復雜地質條件下大口徑鉆孔施工技術研究

徐 波

（河南省煤田地質局四隊，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著深部開采安全和工作環境不斷惡化，以及國家對綠色礦山建設和礦山安全生產的重視，以安全、減能、高效為目的所實施的瓦斯抽采、輸冰降溫、強排水、通風、送料、下電纜以及礦山救援逃生等用途為一體的大口徑多功能井越來越受到各類礦山企業的青睞。根據用途不同，大口徑工程井成井后套管直徑一般在Φ450mm～Φ1100mm范圍，井深絕大部分小于1000m。鉆遇的地層多是沉積巖地層，地層巖性多樣，條件復雜[1]。由于復雜地質條件下，很容易造成大口徑鉆孔施工難度的增加，因此，進行復雜地質條件下的大口徑鉆孔施工技術研究是極具現實意義的。

與一般地質鉆孔相比，大口徑鉆孔具有井眼直徑大、套管直徑大、套管重量大、下管風險大、固井難度大、井斜要求嚴等鮮明的工藝技術特點[2]，本文結合大口徑鉆孔的施工技術特點，闡述在巖層破碎帶、易斜地層和易漏地層等常見復雜地層條件下復雜地質條件下大口徑鉆孔施工技術研究，致力于提升大口徑鉆孔施工的安全性，為大口徑鉆孔施工中遇到的類似問題提供借鑒[3，4]。

1 大口徑鉆孔施工技術特點

大口徑鉆孔作為一種工程井，其設計、施工與水文水井、礦產資源鉆探和石油鉆孔有許多不同之處，其主要特點可以概括為“五大、一嚴”，即：終孔孔徑大、套管直徑大、套管重量大、下管風險大、固井難度大、井斜要求嚴。

1.1 終孔孔徑大

大口徑鉆孔的終孔孔徑是根據工作套管的直徑確定的，一般介于常規鉆孔與礦山豎井之間，常見終孔孔徑在Φ450mm～Φ1000mm之間，近年來，隨著滿足礦山開采的需要，施工鉆孔孔徑逐漸增大，最大鉆孔直徑已達Φ1500mm。

1.2 套管直徑大

為滿足礦山瓦斯抽采、輸冰降溫、強排水、通風、送料、下電纜等使用功能，大口徑鉆孔的套管直徑要大于石油鉆孔、地質鉆孔等常規地質鉆孔。其套管直徑一般在Φ450mm～Φ800mm之間，我單位施工中安裝的最大工作套管直徑已達Φ1100mm。

1.3 套管重量大

大口徑鉆孔所下工作套管必須具有一定的厚度，才能滿足套管的三軸抗擠壓強度及使用年限的需要，而壁厚越大，套管越重。我單位施工的陜西某礦井地面排水鉆孔，下入Φ720mm*24mm、Φ720mm*32mm直縫套管808m，套管重量達378t。

1.4 下管風險大

由于套管重量大，且遠超鉆機自身提升能力和鉆塔承載能力，套管下放通常采用漂浮下管法進行；由于管壁厚焊接時間長，對下管前孔內泥漿性能和孔壁穩定性要求較高；由于孔徑大，使地層中礫巖層、粘土層等不穩定更加容易坍塌變形，加大了下管的難度和風險；在下管過程中一旦遇阻被卡或套管下不到設計孔深，起拔套管根本無從談起，嚴重時可能造成鉆孔報廢。

1.5 固井難度大

大口徑鉆孔與套管的環狀容積大，需要的固井水泥量也較普通鉆孔大的多，大口徑鉆孔固井時需要在短時間內將大量的水泥漿注入到孔內并置換鉆孔與套管環空間隙內的泥漿上返至地面，對固井工藝、固井設備和施工組織要求較高。由于鉆孔孔壁不規則，如何保證大環空體積套管的固管質量也是大口徑鉆孔固井施工的難點。

1.6 井斜要求嚴

鑒于大口徑鉆孔用途，減少井下巷道掘進工作，鉆孔中靶位置一般位于井底巷道附近一定范圍內，因此鉆孔井底位置收到嚴格限制，要求鉆孔井垂直。此外，井斜過大不僅會給鉆進中造成困難，而且對套管的下入造成困難。

鑒于以上大口徑鉆孔施工特點，在復雜地質條件下鉆進時，應采用相應的施工方法，確保鉆孔施工質量，保證鉆孔施工安全順利完成。

2 復雜地質條件下鉆孔施工技術

2.1 泥漿

泥漿作為鉆孔施工的“血液”，不僅能將鉆機過程中產生的大量巖粉帶出，此外泥漿在孔內循環流動過程中在孔壁上形成泥皮后起到保護孔壁穩定的作用。大口徑鉆孔施工常用泥漿性能指標：密度1.17g/cm3～1.27g/cm3、漏斗粘度30s～50s、失水≤12ml、泥皮厚度≤1.5mm、PH值8～10、含沙量≤4%。在復雜地質條件下進行大口徑鉆孔施工時，在泥漿選用方面，需要針對不同的地層調整泥漿性能，保證鉆孔施工順利安全。例如在極易垮塌、掉塊等不穩定地層鉆進時，泥漿調制中可適量加入防塌劑（K31），以提高泥漿防塌能力。

