淺談鉆孔結構的設計

耿　印

（河北省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，河北承德067001）

淺談鉆孔結構的設計

耿印*

（河北省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，河北承德067001）

就鉆孔的結構定義、設計方法步驟、設計原則、設計時應考慮的各種因素等進行探討，并列舉典型鉆孔（大烏蘇溝礦區ZK2401和ZK2402兩個鉆孔）的結構設計，進行舉例說明。希望能對今后深孔鉆孔結構設計有所幫助。

鉆孔結構；設計方法；地層結構；預留孔徑；典型結構

1　鉆孔結構的定義

鉆孔結構是指，鉆孔由開孔至終孔，孔身剖面中各孔段的深度和口徑的變化情況，它包括：鉆孔的總深；各段鉆孔直徑和深度、井管的直徑、下放深度；灌漿部位所處的孔深位置。一般來說，鉆孔愈深、地層愈復雜的情況，鉆孔換徑次數越多，鉆孔結構越復雜。

我國是鉆探技術的最早的發明國家。道光十五年（1853年）鉆鑿了世界第一口超千米的深孔——燊海井，井深達到1001.42m，這是中國古代鉆井技術成熟的標志，也是世界鉆進史的里程碑，它的重要突破之一是用木套管代替了竹套管，改善了竹套管口徑小的局限性，鉆孔結構由“二徑結構”發展為“多徑結構”。

2　設計鉆孔結構的重要性

首先，鉆孔結構設計就是設計鉆孔的首要環節，它是整個地質鉆探施工的前提和基礎。一個合理的鉆孔結構設計是保障鉆孔順利實施的根本。依據鉆孔結構的設計就可以進行鉆探設備、管材、工具的配套和準備，以及確定技術措施；有了鉆孔結構的設計施工時就有了依據，按部就班地有計劃進行施工；合理的鉆孔結構設計能保障鉆孔順利達到預定孔深，甚至影響到鉆探施工質量和安全，降低鉆探成本，提高鉆探的整體工作效益。

其次，鉆孔結構的設計是鉆進施工所有預算的基礎依據，根據鉆孔結構的設計就可以進行各種財務預算，為領導進行決策提供依據，以便正確決策，提高經濟效率。鉆孔的結構設計越簡單對鉆進的影響越小，人力物力消耗也越少。但由于地層因素以及施工工藝等多種影響，一徑到底的期望我們很難做到。

最后，地質巖芯鉆探勘探深度大多在1000m以內，近年來超過1000m的鉆孔越來越多，我國已經出現一批2000～3000m的孔深，正向4000～5000m孔深發展。礦產資源是不可再生的，資源需求量愈來愈大，地表資源已接近枯竭，資源勘查的鉆孔也愈來愈深。鉆孔越深鉆孔結構設計愈顯重要。當我們接到一項深孔施工任務時如何設計施工方案，怎樣確定鉆孔結構？

3　鉆孔結構設計的方法和必須考慮的因素

從理論上講鉆孔的結構設計是一龐雜的過程，非常困難，因為設計涉及很多因素，而且有許多地層因素不確定，必須依靠經驗，綜合分析和準確推斷，因為探礦的本身就是科學探索的過程。

3.1依據鉆孔施工用途目的以及施工要求確定終孔孔徑

每個鉆孔施工用途目的以及施工要求不同，鉆孔的終孔口徑也不同。固體巖芯鉆探鉆孔一般比較小，終孔口徑為?53mm～?95mm，開孔孔徑一般在?150mm以下，礦區坑道鉆探的孔深口徑比地表鉆探更淺更小；石油鉆探鉆孔口徑較大，標準的終孔口徑為?216mm，開口口徑則取決于地層的復雜程度，一般在?311mm～?445mm，甚至達到?712mm；科學鉆探終孔口徑在?150mm～?216mm，開口口徑?500mm～?700mm；地熱水井勘查終孔口徑一般在?100mm～?216mm，甚至更大。

