探索深孔超深孔巖心鉆探的相關(guān)問題

武仲國(guó)

（河北省地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000）

深孔超深孔巖心鉆探工作本身具有較高的風(fēng)險(xiǎn)和難度，因此，在正式開展此項(xiàng)工作之前，必須全面分析和掌握其相關(guān)問題，包括應(yīng)采用何種加壓方式、鉆探設(shè)備等，與此同時(shí)，還必須加強(qiáng)對(duì)整個(gè)鉆探過程安全性的監(jiān)督和控制，從而確保深孔超深孔巖心鉆探工作的順利有效開展。

1 深孔超深孔巖心鉆探的發(fā)展現(xiàn)狀

鉆探技術(shù)是唯一一種能從地表之下取出實(shí)物巖礦樣品的勘查技術(shù)手段，伴隨我國(guó)科研事業(yè)的不斷推進(jìn)，現(xiàn)代鉆探技術(shù)的發(fā)展水平也進(jìn)一步提升，深孔超深孔巖心鉆探技術(shù)開始在地層深部資源的開發(fā)中得到廣泛推廣和運(yùn)用。巖心鉆機(jī)逐漸朝著智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，如當(dāng)前在巖心鉆探工作中經(jīng)常用到的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)。孔底電站、螺旋鉆、潛孔錘等也取得了較為顯著的發(fā)展成果，實(shí)踐應(yīng)用效果與以前相比有了很大程度的提升。我國(guó)鉆探技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)順利從人造金剛石階段步入到人造復(fù)合超硬材料鉆探時(shí)代。

從鉆探設(shè)備的角度來看，國(guó)內(nèi)固體礦產(chǎn)資源勘探所采用的的巖心鉆機(jī)通常為液壓立軸式鉆機(jī)，此類鉆機(jī)能達(dá)到的最高鉆探深度大約為1500米。新一代全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)的研發(fā)工作當(dāng)前已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)正式啟動(dòng)，而且取得了初步成效。定向鉆進(jìn)、繩索取芯鉆進(jìn)等多工藝組合鉆進(jìn)技術(shù)的研究也取得了不少新成果。深孔超深孔巖心鉆探技術(shù)在我國(guó)深部資源勘探、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與治理等方面都扮演著十分重要的角色，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，其發(fā)揮的作用也將越來越顯著。

2 深孔超深孔巖心鉆探的相關(guān)問題

2.1 孔壁穩(wěn)定分析

孔壁穩(wěn)定問題主要涉及到鉆進(jìn)過程中孔壁坍塌、地層破裂這兩種類型，這是大多數(shù)巖心鉆探工程在實(shí)際開展過程中都可能遇到的典型問題。粘彈性地層變形、井漏、井噴以及脆性地層的坍塌等問題大都是因?yàn)闆]有全面分析井壁的穩(wěn)定情況，采取的措施不當(dāng)而引起的。在淺層巖心鉆探過程中，孔壁穩(wěn)定問題一直以來并沒有得到應(yīng)有的重視，例如，某鉆探工程項(xiàng)目在施工過程中接連發(fā)生3口鉆孔的套管事故，其根本原因就在于沒有充分了解該施工區(qū)域的孔壁失穩(wěn)規(guī)律。對(duì)于深孔巖心鉆探工作的開展來說，必須高度重視孔壁穩(wěn)定問題，嚴(yán)格落實(shí)好施工前期的預(yù)測(cè)工作，以免在鉆探過程中因各種失誤而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)的原因多種多樣，總結(jié)起來主要可分為工程和地質(zhì)這兩大方面的因素。工程方面的因素具體涉及到起下鉆的波動(dòng)壓力、循環(huán)動(dòng)壓力、孔徑大小、鉆井液成分等；地質(zhì)方面的因素則主要包括地層巖性、強(qiáng)度、滲透性、孔隙率以及地質(zhì)構(gòu)造情況等。所謂孔壁失穩(wěn)，實(shí)際上指的就是孔壁巖石所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其在孔眼狀態(tài)下的整體強(qiáng)度。

一旦孔內(nèi)鉆井液柱壓力偏低，孔壁圍巖應(yīng)力明顯大于此處巖石的剪切強(qiáng)度時(shí)，孔壁巖石就很可能被破壞，若屬于塑性巖石，一般會(huì)出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象；若屬于脆性巖石，則通常會(huì)出現(xiàn)崩落現(xiàn)象。因此，為了控制孔壁失穩(wěn)問題的發(fā)生，就必須提前分析和了解地層孔隙壓力、地層應(yīng)力以及地層破裂壓力。