為保證泥漿性能，在鉆進施工過程中，做好泥漿的動態監測和凈化。利用泥漿性能測量儀器，定時測定泥漿性能，以便及時調整和補充泥漿。泥漿凈化采用機械凈化、人工撈砂和長槽沉淀三種方法，全面清除泥漿中的無用固相，保持和穩定泥漿的性能，達到良性循環。

2.2 巖層破碎帶鉆進

確保泥漿性能：綜合分析地質資料及可能的鉆遇地層情況，注意鉆進時孔口的出渣狀況，在即將進入巖層破碎巖層帶時，必須調整泥漿性能，并且根據巖層破碎的程度調整泥漿性能指標，提高泥漿的護壁能力，避免在破碎帶鉆進時孔壁發生坍塌、掉塊，確保鉆孔安全施工。

注漿加固圍巖：如果在鉆進過程中發現巖層巖石嚴重破碎，使用正常的泥漿護壁技術不足以支撐破碎的圍巖，造成孔壁坍塌時，應立即停止循環泥漿，采用地面帶壓注水泥漿的方式，對破碎地層進行加固，必要時可在水泥漿中加入速凝劑，使破碎的圍巖固結成整體，再按正常的施工方法進行鉆進，并在鉆進過程中觀察圍巖加固效果。如有必要，可進行二次加固，以保證鉆孔孔壁穩定，滿足鉆孔后續作業施工安全的需求。這種方法是處理巖層破碎帶的最有效的方法，缺點是時間長造價高[5]。

2.3 易斜地層鉆進

在巖層傾角大的地層中鉆進時，容易發生孔斜現象，為了保證鉆孔的垂直度，滿足設計及套管安裝的要求，必須控制孔斜。在大口徑鉆孔施工中常采用“扶正器、減壓慢鉆及無線隨鉆”技術進行孔斜控制。

扶正器。在大口徑鉆孔施工時，采用增設扶正器方法控制井斜，扶正器與鉆頭直徑基本同徑，分別連接在鉆鋌的不同部位，保證使滿眼鉆進長度大于20m，該方法可以有效地減少鉆具與孔壁之間的間隙，最大限度控制鉆孔偏斜。

減壓慢速鉆進。根據巖層的傾角，鉆進時需減壓50%，并降低鉆進速度，鉆孔的垂直度才可能控制在允許范圍內。此外不同操作人員采用鉆進參數操作要一致，鉆具組合和技術參數要合理，不得任意更改。

無線隨鉆技術。在大口徑導正孔鉆進過程中使用無線隨鉆糾斜技術，可以時刻監測鉆孔內孔斜及方位角變化情況，如果發現鉆進過程中孔斜和方位角超出預定設計，可以第一時間使用無線隨鉆糾斜技術進行定向糾斜，能確保鉆孔中靶和套管下放安全順利。

2.4 易漏地層鉆進

下鉆時控制速度，防止壓力激動，并有專人記錄泥漿返出情況和泥漿池液面變化情況。大口徑鉆孔在易漏地層施工時，要嚴格控制泥漿的性能，避免泥漿比重過大壓漏地層。在鉆進過程中遇漏失時，應記錄其漏失量、漏失速度、漏失層位和泥漿性能，發現大量漏失后應立即起鉆進行堵漏。

在大口徑鉆孔鉆進時發生井漏現象，且井漏情況一般時，可以采用鋸末屑摻入泥漿中能起到堵塞巖層空隙的作用，也可以將鋸末屑摻入粘土中做成泥團，投入孔內，用鉆具在井下攪拌，將其擠入漏水的巖層中，具有較好的防漏效果。當漏漿較嚴重，上述方法不能有效的進行堵漏時，可以采用井下注水泥漿的方法，對漏失地層堵漏。

3 結語

（1）本文結合大口徑鉆孔施工特點，研究了在復雜地質條件下大口徑鉆孔施工技術，避免大口徑鉆孔在施工過程中出現安全問題，影響整體工程安全。

（2）復雜地質條件下的大口徑鉆孔施工是一項專業性非常強的施工工作。需要有完整的、切實可行的施工組織設計和專項施工方案，才能按時順利安全完成施工任務。

（3）在大口徑鉆孔施工前要獲取詳實的地質資料，根據地質資料分析在施工過程中可能遇到的復雜地質問題，制定相應的專項施工方案，以指導鉆孔安全施工。

（4）在今后的大口徑鉆孔施工中，應加大本文施工技術在復雜地質條件下的應用。進一步完善不同復雜地質條件下大口徑鉆孔的施工工藝，為大口徑鉆孔施工的進一步優化提供參考依據。