深孔超深孔岩心钻探的若干问题

摘要:本文主要围绕着深孔超深孔岩心的钻探工作展开了分析，具体分析了深孔超深孔岩心钻探工作的几个比较重要的问题，探讨了深孔超深孔岩心钻探工作的关键环节，希望可以为深孔超深孔岩心钻探工作提供借鉴。

关键词:深孔；超深孔岩心；钻探

中图分类号：TG523文献标识码： A

一、前言

深孔超深孔岩心钻探工作具有一定的难度和危险性，所以，在深孔超深孔岩心钻探工作实施之前，如果不能够准确的分析其中的问题，就难以提高深孔超深孔岩心钻探的效果。

二、深孔超深孔岩心钻探的关键问题

1、深孔、超深孔的基本派念及界限划分

正确科学的确定各类钻孔的深度界线对实现科学管理和科学打钻是十分重要的。对钻探设备的研制、选型、配套以及对工艺方法的选择,钻孔结构的设计和冲洗液类型的确定等都是必不可少的。以往人们把1000米左右的钻孔称为深孔,1500米以上的钻孔称为超深孔。这种分类方法显然是极其粗糙和简单的。

它只是简单的从主观技术条件的角度,对钻孔的深与浅做了相对的非常粗略的划分。而未对客观存在的地下岩层,由于埋深条件的变化其表现出的机械物理性质也随之变化的特性进行充分考虑。而这一点恰恰对深孔和超深孔钻进是有重大影响的。

科学实验和生产实践已经证明,同一岩石,在不同的埋深条件下,所表现出的机械物理性质是大不相同的。这是外国学者景汉和哈格尔的试验结果。它说明了各种沉积岩强度与埋深的变化关系。除盐岩外,几乎所有岩石,在200米以内,甚至有些岩石在深度再大一些时,强度都与深度成正比例变化。岩石的强度,除与埋深有密切关系外,还与孔隙度有密切关系。孔隙度的变化是多种岩石在所谓脆性破坏区内所表现的一般规律。当埋深继续加大时,即由脆性破坏区过渡到过渡区。

2、孔壁稳定性

在钻探工程中普遍存在的问题就是孔壁稳定，其包含中基本类型：孔壁坍塌或者缩径、地层压裂或者破裂。由于没有合理的掌握井壁的稳定情况很容易造成井喷、井漏、固井不返水泥浆以及粘弹性地层变形等诸多孔内问题。在深孔岩心的钻探过程中，人们一定要对孔壁稳定性多加关注，从而减少经济损失。能够引起孔壁失去稳定性的因素主要有地质因素和工程因素两个方面。地质因素主要包括：原地应力的大小、地质构造类型以及地层强度等组多因素。而钻井液的性能、孔径的大小、钻井液的环空返速等等构成了工程的主要因素。孔壁岩石所承受的应力超出了他在孔眼状态下所能承受的强度，这是发生孔壁失效的根本原因。在孔内钻井液压力过低的状态下，孔壁周围的岩石所承受的力量超过了其所能承受岩石的剪切强度，则孔壁的岩石便会发生不同程度的破坏；当孔内钻井液密度过大时，岩石所承受的力超过了本身的拉伸力度，从而发生了地层的破裂。

3、关于钻探设备

（一）使用什么样的钻机

我国1500ｍ～2000ｍ左右的地质岩心钻探多采用ＸＹ-5、ＸＹ-6或ＸＹ-8型立轴式钻机,近年来有一批进口的以及国产的深孔全液压钻机出现在市场,如长年的ＬＦ-70、ＬＦ-90、ＬＦ-230、阿特拉斯的ＣＳ1000Ｐ6Ｌ、国产的ＹＤＸ-3、ＹＤＸ-1800、ＨＹＤＸ系列、ＸＤ-5、ＸＤ-6等。对于立轴式钻机与全液压动力头钻机的优劣对比,已经有很多争论了,这里仅就深孔钻机使用桅杆式动力头钻机起下钻问题提出一些建议。桅杆式全液压动力头钻机以其对绳索取心工艺适应性强、操作轻便、效率高等优点被广大用户所接受。但是它的缺点是由于桅杆长度限制,提升钻柱时立根仅3ｍ～4.5ｍ,加长的桅杆最大也仅有6ｍ,如果设计到9ｍ,操作将十分不便;此外升降钻具时,立根的摆放困难,多数情况是放倒到地面上,费时费力,不然就需要搭建钻杆架。这种操作方法对于1000ｍ以内的钻孔还能接受,对于1500ｍ、2000ｍ甚至更深的钻孔则令人无法接受。以6ｍ长立根计算,2000ｍ钻孔需要333个立根,3000ｍ钻孔需要500个立根,对于桅杆式钻机这么多立根很难用钻杆架来摆放。如使用钻塔提升,以18ｍ长立根计算,2000ｍ钻孔只用111个立根,3000ｍ钻孔需要166个立根。假设纯起下钻柱的时间完全相同,仅对比拧卸钻柱的时间差。按每拧卸一个立根桅杆式钻机平均用时30秒(含摆放钻杆时间)、使用钻塔的钻机用时20ｓ、平均回次进尺长度均按4ｍ、平均提钻间隔均按20ｍ计算,仅此一项桅杆式钻机2000ｍ和3000ｍ钻孔多费时分别是224ｈ和503ｈ,如果是提钻取心则分别多费时1114和2503ｈ。

