礦山深部地質(zhì)鉆探施工中鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思考

張靖超

（甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局白銀礦產(chǎn)勘查院，甘肅 白銀 730900）

近年來(lái)，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展背景下，我國(guó)的地質(zhì)行業(yè)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭，與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速推進(jìn)，深部找礦與合理鉆探對(duì)我國(guó)深孔鉆探技術(shù)普及應(yīng)用起到了重要的推動(dòng)作用。當(dāng)前，深部地質(zhì)巖心鉆探也面臨著空

前的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)，現(xiàn)如今，在我國(guó)地質(zhì)科研項(xiàng)目當(dāng)中，地表以下5000m智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備應(yīng)用成為當(dāng)前的研發(fā)重點(diǎn)。而開(kāi)展深部鉆探施工過(guò)程當(dāng)中，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)探探鉆孔結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，同時(shí)，此項(xiàng)工作對(duì)于孔內(nèi)鉆探情況正確判斷與鉆孔結(jié)構(gòu)合理調(diào)整，增加經(jīng)濟(jì)效益也有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，在工作實(shí)踐當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合以往深部鉆探施工工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)深部地質(zhì)鉆探鉆孔設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行詳細(xì)分析和研究[1]。下文當(dāng)中結(jié)合長(zhǎng)期以來(lái)礦山深部鉆探施工工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)分析了礦山深部地質(zhì)鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工，認(rèn)真歸納總結(jié)了廣泛應(yīng)用的幾種鉆孔結(jié)構(gòu)開(kāi)展程序，主要包括下面幾種類(lèi)型：在進(jìn)行地質(zhì)預(yù)測(cè)和具體差異性

較小的工區(qū)，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)與施工方法，提高施工針對(duì)性；在沒(méi)有對(duì)深部地層復(fù)雜情況有效預(yù)測(cè)的情況下，運(yùn)用探索、擴(kuò)孔，并結(jié)合實(shí)際情況，合理調(diào)整鉆孔結(jié)構(gòu)的施工方法；運(yùn)用大口徑進(jìn)行鉆進(jìn)的施工方法。希望通過(guò)本文對(duì)礦山深部地質(zhì)鉆探鉆孔設(shè)計(jì)與施工分析和研究，能夠?yàn)榈V山深部地質(zhì)鉆探施工提供借鑒和參考。

1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)過(guò)程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)對(duì)以下原則認(rèn)真遵守，這樣才能確保設(shè)計(jì)更加的科學(xué)與合理，具體的原則包括下面幾點(diǎn)：①控制長(zhǎng)孔斷的復(fù)雜地形，使孔壁孔內(nèi)安全性和穩(wěn)定性得到有效保障；②一般而言，鉆柱組成、施工設(shè)計(jì)能力需求應(yīng)當(dāng)?shù)玫綐O大程度的滿(mǎn)足；③設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中還應(yīng)當(dāng)控制和減少施工成本投入，保證施工安全穩(wěn)定，確保施工效率和施工水平；④有效簡(jiǎn)化施工過(guò)程當(dāng)中的鉆孔設(shè)備，使其級(jí)數(shù)得到有效縮減，使鉆孔結(jié)構(gòu)更加的簡(jiǎn)化；⑤確保地址設(shè)計(jì)要求，穿礦口徑、終孔直徑可以達(dá)到相應(yīng)水平，確保礦山深部鉆探施工要求。

2 深孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)

在具體進(jìn)行鉆探施工時(shí)，常常遇到十分復(fù)雜而又多樣性的低層，極大的增加了施工難度，延長(zhǎng)施工時(shí)間，成本也不斷加大，所以對(duì)于鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須要充分遵循安全性的原則，首先應(yīng)當(dāng)全面考慮以下幾個(gè)方面。

（1）地層情況。設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)的最重要的目的，是確保過(guò)程當(dāng)中上方孔段穩(wěn)定而又安全，確保鉆探施工順利開(kāi)展，保證鉆探施工和預(yù)期設(shè)計(jì)相符。而地層情況直接影響著孔壁穩(wěn)定性，所以在對(duì)礦山深部地質(zhì)鉆探施工進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，必須要充分的考慮地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，同時(shí)分析地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析巖石物理性質(zhì)，工作全面的參考這些信息資料，之后再開(kāi)展科學(xué)合理的設(shè)計(jì)工作[2]。通過(guò)對(duì)地質(zhì)報(bào)告展開(kāi)全面的分析和研究，針對(duì)一些鉆探施工過(guò)程當(dāng)中具有較高難度系數(shù)，施工過(guò)程當(dāng)中容易發(fā)生遺漏、粘附、坍塌等不良施工地質(zhì)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用套管進(jìn)行隔離，確保施工順利開(kāi)展，保證安全性。特別是地質(zhì)構(gòu)造層、軟巖層、一些松散的地層、覆蓋層等地段，必須要下套管進(jìn)行隔離。如果鉆探施工過(guò)程當(dāng)中上方孔段安全性不高并且存在較大厚度的，便可以下入下層套管，設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)過(guò)程當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)對(duì)級(jí)數(shù)充分明確，有的巖石具有非常大的強(qiáng)度，同時(shí)具有很好的地層狀態(tài)，保護(hù)鉆孔孔壁難度較低時(shí)，則不需要運(yùn)用套管進(jìn)行護(hù)壁，所以所以鉆探施工過(guò)程當(dāng)中，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要全面綜合的考慮。