一般來講當我們承接到一個鉆探任務的時候，終孔口徑和施工目的要求是明確的。為確保滿足終孔口徑和施工目的，設計鉆孔結構時應在終孔直徑允許范圍內預留一種孔徑。

3.2了解地層結構狀況確定鉆孔可能穿過的地層參數

地層的地質狀況、巖石的物理力學化學性質，包括地層的地質年代、可鉆性級別、研磨性級別、裂隙級別、穩定性和水敏性以及地層復雜狀況。這些因素都必須了解清楚，做到心中有數，它是設計鉆孔結構的前提和基礎。當鉆孔在含礫石、卵石和漂礫的砂質粘土質等巖土中施工時，孔壁可能坍塌；在水敏性地層中鉆孔可能縮徑；在流砂層中必須加固孔壁；如果用泥漿或專門配置的處理劑護壁無效的話，則必須用套管來隔離不穩定的孔壁。根據這些可能碰到情況進而確定可能需下套管的級數和深度。

3.3確定鉆進方法、鉆探設備參數

根據鉆孔設計的孔深和鉆孔的方位、頂角方向的施工要求；在該鉆孔中擬采用的鉆進方法，鉆探設備的技術參數和孔內測量儀器的外徑尺寸；確定了的鉆孔可能穿過的地層參數；考慮單位的設備實際施工能力情況，選擇鉆進工藝方法，確定鉆具的級配關系。根據地層剖面找出需要加固的危險孔段，再設計對應孔段下入套管的直徑和深度。綜合分析，反復研討，最終確定鉆孔的設計結構。

另外，確定鉆具的級配關系。鉆具級配它反映了孔壁間隙的大小，影響到鉆桿的工作狀態、沖洗液的流動、鉆具回轉阻力的大小，也影響最終孔徑。對于深孔小口徑金剛石鉆進尤顯突出。

4　鉆孔結構設計原則

（1）采用自下而上逐段確定各層套管的深度和孔徑的原則，設計鉆孔結構，即最先確定所需的終孔孔徑及深度→最后一層套管孔徑及深度→……→孔口管孔徑及深度。

（2）往往鉆孔結構越復雜，孔內事故隱患也會越多。為了降低生產成本，應盡量簡化鉆孔結構，減少套管所下的層數。因為每下一層套管鉆孔便縮小一級口徑，套管柱的上下端固定密封、保持鉆孔軸心方向等方面都會出現一系列技術問題。但有下列情況之一者必須下套管：孔口管必下，以保護孔口處松散的巖土層不被沖刷而坍塌，孔口管的另一個重要作用是導正鉆孔方向；鉆遇很難用泥漿護壁方法解決的不穩定地層時，采用水泥護壁無效的情況下必下套管；需要隔離漏水層或涌水層時必下套管；處理孔內事故需要縮小一級孔徑，而上面地層存有坍塌塊、縮徑危險時，需要下套管護壁。

（3）在設計鉆孔結構時（尤其在新區）通常要留一級備用口徑，萬一出現無法處理的孔內復雜情況，還可以補下一層套管，以保證工程結束時能達到終孔直徑的設計要求。

（4）在施工時某一層套管下完后，開始鉆進又出現漏失、涌水、坍塌掉塊或縮徑等現象時，盡可能采用調整泥漿性能或水泥灌注的方法處理，穿過事故地層段后，擴孔重下該層套管，切不可輕易改變鉆孔設計，再下一層新套管。

5　鉆孔結構的設計應用舉例

承德大烏蘇溝礦區是河北省自2006年開展深部找礦以來，最先發現的超大型釩鈦磁鐵礦。它拉開河北省深部找礦的序幕，先后施工30個深孔，總工作量達到47379.81m，對于研究深部找礦理論和方法具有重要意義。

