地質勘探鉆探技術應用探究

石 冰

（山東省地質科學研究院，山東 濟南 250013）

地質勘探鉆探技術發展和城市化建設、社會經濟發展有一定關系，進入21世紀以來，我國開始推進城市化建設工作，各地經濟水平快速提升，就當前的勘探情況來看，多地淺層礦物資源都已經被揭示，為進一步推進礦物勘探工作發展，開采深層的礦物，就需要結合實際情況以及具體的地質理論知識進行全面分析，以提高勘探安全水平，全面提升勘探開采效率。

1 基本概況

某礦區地貌屬于典型黃土高原地貌，海拔高度在1300m左右，勘查區域地表大部分覆蓋第四系松散沉積物，主要由全新統風積沙、現代河床沖積層、洪沖層構成，鉆探揭露地層主要為侏羅系直羅組、侏羅系延安組、侏羅系安定組、三疊系上統瓦窯堡組等等，主要含煤地層平均深度在600m左右。該礦區煤層鉆探充分參考既往鉆探經驗，采用普鉆“打單管”的方式，技術水平相對較低，工人勞動強度較大，成本相對難以控制。針對該情況，技術人員探討一種行之有效的鉆進技術方法以及新的技術操作規程，采用全液壓鉆機、繩索取樣技術以及設備，使用電腦采集、數據分析系統，力求提高鉆探效果、質量[1]。

2 基本技術設計

2.1 沖洗液配比

技術人員經過商討，發現該礦區煤層鉆探主要存在兩個方面的難點：一是松散地層的鉆進，因采用全液壓鉆機、繩索取樣技術的鉆進環狀間隙相對較小，故沖洗液在鉆進過程中的上返速度較快，對孔壁沖刷相對作用較大，不利于井壁泥皮的形成，同時上鉆、下鉆產生的激動壓力較大，容易導致鉆孔超徑或者孔壁坍塌。避免孔壁受到鉆探影響，提高沖洗液的沖洗性能，保證沖洗液壓力大于塌陷壓力是保證鉆探工作正常開展的首要條件；二是泥頁巖水化問題，該礦區煤層主要為沉積地層，由粉砂巖、頁巖構成，極其容易引發水化膨脹問題，進而影響沖洗液的固相狀態，嚴重甚至會直接導致鉆孔彎曲、卡鉆等等，如何避免這些問題發生也是保證工作正常推進的關鍵要素[2-4]。

客觀而言，松散地層的鉆探工作難度必然大于本身持力性較好的地層，避免鉆孔坍塌、避免水熱化是鉆探重點。采用的沖洗液不僅僅要有良好的流變性，同時還要能夠合理控制固相含量。對此，國內有諸多學者提出了不同的技術建議，比如適量的無機鹽成分能夠在一定程度上降低沖洗液中水的活度，進一步誘發空隙流體向沖洗液中滲透，從而達到提高穩定性的目的，而KCI無機鹽的效果得到了正式；相較于鈉離子，鉀離子的水化半徑更小，對聚硅醇酸有較為良好的束縛效果，可避免粘土吸附在聚硅酸根表面，且鉀離子比鈉離子的聚沉能力更加出眾，適當調整后，沖洗液對絮凝物的沖洗效果會更為突出[5，6]。

2.2 鉆進參數

（1）是轉速，轉速直接影響勘探用金剛石鉆頭的鉆進速度，一般情況下，轉速越快，其鉆進速度也就越快，具體應根據金剛石鉆頭的圓周線速度、外徑進行調整，針對煤田地層，直徑為113mm的鉆頭轉速應控制在200r/m左右，直徑為76mm的鉆頭，轉速應控制在400mm左右。另外，在鉆進過程中，若地質硬度較高，則應采用高速鉆，若是巖層持力性交叉、裂隙發育、軟硬不均、鉆進振動較大，則應采用低速鉆。