（2）終孔口徑和孔深。對(duì)于終孔口徑而言，主要是指能夠確保地質(zhì)要求的最小口徑，在對(duì)套管級(jí)數(shù)充分明確的前提下，地質(zhì)條件以及終孔孔徑面對(duì)鉆頭與各級(jí)套管起著決定性的作用，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中[3]。孔深與其有著非常密切的聯(lián)系，鉆孔深度和鉆探狀態(tài)彼此呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)聯(lián)性，鉆孔深度越大鉆探施工過(guò)程當(dāng)中就會(huì)面臨更加復(fù)雜的情況，導(dǎo)致施工過(guò)程具有較長(zhǎng)的耗時(shí)時(shí)間，而且孔壁也很難得到有效保護(hù)，極易發(fā)生損壞，為了避免孔壁穩(wěn)定性出現(xiàn)降低或者發(fā)生異常，影響后續(xù)施工工作的高效開(kāi)展，當(dāng)鉆探到相應(yīng)深度時(shí)，合理的應(yīng)用套管就顯得越發(fā)重要起來(lái)，可以大幅提高隔離作用，保證孔壁安全性。

（3）礦區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)。和地質(zhì)設(shè)計(jì)不同的是，鉆探施工過(guò)程當(dāng)中，巖石工程力學(xué)是決定地層地質(zhì)情況的最主要的要素，這就是指工程力學(xué)的安全性與可靠性，正是受這些因素影響，在設(shè)計(jì)地質(zhì)報(bào)告過(guò)程當(dāng)中，有的預(yù)測(cè)可能不符合鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，面對(duì)這種情況，具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，將對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率起到關(guān)鍵性的影響，如有一個(gè)新的礦區(qū)需要多鉆孔施工，鄭孔，施工過(guò)程當(dāng)中面臨的復(fù)雜程度非常的高，此時(shí)便可對(duì)施工情況充分的進(jìn)行結(jié)合，展開(kāi)全面的分析和研究，有效簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)孔結(jié)構(gòu)，如有的礦區(qū)在鉆探施工過(guò)程當(dāng)中有一個(gè)深度較深的狀況，便可將以往的鉆探施工資料充分分析和研究，對(duì)預(yù)導(dǎo)孔進(jìn)行設(shè)計(jì)[4,5]。

（4）設(shè)備和鉆具水平。為了保證鉆探施工效率和質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理的選擇孔深于終孔孔徑，而且鉆探施工過(guò)程當(dāng)中，口徑越大，越會(huì)使鉆探施工的難度進(jìn)一步增大，同時(shí)會(huì)影響鉆進(jìn)質(zhì)量和深度，對(duì)某個(gè)口徑轉(zhuǎn)進(jìn)深度也會(huì)帶來(lái)不利影響。而應(yīng)用具有較大設(shè)計(jì)深度設(shè)備進(jìn)行鉆探施工時(shí)，會(huì)影響鉆孔的結(jié)構(gòu)比較小。然而就目前來(lái)講，3km深鉆孔機(jī)目前應(yīng)用方面還不是非常的普遍，很多施工單位不具備相應(yīng)的條件。

選擇的鉆具組合與鉆孔結(jié)構(gòu)關(guān)系存在非常緊密的關(guān)聯(lián)性，首先就是鉆桿強(qiáng)度，針對(duì)某些深孔鉆探來(lái)講，倘若終孔直徑設(shè)置的較小，會(huì)造成鉆桿強(qiáng)度很難確保深孔扭距傳送要求，對(duì)其正常應(yīng)用也會(huì)造成不利影響，口徑與鉆桿彼此應(yīng)當(dāng)保證正相關(guān)的關(guān)系，定的鉆桿直徑也應(yīng)當(dāng)小，強(qiáng)度也應(yīng)適當(dāng)降低。和過(guò)去地質(zhì)鉆探類(lèi)似，56mm口徑的鉆探工具應(yīng)用較為普遍。如果鉆孔深度較深，可以應(yīng)用75mm口徑的鉆探，口徑較大的繩索取芯，鉆探應(yīng)用不是非常的普遍。設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真檢查繩索，鉆具應(yīng)用的規(guī)格，如某孔徑鉆探施工可以通過(guò)繩索取芯鉆探進(jìn)行施工便能大幅提高鉆探深度，還能使提鉆取心工作量大幅減少。

