探索深孔超深孔岩心钻探的相关问题

武仲国

（河北省地矿局第四地质大队，河北 承德 067000）

深孔超深孔岩心钻探工作本身具有较高的风险和难度，因此，在正式开展此项工作之前，必须全面分析和掌握其相关问题，包括应采用何种加压方式、钻探设备等，与此同时，还必须加强对整个钻探过程安全性的监督和控制，从而确保深孔超深孔岩心钻探工作的顺利有效开展。

1 深孔超深孔岩心钻探的发展现状

钻探技术是唯一一种能从地表之下取出实物岩矿样品的勘查技术手段，伴随我国科研事业的不断推进，现代钻探技术的发展水平也进一步提升，深孔超深孔岩心钻探技术开始在地层深部资源的开发中得到广泛推广和运用。岩心钻机逐渐朝着智能化、自动化的方向发展，如当前在岩心钻探工作中经常用到的全液压动力头钻机。孔底电站、螺旋钻、潜孔锤等也取得了较为显著的发展成果，实践应用效果与以前相比有了很大程度的提升。我国钻探技术的发展已经顺利从人造金刚石阶段步入到人造复合超硬材料钻探时代。

从钻探设备的角度来看，国内固体矿产资源勘探所采用的的岩心钻机通常为液压立轴式钻机，此类钻机能达到的最高钻探深度大约为1500米。新一代全液压动力头式钻机的研发工作当前已经在全国范围内正式启动，而且取得了初步成效。定向钻进、绳索取芯钻进等多工艺组合钻进技术的研究也取得了不少新成果。深孔超深孔岩心钻探技术在我国深部资源勘探、地质灾害监测与治理等方面都扮演着十分重要的角色，随着该技术的进一步改进和完善，其发挥的作用也将越来越显著。

2 深孔超深孔岩心钻探的相关问题

2.1 孔壁稳定分析

孔壁稳定问题主要涉及到钻进过程中孔壁坍塌、地层破裂这两种类型，这是大多数岩心钻探工程在实际开展过程中都可能遇到的典型问题。粘弹性地层变形、井漏、井喷以及脆性地层的坍塌等问题大都是因为没有全面分析井壁的稳定情况，采取的措施不当而引起的。在浅层岩心钻探过程中，孔壁稳定问题一直以来并没有得到应有的重视，例如，某钻探工程项目在施工过程中接连发生3口钻孔的套管事故，其根本原因就在于没有充分了解该施工区域的孔壁失稳规律。对于深孔岩心钻探工作的开展来说，必须高度重视孔壁稳定问题，严格落实好施工前期的预测工作，以免在钻探过程中因各种失误而造成巨大的经济损失。

导致孔壁失稳的原因多种多样，总结起来主要可分为工程和地质这两大方面的因素。工程方面的因素具体涉及到起下钻的波动压力、循环动压力、孔径大小、钻井液成分等；地质方面的因素则主要包括地层岩性、强度、渗透性、孔隙率以及地质构造情况等。所谓孔壁失稳，实际上指的就是孔壁岩石所承受的应力远远高于其在孔眼状态下的整体强度。

一旦孔内钻井液柱压力偏低，孔壁围岩应力明显大于此处岩石的剪切强度时，孔壁岩石就很可能被破坏，若属于塑性岩石，一般会出现缩径现象；若属于脆性岩石，则通常会出现崩落现象。因此，为了控制孔壁失稳问题的发生，就必须提前分析和了解地层孔隙压力、地层应力以及地层破裂压力。

2.2 加压方式分析

在进行深孔超深孔钻探的时候，传统的加压方式并不适用，为了更好地满足施工需求，施工人员应采用钻铤加压的方式。通过钻铤加压，可在一定程度上减缓钻孔的“狗腿”度，确保套管能顺利下放到设计深度。在取芯的时候，悬挂的钻杆在自身重力的作用下而处于受拉状态，而且处于最下部的取芯钻头所承受的拉力为0，地面井眼部位的拉力则最高。在钻机加压钻进的过程中，整个钻杆柱都会受到一定的压力。减压钻井的时候，钻压和下端钻具的重力基本相同，下部钻具处于受压状态。

伴随钻压的不断增大，井筒中钻杆所承受的压力将逐渐增大，再加上钻具在旋转过程中产生的弯曲力矩和离心力，很容易导致钻具在井底出现一定程度的弯曲变形，最终引发孔斜问题。所以，在深孔超深孔岩心钻探的过程中必须根据施工现场的具体情况，采用适当的加压方式，这样才能保证整个取芯工作的顺利开展。与此同时，在进行钻铤设计的时候必须充分考虑到下列几个方面的因素：第一，在确定最大钻铤外径的时候，应当保证在打捞施工时能够套铣。第二，为了使套管顺利进入到地下孔内，至少应确保一柱钻铤具备足够大的外径。第三，钻铤组合的整体刚度必须高于套管的刚度。

2.3 钻探设备分析

（1）固相控制设备。

钻井液中往往含有一些无用固相颗粒，这些颗粒的含量对深孔岩心钻探有着非常直接的影响。若没有采用适当的固相控制设备，则很容易导致钻井液之中的无用固相颗粒含量超过规定标准，最终阻碍取芯工作的顺利高效开展。为了保证钻井液始终保持良好的状态，就必须对其中的无用固相颗粒进行严格控制，避免其超出最大极限值。所以，在实际进行深孔超深孔岩心钻探的时候，应根据井下的实际状况，选择最为适用的离心机、除砂器、振动筛等控制设备，从而使钻井液之中的岩屑等物质得到有效去除，为钻井液性能的充分发挥提供保障。

（2）驱动方式。

现阶段，我国全液压动力头钻机的发展速度相对来说比较缓慢，与国外发达国家相比还存在较大的差距。而且我国自主研发的全液压动力头钻机对深孔超深孔岩心钻探的适应程度偏低，国内绝大多数所谓的全液压动力头钻机都还没有完全达到全液压控制的目标。另外，还有一个值得注意的问题是全液压动力头钻机的起下钻速度，为了使取芯的工作效率得到有效提升，必须在施工过程中尽最大努力缩短下钻所花费的时间。

（3）钻塔高度低。

在进行深孔超深孔岩心钻探的时候，对取芯钻进成本有着直接影响的因素并非钻头使用寿命和设备钻进速度，而是起下钻所需时间以及回次进长度。为了使深孔岩心钻探的整体效率得到提升，就必须加强对起下钻所用时间和回次进长度的控制，而钻塔高度对上述两个因素都有着非常显著的影响。当前，我国国内所采用的的岩心钻机的钻探高度通常为18m～23m，钻塔的有效高度为52m，钻杆长度为9m，每次只能提升2根钻杆。由于钻塔高度偏低，起下钻操作所需花费的时间也比较长，这就在很大程度上增长了取芯时间，造成取芯成本大幅上升。

3 结语

综上所述，深孔超深孔岩心钻探工作具有一定的专业性、复杂性和风险性。为了确保此项工作的开展成效，就必须做好孔壁稳定性分析工作，选择最为适当的加压方式，积极利用现代化的钻探设备。与此同时，还必须加强对整个钻探过程的监督和管理，尽量降低各种人为操作失误，这样才能使深孔超深孔岩心钻探工作质量得到最大限度提升。