)93d，孔深1905.92m，創(chuàng)造了國(guó)產(chǎn)機(jī)具金剛石繩索取芯鉆探當(dāng)時(shí)全國(guó)最深記錄。成為2007年探礦工程十大新聞之一。該孔的鉆孔施工工藝獲得河北省地礦局“局長(zhǎng)特別獎(jiǎng)”。ZK2402鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案也成為大烏蘇溝礦區(qū)后來(lái)30個(gè)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型范例，對(duì)于小口徑深孔巖芯鉆探施工來(lái)說(shuō)，極具參考價(jià)值。

6　總結(jié)

通過(guò)以上ZK2401和ZK2402兩個(gè)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)比，可以看出：對(duì)于小口徑深孔巖心鉆探來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化鉆孔結(jié)構(gòu)，能少一層套管，就減少一層，給下口徑的施工預(yù)留余地，減少擴(kuò)孔重下套管的可能，以確保工程順利完成。ZK2401鉆孔多下一層套管，終孔時(shí)帶有一些遺憾；ZK2402鉆孔少下一層套管、?75mm鉆頭增大2mm的口徑，更顯完美。

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)每一個(gè)鉆孔的施工都有非常重要的意義，它是保障鉆孔能否順利施工的關(guān)鍵所在。不論大口徑的石油鉆探、地?zé)崴辈?、科學(xué)鉆探，還是小口徑的地質(zhì)巖芯鉆探，我們都必須高度重視，充分分析可能遇到各種地層因素，巖石性質(zhì)等各種因素；根據(jù)單位施工能力、設(shè)備性能，選擇鉆進(jìn)方法；綜合各方面的因素，慎重確定鉆孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；最后每一個(gè)鉆孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要通過(guò)有關(guān)專業(yè)人員的論證。

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A

1004-5716（2016）02-0060-04

2015-02-26

耿?。?970-），男（滿族），河北承德人，工程師，現(xiàn)從事鉆探技術(shù)施工與管理工作。