（5）鉆桿直徑和套管內(nèi)外直徑的配合。由于鉆頭、套管在地質(zhì)巖心鉆探施工過(guò)程當(dāng)中，存在很小的配合間隙，而且目前廠家生產(chǎn)這些鉆頭過(guò)程當(dāng)中，缺少比較統(tǒng)一而又明確的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用的管材壁厚、管徑的外徑都有一定差異性存在，在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中考慮鉆頭套管，然而卻不能通過(guò)，所以對(duì)設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)造成了很大的影響。

（6）要保留下方施工。在深孔鉆探施工過(guò)程當(dāng)中，多數(shù)問(wèn)題沒(méi)有得到充分的分析和預(yù)測(cè)，有的時(shí)候需要調(diào)節(jié)鉆孔深度，根據(jù)終孔直徑大小，來(lái)對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)孔徑科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，倘若有這些問(wèn)題發(fā)生時(shí)，必須要及時(shí)的進(jìn)行應(yīng)對(duì)，為了使下方施工得到充分保留，可以將一些一級(jí)套管結(jié)構(gòu)增加啟動(dòng)，運(yùn)用較大一級(jí)的口徑完成終孔，還可以使成本大幅降低，避免發(fā)生浪費(fèi)情況。

（7）與孔內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試儀器配合。深孔鉆探施工過(guò)程當(dāng)中，孔內(nèi)試驗(yàn)機(jī)會(huì)非常多，所以應(yīng)當(dāng)詳細(xì)的分析測(cè)試儀器外徑以及選取的測(cè)試要求，如果觀測(cè)儀器能夠長(zhǎng)期的進(jìn)行觀測(cè)，還應(yīng)當(dāng)對(duì)儀器在孔內(nèi)的安裝情況充分的考慮和分析。

（8）鉆探技術(shù)的方法和開(kāi)展?？茖W(xué)合理的安排和利用套管，對(duì)于鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)揮著非常重要的作用，然而在實(shí)際施工過(guò)程當(dāng)中，不可以對(duì)套管兒完全的依賴(lài)，如果過(guò)分依賴(lài)，還可以引發(fā)鉆孔結(jié)構(gòu)更加的復(fù)雜化。所以必須要充分考慮地層條件，對(duì)于相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策科學(xué)制定，如有的區(qū)域不適宜應(yīng)用繩索取芯鉆探，就必須要充分考慮下選擇其他的鉆進(jìn)對(duì)策。面對(duì)漏失地層，便可應(yīng)用套管隔離、水泥封孔、惰性材料堵漏等進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)施工方法

（1）按設(shè)計(jì)施工法。這一方法應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)充分了解地形特點(diǎn)，有的礦區(qū)工作人員經(jīng)驗(yàn)比較充分，進(jìn)行地質(zhì)預(yù)測(cè)和具體情況差異性不大，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)過(guò)程當(dāng)中，也可以作為重要的參考，這種施工方法應(yīng)用也更加的廣泛，可以對(duì)鉆孔的信息資料全面的進(jìn)行收集，保證鉆孔施工達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量。

（2）探索施工法。在難以對(duì)底層復(fù)雜情況充分預(yù)測(cè)的時(shí)候，便可選擇探索施工法進(jìn)行鉆探，首先完成取心工作，然后結(jié)合復(fù)雜的地形情況進(jìn)行擴(kuò)孔，科學(xué)合理的調(diào)整孔內(nèi)結(jié)構(gòu)，和模糊認(rèn)識(shí)下層地層，大口徑取心效率，以及相同級(jí)別口徑效率有著非常大的差異性，倘若下級(jí)鉆進(jìn)遭遇問(wèn)題之后，則具體情況必須要對(duì)以上一級(jí)口徑套管開(kāi)展擴(kuò)孔工作，鉆進(jìn)到復(fù)雜孔段的底板，然后將套管下入其中。

（3）充分施工法。施施工過(guò)程當(dāng)中如果設(shè)備具有較高的能力，便可選擇大口徑方法向下進(jìn)行鉆進(jìn)，該方法稱(chēng)之為充分施工法，有的施工區(qū)便可以充分考慮地質(zhì)情況的前提下，將其作為設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)的重要參考。保證下部施工換徑空間非常充分，通過(guò)大口徑鉆進(jìn)應(yīng)用，提高鉆探深度達(dá)到終孔。