5.1該礦區的地層狀況及構造

區域內出露地層有新太古界單塔子群、中生界地層及第四系。

新太古界為單塔子群，由老至新劃分為燕窩鋪組（Ary）、白廟子組（Arb）、鳳凰咀組（Arf）及太平莊組（Art）（因篇幅有限，逐層敘述略）。

本區中生界主要分布在朝梁溝、孤山及后中關等盆地中，分別不整合于太古界變質花崗巖、變質閃長巖及基性、超基性巖之上。

區內第四系分布于山澗洼地、山麓邊緣緩坡及河床溝谷之中。

區域構造以東西向深斷裂為骨架，疊加燕山期北東向為主的斷裂構造。區域構造從北到南有豐寧—隆化、紅石砬—大廟、尚義—平泉3條深斷裂，呈近平行展布。深斷裂之間發育有燕山期—北北東、北西向次級斷裂構造，切割成許多大小不等的斷塊，構成了隆起與凹陷相間的格局。

區內巖漿巖活動強烈，自太古代至中生代各個地質時期均有不同特征的火山—巖漿侵入活動，形成了不同類型的巖漿巖。主要與釩鈦磁鐵礦有關的巖漿活動，是在中、晚元古代沿紅石砬—大廟深斷裂帶北側產出的大廟基性雜巖體。

5.2該礦區主要巖石與可鉆性

礦區位于黑山基性雜巖體西北部邊緣，雜巖體由斜長巖和蘇長巖組成，生成于遠古帶兩者侵入關系。斜長巖：為先期侵入產物，分布廣，面積較大，蝕變較強，主要由鈉黝簾石石化斜長石組成，次有綠泥石、纖閃石等蝕變礦物，是組成含礦體的主要圍巖。屬中粗粒構造和塊狀構造；蘇長巖：為后期侵入產物，呈各種不規則形態侵入斜長巖中。巖石呈暗灰色至灰黑色，主要由暗色斜長巖和少量紫蘇輝石、單斜輝石等組成，是組成含礦體的直接母巖。屬于粗偉晶結構，塊狀構造。

實驗得知地表巖石極限抗壓強度為95.12～157.89MN/cm2，內摩角84°，普氏系數12～18。深部巖石極限抗壓強度69.04～251.05MN/cm2，普氏系數為7～26。

斜長巖約占80%以上，結構致密堅硬，研磨性較弱，可鉆性7級，部分8～9級；蘇長巖硬度、研磨性中等，可鉆性6級左右；鐵礦石可鉆性8級。

主要礦層分布在800～1800m之間，埋藏較深，鉆孔均為1300～2000m的深孔，施工難度較大。鉆遇地層類型較多往往涉及更多、更古老地質年代所形成的地層。

5.3大烏蘇溝礦區ZK2401鉆孔結構設計

2006年施工的鉆孔ZK2401是大烏蘇溝礦區所施工的32個深孔勘查的第一個鉆孔，設計孔深1440m，終孔直徑要求不低于?56mm。根據地質所提供的地層狀況、地層構造以及可能鉆遇的地層柱狀圖，綜合分析確定該孔的鉆孔結構如圖1所示。

圖1　ZK2401鉆孔結構（單位：mm）

一開用?150mm合金鉆頭開孔，鉆進第四系覆蓋層約8m下入?146mm孔口管，并用水泥固定；二開用?130mm合金鉆頭鉆進風化層約15m，下入?127mm套管；三開因為鉆遇巖石較破碎，軟硬互層，裂隙發育，所以換用金剛石鉆頭采用?110mm繩索取芯鉆具鉆進，完全確認地層較穩定后，下入?108mm套管，深度大約95m；四開用?95mm金剛石繩索取芯鉆具鉆具，鉆進600m破碎帶，下入?89mm套管；五開采用?75mm繩索取芯鉆進，800m處左右有一較大斷層，主要以糜棱巖為主，非常破碎，且遇水膨脹，如使用化學護壁劑鉆進，成本較高且孔深可能引起較大泵壓，不利于鉆進，必須下一層?73mm套管840m；六開采用?56mm繩索取芯鉆進直至1440.2m終孔。

