钻探工程中的复杂地层钻进技术分析

浦静怡，段立强，马少华

（1.陕西省煤田地质集团有限公司，陕西 西安 710000；2.陕西省一八六煤田地质有限公司，陕西 西安 710000）

为了满足水文、矿产等诸多方面的需求，地质钻探已然成为一门炙手可热的重要行业。但在实际钻探生产过程中，总会因为复杂地层而引发各种孔内事故。不仅影响钻探工程进度，还影响了矿芯采取率。因此，本文主要从复杂地层的成因入手，深入分析钻进技术的应用策略，并对措施成果进行小结，以供参考。

1 技术概述

由于煤矿的开采环境恶劣，在开采过程中若出现问题极易造成生命财产等方面的损失。因此在煤矿开工之前，先针对实际地质条件进行研究对应的开采工作。在进行地质勘测期间，可以导入定向钻进技术来提升煤矿开采的工作效率，同时确保生产人员的人身安全。

不同于其他井下地质勘探技术，定向钻进技术能通过人工操作，改变钻头的钻进轨迹或相关的空间位置。进行实地探测时，应将探头放在深井区域，调整钻头参数及孔深，然后根据钻进设备的钻孔轨迹，能够精准地计算出孔垂周边的位移参数。进一步优化钻进探头数据，得出钻孔前方煤层的地质条件。通过对钻孔设备的运行轨迹，能有效查明勘测点连同其周边的地层变化等相关信息。以此确保煤矿生产顺利进行。

2 应用钻进技术过程遇到的问题及其原因分析

2.1 各种复杂地层及形成主要原因

2.1.1 地层本身的矿物岩石组成造成的复杂地层

由于地层本身存在着储油、气、水的封闭型的背斜构造，或者逆掩断层封闭构造，会给钻探施工带来极大的工作难度。一旦出现问题将会出现井喷等一系列不良后果。

2.1.2 风化作用下形成的复杂地层

松散的孔隙地层（如流砂层、砂砾石层等）或者风化裂隙发育地层，钻探过程中遇到这种类型的地层，很容易出现孔壁垮塌、超孔超径、涌砂等状况。

2.1.3 流水作用形成的复杂地层

一些诸如盐岩、钾盐等水溶性地层或各种泥岩、粘土胶结等水敏性地层，若出现在钻探作业过程中，若得不到及时处理，很容易出现孔壁表面剥落、膨胀缩径、钻头泥包、钻孔超径等复杂情况。

2.1.4 地质运动导致的复杂地层

岩层在形成过程中在不同地质运动（若挤压、沉积、溶蚀等）的作用下，形成像碎石带、松散层等复杂情况。钻进工程中若遇到构造裂隙或成岩裂隙等因素形成的断层、节理发育地层，就会导致井壁掉块、坍塌、漏水等情况。

2.1.5 溶蚀作用导致的复杂地层

钻进过程中若遇到石膏、石灰岩等溶洞发育地层，将会出现矿井漏水、涌水甚至坍塌等情况。

2.1.6 岩性自身导致的复杂地层

由于岩浆活动或放射性矿物相关的地层，都属于高温地层，当地热井或超深井遇到这类地层时，泥浆处理剂将会失效，导致地层不稳定，带来的危害也是可想而知的。因此，在钻进施工过程中，若不能及时处理很容易出现掉钻、埋钻等情况。

2.2 钻进工艺缺陷

一般情况下，以往的矿区采用过普双金刚石钻进、S75金刚石绳索取芯钻进以及093毫米普双金刚石钻进等多种技术工艺，均未能很好地解决护壁堵漏、糊钻、严重堵水或岩矿芯采取率低等问题。而且还存在着钻头/扩孔器消耗量大、无法钻进等问题。因此必须导入先进的钻探技术，才能弥补普通钻进工艺的种种缺陷，确保煤矿安全生产的同时，节约成本。

3 钻探工程在复杂地层中钻进技术的对策探讨

根据各类型形成原因，结合相关理论研究与实践经验，提出以下建议。

3.1 矿物岩石、风化与流水作用导致的地层的钻进技术对策

在实地钻探过程中，首先应明确勘测点位，根据相关的电法仪器能准确探测出位置异常的地质条件，然后设置好钻孔的具体方位，钻进设备工作期间，施工人员应时刻关注返渣岩性的相关变化，充分了解当前位置是否存在异常情况。由于钻孔局部范围内的构造情况不容易被掌握，导致地面钻孔种种受限。利用定向钻孔技术能超前探测所要开采的地质条件。在实地钻探过程中，可以根据开采要求设定合理的分支钻孔，然后依照分支钻孔获取的相关数据，能有效算出煤层厚度，提高煤矿开采效率。

