矿山水文地质工程钻探关键技术研究

任少鹏

（山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250000）

1 矿山水文地质工程钻探关键技术

针对矿山地下水层发育特征，对矿山水文地质工程钻探施工对钻探设备的需求进行了分析，提出钻探设备优选方法，并且对钻孔大小、钻孔间距等钻探施工参数进行设计；然后针对矿山地下水含水层、隔水层等地质结构特征，对含水层压力进行预测，为后续的泥浆技术开展提供数据依据；最后针对矿山水文地质工程钻探技术实施过程中可能会出现的事故进行预防，并对其进行科学处理，以此完成此次矿山水文地质工程钻探关键技术的研究。

1.1 钻探施工设计与设备优选

钻探施工设计与设备优选是钻探施工的基础，要实现矿山水文地质工程科学钻探，首先必须要对钻孔、钻具、钻孔间距等钻探施工参数进行合理设计，对提高钻探效率、减少钻探施工事故率具有重要作用，所以钻探施工设计和设备优选是钻探关键技术的首要内容。

在对钻探施工设计时必须要结合工程水文地质资料，在保证钻探施工条件合理的前提下，通过对钻孔结构、钻柱结构、泥浆体系、钻孔方法、钻探设备优选、钻探参数设定等设计，实现对钻探施工效率、施工质量以及施工成本的有效控制[1]。工程的水文地质因素对钻探施工设计具有重要影响，具有影响因素如下图1所示。

矿山地层结构是钻探施工设计的主要考虑因素，地层结构因素可以为钻探施工设计提供待钻进区域的水文地质岩性单元的构造和分布特征[2]。由于工程的地层岩性特征会影响到钻探施工的取心率和钻孔作业，其中包括工程地层的岩石种类、岩石硬度、轴向压力等，所以在钻探施工设计中要综合掌握工程地层结构，为钻孔设计和钻孔操作提供指导依据。

图1 钻孔设计地质因素

其次钻探施工设计时要重点考虑工程水文地质的岩石力学因素。钻探施工过程中由于会对原有地下岩石结构造成破坏，会产生人工应力干预下的岩石力学特征，这种岩石力学特征会对钻孔工艺产生影响，其岩石硬度和轴向应力直接关系到钻孔速度和质量。

工程地下水构造因素包括含水层、隔水层、顶板等，破碎性和溶解性的地下水构造会影响到钻孔稳定性以及孔内清洁度，所以在对钻孔轨迹设计时要以其作为依据；含水层岩性特征包括岩床分布特征、岩层序列特征以及岩石裂隙特征等，这些特诊主要关系到钻孔深度设计以及钻具的挑选；工程的岩石纹理、岩石种类、颗粒大小以及岩石密度等岩体构造特征会影响到钻速，在对钻速施工参数设计是要重点以其为依据。矿山水文地质工程钻探施工中不涉及到矿物成分、地质构造以及地质风化等因素，所以在此不对其进行过多说明。在对钻探施工设计要充分考虑到以上提出的水文地质特征，以此保证施工设计的科学性和合理性。

钻探设备选择是否合理将直接关系到钻探施工效率和质量。钻探设备主要是指钻机，在对钻探设备选择时要结合钻孔设计深度、钻孔倾角以及工程的岩石条件等，其中孔深设计深度是钻机选择的主要依据，通常情况下钻机的钻孔能力要大于原本设计的孔深，当针对矿山水文地质工程这种特殊钻进条件时，要根据选择系数对钻机合理选择，其选择系数计算公式如下所示：

公式（1）中，L表示选择系数；H为钻探施工设计中孔深；N为钻机能力。选择系数取值0.5～1.2之间，当工程水文地质结构复杂时，选择系数尽量大一些，取值应接近1.2；当工程水文地质结构比较稳定时，选择系数应小一些。根据矿山水文地质结构的复杂程度来确定选择系数，得出钻机能力要求，以此作为依据选取合理的钻机。

1.2 地层压力预测技术

根据钻探过程中会发生不同程度的事故，可以将矿山水文地质分类，其分类图如下图所示。

图2 矿山水文地质分类

地层压力变化会影响到孔内情况复杂化，所以地层压力预测技术是矿山水文地质工程钻探施工安全、高效完孔的关键技术，通过精准地预测矿山地层压力有助于钻探过程中保持孔内压力平衡。地层压力预测方法有很多，其中包括仪器探测法、现场水压探测法、超声探测法以及密度调整法等，根据矿山水文地质工程钻探需求，采用密度调整法作为合适，该方式操作简单、预测精准，具体预测过程如下：将泵以2L/s左右排量进行启动，向钻孔内注入泥浆，在该过程中要记录不同时间的孔内压力以及泵量，以此为依据计算出地层压力，其计算公式如下所示：

公式（2）中，ρm为泥浆密度，单位为g/cm³；H为预测层孔深，单位为m；Pt为孔内遗失压力，单位为kPa。通过公式（2）计算出工程地层压力。

1.3 孔内事故预防与处理技术

由于钻探过程中会对原本地质结构造成破坏，容易发生孔内事故，所以孔内事故预防与处理技术也是钻探关键技术之一，在钻探施工过程中通过采取合理预防措施，可以有效降低孔内事故发生几率，避免钻孔报废发生，从而减小钻探施工经济损失。在以往钻探施工经验中，卡钻是发生几率最高，处理难度做大的孔内事故，该事故发生的原因主要是沉砂卡钻、坍塌卡钻、缩径卡钻等，对于该事故的预防及处理主要依据卡钻位置，其计算公式如下：

公式（3）中，H为钻柱最上一个卡点的深度；L为未被卡住部分连续上提时的平均伸长；P为钻具未被卡部分连续上提的平均拉力；k为计算系数，k取值与绳索取心管的规格、材质、力学性能息息相关，绳索取心管规格及其相应的K值取值参见下表。

表1 绳索取心管规格及K值

以此事先计算出孔内卡钻事故将会发生的具体位置，进而采取相应的处理措施。如果在钻探过程中出现卡钻事故，需要对司钻规定的吨位范围进行上提、下放、转动活动钻具等，设法建立循环，以此解决卡钻问题，保证钻探施工安全稳定进行。

2 结语

此次针对矿山水文地质工程钻探施工需求，开展钻探关键技术研究，充分结合了国内外先进钻探经验，从钻探施工设计与设备优选、地层压力预测、泥浆技术、孔内事故预防与处理技术等方面开展具体研究，此次研究成果对矿山水文地质工程钻探施工方面具有一定的指导作用。