2.2 加壓方式分析

在進(jìn)行深孔超深孔鉆探的時(shí)候，傳統(tǒng)的加壓方式并不適用，為了更好地滿足施工需求，施工人員應(yīng)采用鉆鋌加壓的方式。通過鉆鋌加壓，可在一定程度上減緩鉆孔的“狗腿”度，確保套管能順利下放到設(shè)計(jì)深度。在取芯的時(shí)候，懸掛的鉆桿在自身重力的作用下而處于受拉狀態(tài)，而且處于最下部的取芯鉆頭所承受的拉力為0，地面井眼部位的拉力則最高。在鉆機(jī)加壓鉆進(jìn)的過程中，整個(gè)鉆桿柱都會(huì)受到一定的壓力。減壓鉆井的時(shí)候，鉆壓和下端鉆具的重力基本相同，下部鉆具處于受壓狀態(tài)。

伴隨鉆壓的不斷增大，井筒中鉆桿所承受的壓力將逐漸增大，再加上鉆具在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的彎曲力矩和離心力，很容易導(dǎo)致鉆具在井底出現(xiàn)一定程度的彎曲變形，最終引發(fā)孔斜問題。所以，在深孔超深孔巖心鉆探的過程中必須根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，采用適當(dāng)?shù)募訅悍绞剑@樣才能保證整個(gè)取芯工作的順利開展。與此同時(shí)，在進(jìn)行鉆鋌設(shè)計(jì)的時(shí)候必須充分考慮到下列幾個(gè)方面的因素：第一，在確定最大鉆鋌外徑的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)保證在打撈施工時(shí)能夠套銑。第二，為了使套管順利進(jìn)入到地下孔內(nèi)，至少應(yīng)確保一柱鉆鋌具備足夠大的外徑。第三，鉆鋌組合的整體剛度必須高于套管的剛度。

2.3 鉆探設(shè)備分析

（1）固相控制設(shè)備。

鉆井液中往往含有一些無用固相顆粒，這些顆粒的含量對(duì)深孔巖心鉆探有著非常直接的影響。若沒有采用適當(dāng)?shù)墓滔嗫刂圃O(shè)備，則很容易導(dǎo)致鉆井液之中的無用固相顆粒含量超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，最終阻礙取芯工作的順利高效開展。為了保證鉆井液始終保持良好的狀態(tài)，就必須對(duì)其中的無用固相顆粒進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免其超出最大極限值。所以，在實(shí)際進(jìn)行深孔超深孔巖心鉆探的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)井下的實(shí)際狀況，選擇最為適用的離心機(jī)、除砂器、振動(dòng)篩等控制設(shè)備，從而使鉆井液之中的巖屑等物質(zhì)得到有效去除，為鉆井液性能的充分發(fā)揮提供保障。

（2）驅(qū)動(dòng)方式。

現(xiàn)階段，我國(guó)全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的發(fā)展速度相對(duì)來說比較緩慢，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大的差距。而且我國(guó)自主研發(fā)的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)對(duì)深孔超深孔巖心鉆探的適應(yīng)程度偏低，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)所謂的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)都還沒有完全達(dá)到全液壓控制的目標(biāo)。另外，還有一個(gè)值得注意的問題是全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的起下鉆速度，為了使取芯的工作效率得到有效提升，必須在施工過程中盡最大努力縮短下鉆所花費(fèi)的時(shí)間。

（3）鉆塔高度低。

在進(jìn)行深孔超深孔巖心鉆探的時(shí)候，對(duì)取芯鉆進(jìn)成本有著直接影響的因素并非鉆頭使用壽命和設(shè)備鉆進(jìn)速度，而是起下鉆所需時(shí)間以及回次進(jìn)長(zhǎng)度。為了使深孔巖心鉆探的整體效率得到提升，就必須加強(qiáng)對(duì)起下鉆所用時(shí)間和回次進(jìn)長(zhǎng)度的控制，而鉆塔高度對(duì)上述兩個(gè)因素都有著非常顯著的影響。當(dāng)前，我國(guó)國(guó)內(nèi)所采用的的巖心鉆機(jī)的鉆探高度通常為18m～23m，鉆塔的有效高度為52m，鉆桿長(zhǎng)度為9m，每次只能提升2根鉆桿。由于鉆塔高度偏低，起下鉆操作所需花費(fèi)的時(shí)間也比較長(zhǎng)，這就在很大程度上增長(zhǎng)了取芯時(shí)間，造成取芯成本大幅上升。

3 結(jié)語

綜上所述，深孔超深孔巖心鉆探工作具有一定的專業(yè)性、復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性。為了確保此項(xiàng)工作的開展成效，就必須做好孔壁穩(wěn)定性分析工作，選擇最為適當(dāng)?shù)募訅悍绞?，積極利用現(xiàn)代化的鉆探設(shè)備。與此同時(shí)，還必須加強(qiáng)對(duì)整個(gè)鉆探過程的監(jiān)督和管理，盡量降低各種人為操作失誤，這樣才能使深孔超深孔巖心鉆探工作質(zhì)量得到最大限度提升。