因此,笔者建议深孔全液压钻机应尽量配备钻塔提升,解决立根长度短和钻杆扶移摆放难这两大问题。可喜的是这一思路已被有识之士采纳,这种有塔提升的桅杆式全液压钻机已经研制成功,正在试验性生产中。

关于深度超过3000ｍ的钻孔,一般来说多用于科学钻探或深部资源的远景勘查,钻孔的终孔口径要求比较大,以便于进行更多的测井工作。这类钻孔采用单纯放大的立轴式钻机和桅杆式全液压钻机并不合适,笔者建议采用加装高速顶驱的转盘式钻机配Ｋ型钻塔(井架)是理想的形式。

（二）使用什么样的钻塔

无论是立轴式钻机还是桅杆动力头全液压钻机施工斜孔都是可以的,尤其是后者对于斜孔的适应性远远好于前者。然而笔者也看到有些地方设计的2000ｍ深的钻孔竟然是斜孔,令人大惑不解。众所周知,地质勘探孔由于钻孔直径小,钻杆比较细,多数地层是变质岩或火成岩,不像油气钻井钻遇的多是似水平状的沉积地层,因此钻孔自然弯曲比较大,特别是在一些造斜地层,钻孔自然弯曲会十分惊人,历史上曾有过山上钻孔从山脚下钻出来的先例。有时孔斜会有一些规律,人们利用这些规律还设计了初级定向孔。但是对于大深度钻孔从开孔就预设顶角和方位角,到终孔时早已无法保持这样的角度,即便是初级定向孔也无法保证钻孔轨迹的走向。反而是斜孔施工给钻塔选择和起下钻带来很大困难。

三、我国深孔超深孔岩心钻探的发展情况

1、钻探技术仍然是唯一能从地下取出实物岩矿样品的勘查技术方法。随着现代钻探技术的发展，岩心钻机已发展到全液压动力头钻机以及自动化、智能化地质岩心钻机。孔底动力钻具(潜孔锤、螺杆钻、涡轮钻、孔底电钻等)也从发明到发展，至今已具有一定水平。钻探技术发展到人造金刚石及人造复合超硬材料钻探时代。

2、国内固体矿产勘探岩心钻机主要是液压立轴式钻机，钻探深度一般在1500m以内，配套工艺方法以普通回转提钻取心为主。新一代全液压动力头式钻机研制工作已全面启动并取得初步成功。绳索取心钻进、液动冲击回转钻进、定向钻进、多工艺组合钻进以及复杂地层中深孔岩心钻探技术研究取得新进展。

3、钻探技术在我国资源勘探、国家重大科学工程、地质灾害监测预警及治理中做出过重要贡献而且还将发挥更重要的作用。

四、岩心钻探的安全问题

1、建立完善安全生产责任制

机场建立自机长到班员的安全生产责任制，明确机场所有人员的职责，使其在生产过程中自觉遵守安全操作规程，同时，也有利于事故发生后的责任追究。

2、加强安全技术教育培训

当前钻探施工工人的安全操作水平比以往有所降低，主要原因是老钻工退休或年龄大不能从事野外钻探作业，近年钻探技校又没有招生或技校学生进入地勘单位门槛高，呈现钻探技断档，而从事该项工作的大部分是未经专业培训的农民工、季节工等，工人安全技术水平令人担忧，故在安全管理中，必须严格把好新上岗工人安全教育这个关口。

3、控制好钻探施工全过程各个危险因素

由于钻探施工的复杂性，危险因素存在钻探的各个过程，因此，从钻探钻孔设计、施工组织、搬迁一直到封孔拆塔全过程，作业人员都必须严格遵守安全操作规程，在钻孔开孔时作安全验收，定期对照安全检查表作安全检查，遇特殊天气停工后复工时和孔内事故处理前后也应作安全检查，对查出的隐患及时整改，做到不放过作业场所任何一个隐患，为钻探作业人员创造一个安全的工作环境。

五、结束语

综上所述，深孔超深孔岩心钻探工作的开展一定要事先进行施工计划的拟定，按照科学可行的施工计划展开钻探工作，才能够确保钻探工作的有效性，提高钻探的效果。

参考文献:

[1]孙建华,周红军,王汉宝,梁元濂.深孔岩心钻探装备配置应用技术趋势分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2011,05:1-7.

[2]张培丰.深孔岩心钻探问题探讨[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2011,08:6-11.

[3]陈兴源,于向前.深孔岩心钻探问题探讨[J].科技创新导报,2012,25:119.

[4]吴棣华.关于深孔岩心钻探的若干情况和看法[J].地质与勘探,2010,02:59-63.