对一些复杂（如矿物岩、风化、流水等）地层进行钻进施工时，为避免孔壁断裂、掉块等问题，可以在下钻时必须严格把控对应的点位及钻速。使用粘度大的冲洗液将孔壁破碎的岩石进行有效连接，可以有效防止孔壁坍塌。在钻入盐度高的地层，应使用高盐度钻进泥浆，能有效防止地层盐岩被溶蚀导致的孔径增大。

钻探破碎程度较大的地层时，可以采用有堵塞功能的物质注入地层，使松散、破碎的岩石固结在一起，以此确保钻孔表面岩石稳定。等岩石强度达标时再进行钻进作业。

3.2 地质运动导致的复杂地层的钻进技术对策

由于构造碎裂岩等类的复杂地层，通常处于应力相对平衡状态。在进行钻进作业时，很容易打破岩层固有的平衡状态，经过相关冲洗液的冲蚀作用，很容易导致掉钻情况，而且断泥层中的黏土矿物，因为吸水膨胀极易导致卡钻或缩径。

在开孔钻进作业之前，应准备好相关的套管、钻头、拧卸工具以及相关报表等。全面检查钻探设备及其安装质量，对不合理之处应及时调整或重装，不得凑合。力求钻探工作能够有序进行。

在执行深孔钻进作业时，可以在孔口处挖坑将定向管埋入，等到钻进基岩之后再下入套管。对于一些浅孔的施工来说，则可以采用泥浆保护孔壁，若出现严重坍塌情况，则应使用人工造壁的方式钻入基岩，然后下入套管。

为了防止钻孔弯曲，换径时可采用综合式导向钻具。由于钻进时，冲洗液容易漏失，导致孔壁不够稳定，应做好埋钻、糊钻等方面事故的防治工作。在下套管之前，应封闭套管底部，用木楔固定好套管上端，用粘土或水泥进行封闭。在固定套管之前，将用来检验套管是否端正的主动钻杆与套管连接，必须确保套管在完整的基岩上，才能按要求完成钻探工程的所有工作。

3.3 溶蚀作用导致的复杂地层的钻进技术对策

由于溶蚀性地层存在各种裂隙，冲洗液也会随着裂隙渗透地层，导致钻进作业期间泥浆大量流失，不产生返浆情况。因此，为了提升施工效率，选择合适的钻孔结构很重要。毕竟钻孔深度以及终孔结构直接影响施工质量，在实地钻探过程中，应不断改进钻孔技术，优化钻孔结构。可以采用套管钻代替传统的钻杆，可以在不起钻的情况下，直接取出钻具组和的钻进方法。这种套管钻进技术，能有效降低劳动强度、节省起钻或下钻的时间，在钻孔作业完成后，可以取出对应的钻孔设备，放入PVC-U筛管，能有效避免塌孔等事故，有利于瓦斯抽采效率的提高。

除了一些硬岩地区之外，还可以采用定向钻孔技术。由于定向钻孔能保证钻孔在既定层位中得到合理延伸，一定程度上增加了瓦斯的抽采范围，而且定向钻孔技术还可以一孔多用。因此利用井下定向钻孔技术，能有效拓展抽采面积、提高单孔抽采量。虽然井下定向钻孔技术能有效解决瓦斯的各种抽放问题，但在钻进工艺以及相关设备等方面仍存在这样或那样的问题，只有不断改良相关的生产技术，才能确保瓦斯能被安全、高效的利用。

4 措施运用成果

套管隔离法主要用于钻孔坍塌、超径等其他方法无法控制的情况，值得注意的是套管下端必须封闭止水。遇到地层漏失、掉块等复杂问题时，可以利用水泥外加剂调整其性能，缩短凝结时间达到护壁堵漏的目的。使用水泥护壁时应充分考虑施工条件、灌注方式以及外加剂的选用等。而且护壁堵漏还可以采用沥青材料或其他化学浆液（如木铵浆液、丙凝浆液等）。由于水玻璃是可溶于水的注浆材料，具有价格低、货源广等方面优势。所以将其混入水泥，能使水泥快速硬化，达到很好的堵水、防漏效果。此外，在钻探工程中还可以采用控制液柱压力的方法，调整泥浆密度。当地层出现漏失、涌水等情况时，可以利用充气泡沫泥浆进行低压漏失地层钻井，在平衡地层压力的同时，有效同时钻进设备的工作效率。

5 结语

总之，钻探工程应以钻孔质量与安全为前提，根据岩石性质、水文条件钻孔深度等方面因素，综合考虑并选取最佳钻进结构及对应的钻具配置。按照一定直径与深度在地层中制造符合要求的钻孔，与此同时，不断研发、使用新型钻进技术，解决各种地层施工可能出现的问题，确保钻孔施工的全部工作都能顺利、高效地完成。