實際施工中鉆孔結構分析：次鉆孔的結構設計采用六級孔徑結構，從地層狀況和鉆孔結構設計來看，套管結構比較復雜，但由于該孔是大烏蘇溝礦區的第一個鉆孔，底層的未知地層狀況較多，所以本設計并無什么瑕疵。但施工的實際情況卻出現這樣的情況：當鉆孔達到1300m設計孔深時，遇鉆巖層正處在含礦的巖層中，地質技術人員要求連續2次加深，鉆孔設計孔深更變為1460m。?56mm繩索取芯鉆進至1440.20m時，凈鉆進深度達600余米，已達到小口徑?56mm繩索取芯鉆進的極限深度。當時泵壓達到7～8MPa，?53mm鉆桿接箍出現“鉆漲”現象，恰巧地層剛出礦層5m，沒能達到最終孔深，帶著一絲遺憾，不得不宣布終孔。

5.4大烏蘇溝礦區ZK2402鉆孔結構設計

ZK2402鉆孔設計孔深1900m，吸取ZK2401鉆孔的設計經驗，加深?89mm套管的下置深度至800～1000m，600m處破碎地層采用水泥灌注護壁的方法，盡可能減少一層套管級數，預留一層孔徑，力爭?75mm繩索取芯鉆進終孔，鉆孔設計如圖2所示。

ZK2402鉆孔結構設計如下：用?150mm合金鉆具開孔，鉆進覆蓋層約為5m下入?146mm孔口管；?130mm合金鉆頭鉆進風化巖層約10～15m，下入?127mm技術套管；因為淺層巖石較為破碎，裂隙也較發育，所以要求施工過程中用?110mm口徑盡量多進尺，完全確認地層較為穩定后，下入?108mm。

技術套管，孔深約為80～100m；然后采用S95mm金剛石繩索取芯鉆進，600m左右碰到破碎地層，采取水泥灌注護壁法，調整泥漿性能；到800～1000m處遇到非常破碎的以糜棱巖為主的斷層時，下入?89mm套管，再使用S75mm繩索取芯鉆具鉆進至設計孔深。在實際施工中為防止泵壓過高，我們采用非標鉆頭（鉆頭外徑?77mm，比標準鉆頭外徑大2mm），以增大鉆具與孔壁的間隙，以利于沖洗液的循環。

圖2　M24礦區典型鉆孔結構設計圖（單位：mm）

該孔與2007年4月15日開始施工，至2007年7月18日終孔歷時93d，孔深1905.92m，創造了國產機具金剛石繩索取芯鉆探當時全國最深記錄。成為2007年探礦工程十大新聞之一。該孔的鉆孔施工工藝獲得河北省地礦局“局長特別獎”。ZK2402鉆孔結構設計方案也成為大烏蘇溝礦區后來30個鉆孔結構設計的典型范例，對于小口徑深孔巖芯鉆探施工來說，極具參考價值。

6　總結

通過以上ZK2401和ZK2402兩個鉆孔結構設計的對比，可以看出：對于小口徑深孔巖心鉆探來說，應盡可能簡化鉆孔結構，能少一層套管，就減少一層，給下口徑的施工預留余地，減少擴孔重下套管的可能，以確保工程順利完成。ZK2401鉆孔多下一層套管，終孔時帶有一些遺憾；ZK2402鉆孔少下一層套管、?75mm鉆頭增大2mm的口徑，更顯完美。

鉆孔結構設計對每一個鉆孔的施工都有非常重要的意義，它是保障鉆孔能否順利施工的關鍵所在。不論大口徑的石油鉆探、地熱水井勘查、科學鉆探，還是小口徑的地質巖芯鉆探，我們都必須高度重視，充分分析可能遇到各種地層因素，巖石性質等各種因素；根據單位施工能力、設備性能，選擇鉆進方法；綜合各方面的因素，慎重確定鉆孔的結構設計；最后每一個鉆孔的結構設計還要通過有關專業人員的論證。

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A

1004-5716（2016）02-0060-04

2015-02-26

耿印（1970-），男（滿族），河北承德人，工程師，現從事鉆探技術施工與管理工作。