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

隨著我國社會主義的不斷向前發(fā)展，我國愈來愈重視各種技術(shù)領(lǐng)域的突破，力爭在許多重要技術(shù)領(lǐng)域走在世界前列，擺脫我國自主技術(shù)能力水平低的帽子。鉆探技術(shù)作為礦產(chǎn)能源開發(fā)、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和高層建筑建設(shè)過程中必不可少的重環(huán)節(jié)，其發(fā)展水平直接關(guān)系我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)能否正常快速前行。當(dāng)前，在淺層鉆探領(lǐng)域我國的各項技術(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發(fā)建設(shè)，因此，亟需對深孔鉆探技術(shù)進(jìn)行研究，以期能適應(yīng)現(xiàn)代社會的發(fā)展需要。

1 深孔巖心鉆探問題概述

深孔巖心鉆探相對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相關(guān)技術(shù)，力爭深孔巖心鉆探技術(shù)取得新的突破。在深孔巖心鉆探中，設(shè)計鉆探小孔的結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)過程中孔壁的穩(wěn)定是需要重點注意的地方，因為如果對這兩個方面的問題不加以重視，那么在鉆探過程中，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，會出現(xiàn)安全事故。要想避免深層鉆探過程中出現(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程中，孔壁的穩(wěn)定與安全為出發(fā)點，對于深孔巖心鉆探過程中的孔壁穩(wěn)定、鉆探裝備與鉆探過程兩方面探討其中存在的問題并給出對應(yīng)的解決辦法。

2 深孔巖心鉆探存在的問題及對策

2.1 孔壁穩(wěn)定性

2.1.1 存在的問題 在深孔巖心鉆探過程中，孔壁穩(wěn)定性是首先需要考慮的問題，其他方面的技術(shù)均是圍繞這個中心進(jìn)行的。在深孔鉆探中，主要涉及到的孔壁穩(wěn)定問題就是孔壁的坍塌或口徑變化、地層的裂變這兩類問題，這也是所有鉆探過程中存在的普遍性的問題。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，而且由于對相關(guān)情況的掌握程度不夠，導(dǎo)致解決措施也沒有起到有效作用。對于深孔巖心鉆探，孔壁穩(wěn)定問題必須放到首要位置予以考慮，對于鉆探前的預(yù)測工作做充分，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。對于工程方面的問題，下文在鉆探工藝和鉆探實施方面做詳細(xì)的介紹，此處主要介紹地質(zhì)因素對孔壁穩(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?？妆谑Х€(wěn)的實質(zhì)是由于孔眼在特定的狀態(tài)下，其強(qiáng)度無法承受孔壁巖石受到的應(yīng)力。在孔被鉆開后，如果孔內(nèi)鉆井液柱的壓力與孔壁處巖石的剪切強(qiáng)度無法抵抗孔壁圍巖的應(yīng)力，那么孔壁巖石將會發(fā)生破壞，對于脆性的巖石結(jié)構(gòu)，其孔壁將會發(fā)生崩塌；對于塑性的巖石結(jié)構(gòu)，其孔徑將會發(fā)生改變，局部變??；如果孔內(nèi)的鉆井液密度過大，則巖石所受的周向應(yīng)力將超過巖石的拉伸強(qiáng)度而對地層結(jié)構(gòu)構(gòu)成破壞。

2.1.2 相應(yīng)的對策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孔壁穩(wěn)定性帶來的危害，首先需要確定地層孔隙壓力?？紫秹毫Φ拇_定有如下幾類方法：第一，鉆探前預(yù)測。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)系和計算方法，對地層孔隙壓力進(jìn)行計算預(yù)測。這種方法的預(yù)測精度與地震資料的質(zhì)量、當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)分層情況、巖性以及計算模型等相關(guān)。一般有直接計算和等效深度計算兩種計算方法。第二，隨鉆監(jiān)測法。這種方法是依據(jù)鉆探過程中，對測量到的隨鉆信息進(jìn)行實時監(jiān)測，記錄異常壓力值。第三，鉆后測井檢驗法。這種方法是在鉆井過程結(jié)束之后，對測井資料進(jìn)行評估計算，得出地層的孔隙壓力，一般采用的技術(shù)手段是泥頁巖聲波時差法、泥頁巖電阻率（電導(dǎo)率）法、泥頁巖密度法等。第四，實測地層孔隙壓力。利用專用的壓力測量儀器，對地層孔隙壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測量。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，在對小孔進(jìn)行堵住的同時，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重要的因素。地層破裂壓力存在時，孔壁將會發(fā)生裂紋甚至是開口，將會使鉆探失敗。同樣，要想克服地層破裂壓力帶來的破壞，需要對地層破裂情況進(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)力不平衡時將會發(fā)生開裂，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 存在的問題 當(dāng)前，在我國鉆探行業(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)動方式落后和鉆探架高度較低。對于鉆頭驅(qū)動方式，目前主要采用的是立軸式巖心鉆機(jī)以及轉(zhuǎn)盤式石油鉆機(jī)，這兩類鉆機(jī)在實際使用過程中，均存在不同程度的故障率和鉆探缺陷，而我國研發(fā)的液壓動力頭鉆機(jī)發(fā)展十分緩慢，無法滿足我國深孔巖心鉆探的要求。對于鉆探架高度較低的問題，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)的對策 對于我國鉆探裝備無法適應(yīng)深層巖心鉆探的問題，必須引起我國裝備制造業(yè)相關(guān)同行的足夠重視。對于鉆頭的驅(qū)動方式，還是選擇全液壓動力頭鉆機(jī)，對于深層巖心鉆機(jī)，可以采用轉(zhuǎn)盤+高速頂驅(qū)的驅(qū)動方式，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。對與鉆塔高度，在進(jìn)行深層巖心鉆探時應(yīng)選擇塔架高度為45米的，鉆架的地盤高速要高于4米。

2.3 鉆探過程

2.3.1 存在的問題 在深層巖心鉆探中，鉆探過程中存在許多問題。本文受制于篇幅，僅對其中的鉆井液的使用存在的問題進(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。這種方法對鉆井液中的優(yōu)質(zhì)膨潤土和化學(xué)處理劑的含量有減小作用，造成不必要的浪費，而且還可能在鉆井中形成壞死土，影響鉆探工作。

2.3.2 對策 對于鉆探過程中，鉆井液的使用問題，可以采用目前剛開發(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，為我國維護(hù)能源資源安全起到重要作用。

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