（2）是鉆壓，鉆具在軸向載荷作用下施加力于巖石，因鉆具的尺寸不同、形狀不同，故產生的應力也存在較大的差異，就應力區域而言，一般壓力、破碎區、深度成正比關系。該礦區煤層勘探采用復合片鉆頭，其鉆壓計算主要參考鉆頭復合片數、巖石礦壓強度、復合片數的和巖石的實際接觸面積。

（3）是泵量，在泵量的一般設計原則需滿足沖洗液上返速度的具體要求，金剛鉆鉆進沖洗液的上翻速度應該控制在0.5m/s左右，金剛石繩索取芯鉆進沖洗液上翻速度應控制在1m/s左右。類似該礦區煤層勘探，采用復合片鉆頭，泵量應參考表鑲或者孕鑲的實際參數，將泵量控制在該參數的30%左右。

3 實際鉆探

該礦區煤層鉆探實際使用復合片鉆頭，該工作原理和一般刮片鉆頭的工作原理基本一致，主要通過擠壓、切割、剪切等多種方式破碎、割裂地層，通過克服巖層本身的剪切壓力實現破碎，而非用過擠壓強度來實現，所以在松散地層，相較于普通金剛鉆頭，復合片鉆頭表現出鉆進效率高、切削速度快、鉆頭壽命長等等優勢。一般煤礦附近地層以沉積地層為主，煤層附近地層偏軟，具有發揮復合片鉆頭優勢的基礎條件。復合片鉆頭在實踐中表現出以下特征：一是鉆頭壽命較長，全孔長度為534m，鉆進過程中僅需要進行一個鉆頭更換，節約了大量時間，提高了鉆探效率；二是復合片鉆頭本身耐磨性較強，具有進行橫速鉆進的基礎條件，鉆進過程中壓力較小，轉速相對較低，整體行進過程穩定，成本易于控制。經過測定，該礦區單孔鉆進每米成本僅在2.37元左右，經濟效益極為突出[7-9]。

3.1 斷鉆問題以及問題處置方法

鉆桿在鉆進的過程中，受到各種載荷作用影響，比如彎曲、扭轉、振動、拉壓、腐蝕、極其容易導致鉆桿這段，尤其是金剛石繩索取芯鉆進法，在復雜條件下，鉆桿相對薄弱，更容易出現鉆桿這段的問題。通常來說，加壓鉆進最大撓度在距離最深處1/3左右地段，鉆桿折斷問題發生概率較高。而鉆桿折斷必然會導致鉆進效率降低，鉆進效率降低又會導致鉆桿折斷幾率增加，往復惡性循環，往往會導致鉆探質量、成本失控，

該礦區鉆進施工過程中共發生5次折斷事故，技術人員事后對事故成因進行了系統分析：一是鉆孔級配指數不合理，開孔采用直徑為108mm的鉆套，而后直接采用直徑為73mm的鉆桿開始鉆進，孔壁間隙較大，鉆壓難以有效的施加在鉆頭上，鉆進時效相對低下，鉆桿折斷的次數也極為頻繁；二是鉆壓沒有得到良好控制，技術人員前期對地層的認識不足，同時全液壓設備施加的壓力也較大，一味追求鉆探效率，應力過于集中導致鉆桿折斷；三是沖洗液的配比設計不合理，鉆進過程中出現塌孔現象。

鉆進過程中采取的解決措施為：進一步改變鉆孔結構，合理調整鉆桿級配，控制鉆孔環狀間隙，控制鉆進過程中的彎曲應力、彎曲撓度。建議，合理調整孔徑、鉆桿、接頭之間的關系，同時改善沖洗液配比，保證沖洗液能夠起到保護孔壁，減少鉆桿吸附的效果，避免過激操作導致內部壓力持續增加。另外，在條件允許的情況下提高鉆桿強度，可考慮采用復合熱處理鉆桿。

3.2 沖洗液性能控制

鉆進過程中常出現鉆孔漏失、沖洗液固相失控的情況，進一步導致地層坍塌、鉆進速度失去控制。具體的解決方法為：調整鉆進循環槽的實際尺寸，現場增加除砂器等等設備，選擇性子啊沖洗液中加入絮凝劑，改善沖洗液的固相狀態。技術人員定期檢驗沖洗液的密度、粘度，判斷沖洗液的固相狀態是否服藥要求，根據規定更換泥漿，或者進行稀釋、沉降。沖洗液若需摻加黃原膠、纖維素等等高分子材料，需保證沖洗液提前進行了預水化，保證攪拌機始終保持穩定的工作狀態，保證沖洗液中鉀離子含量符合技術要求。

3.3 鉆進參數控制

鉆進參數控制主要是指針對當前孔深度、地層的實際情況，對扭矩、壓力、鉆進速度、沖洗液性能等參數進行靈活控制。該礦區地質勘探工作開展過程中，針對覆蓋層、紫紅色泥巖層、紅紗層、藍灰色泥巖層、藍灰色砂巖層、灰色泥巖層、灰色砂巖層、煤層等靈活進行加減壓力、調整轉速、調整扭矩、調整泵壓、調整漏斗粘度、調整密度以及鉆進時效，技術人員記錄下各個階段的實際鉆進情況，確保孔內情況能夠正確得到反映，秉承“輕壓、吊打”的基本原則合理控制鉆壓、鉆進速度。

該礦區應用全液壓鉆進設備+復合片鉆頭+鉆頭繩索取芯技術，最終成功完成鉆探任務，但是該技術在實際應用的過程中也存在諸多不足，該技術方案的優勢以及不足具體表現為：一是全液壓鉆進設備相較于普通巖心鉆機，在技術、安全、動力、操作性方面均有所改善，這也是國內外鉆探技術發展的主要方向。該技術方案有突出的信息化控制系統，技術人員也根據實際情況靈活調整鉆探參數，初步實現了智能化操作，且具有較高的轉速調節范圍，能夠有效適應各種情況。同時，該技術方案的動力頭行程相對較長，可有效減少倒桿次數，避免孔洞堵塞，配備其他設備，現場施工作業人員勞動量大幅度降低，且能夠提高現場施工安全水平。二是該技術方案在國內的應用案例相對較少，技術經驗、施工經驗均有所不足，技術人員在智能化控制方面還需進一步磨練，其顯示的技術參數存在一定的局限性，該技術方案對攪拌機的考慮相對較少，攪拌機經常出現意外事故。另外，設備在高強度的工作條件下出現漏油問題，對設備的養護、管理要求較高。

4 結束語

地質勘探鉆探技術是經濟建設、國防建設、科學技術發展的基本需求，地質勘探鉆探技術同時整合測繪、地球物理勘探、地球化學勘探、鉆探、坑探、地質遙感等等技術方法，實現對一定區域內巖石、地層構造、礦產、地下水、地貌等地質情況進行的調查研究工作。根據國家自然資源部發布《中國礦產資源報告2018》顯示，2017年，全國地質勘查投資782.85億元，較上年增長1%，連續四年下降后首次回升。其中，油氣礦產地質勘查投資584.49億元，增長10.8%；非油氣礦產地質勘查投資198.36億元，下降19.8%。總體來看，我國資源類地質勘探鉆探技術應用需求逐步提升，而各類礦物資源的勘探技術要求不斷提升，這就需要廣大從業者不斷提升地質勘探鉆探技術水準。

事實證明，上述礦區采用的復合片鉆頭可有效應對松散地層鉆探需求，該鉆頭不僅實際使用壽命長，且能夠提高鉆進效率。事實上，煤炭鉆進設備相較于天然氣、石油行業一直較為落后，國內技術水平和國外仍舊存在一定的差異。沖洗液的有效調配是保證順利鉆孔的關鍵要素，在任何地質環境中鉆進勘探，都不能忽視沖洗液的配置以及調整。上述內容不僅有技術經驗，同時也有教訓，望廣大從業者加以重視，并在實踐中不斷探索、完善。