钻探施工技术在复杂地层中的应用

2021-11-30邢元猛

中国金属通报 2021年6期

邢元猛

（山东金岭矿业股份有限公司，山东淄博 255081）

复杂地层是指岩心钻探过程中一些孔壁稳定性较差，容易出现塌方、掉层、溶解、漏水等情况的地层。当前，地质岩心钻探技术作为促进我国经济社会发展的重要因素之一也得到了快速地发展。但是由于我国有些地区矿山地表的资源被过度地开发利用，现存的钻探施工技术难以满足项目施工的实际应用，从而导致矿山对人类的服务年限逐渐缩短，市场对矿产资源的需求无法得到满足。为此，需要适度开发矿山深部资源。但是这样就会在一定程度上加大复杂地层钻探施工技术的难度，使钻探施工技术的创新变得刻不容缓。

现阶段，在进行项目施工的过程中，为了能够有效地完成复杂地层的钻探工作，需要科学合理地规范复杂地层处理技术工作在实际项目施工的应用。而该技术的有效应用在一定程度上可以提升项目实施的工作效率。通常情况，项目施工人员在对复杂地层进行钻探时都会使用钻探施工技术，但是当前该技术的实际应用还存在着许多质量安全问题。

1 复杂地层难以钻探的原因

在实际的项目钻探过程中，复杂地层的构造会给钻探工作的实施带来一定程度的阻碍。这是由于复杂地层具有松散、吸水溶解或膨胀、软硬互层等特点，并且随着工作人员的钻探会使地下水出现融蚀活动，从而导致施工面临坍、掉、涌、漏等问题。其中由于风化形成的复杂地层在钻探施工过程中非常容易出现塌方、漏水的情况，这是因为风化作用破坏了岩石之间的连接方式，使岩石之间的稳定性大大降低。而由于流水、沉积导致的复杂地层，则会由于岩石之间的胶质不稳定而引起大范围的坍塌，非常影响后续项目的施工。因此，钻探工作人员在进行钻探之前需要先了解复杂地层难以钻探的原因，然后在寻找一些护壁措施来保护钻孔的稳定性[2]。

2 影响复杂地层钻探施工效果的相关因素

在实际的项目施工过程中，如果钻孔出现了一定程度的弯曲情况，那么必然是由于没有按照相应的规范在进行钻进，这样不仅会导致矿体的弯曲、丢失以及断层等等，而且还需要相关的工作人员重新勘探地层的密度和组成结构，从而降低了项目的工作效率，使项目无法在规定的时间内有效完成[1]。

为了能够提高复杂地层的钻探效率，首先需要相关的施工人员能够掌握影响复杂地层钻探施工效果的相关因素，因为只有这样才能够在保证施工安全的基础上提升项目的钻探施工效果[3]。

2.1 地层条件

现阶段，项目施工人员都会将复杂地层分为以下四大类，分别是泥岩、页岩、黏土以及盐类地层。这些不同类型地层的物理特性也是不同的，所以如果在实际的复杂地层钻探施工过程中遇到了各种不同地层的组合，那么必然会影响施工的效率和质量。例如项目施工人员在工作中发现岩石在垂直方向和水平方向的层理硬度较大，不采取相应的保护措施就直接进行钻探，就会导致地层直接断裂。同时钻探工具还会出现掉钻的现象，最终使项目工期无限延长。因此，在对复杂地层进行施工的过程中需要考虑复杂地层的地层条件[4]。

2.2 钻探施工工艺

在复杂地层的钻进过程中，由于钻探设备使用不当的问题，钻孔和钻杆都会出现一定程度的弯曲情况。以下就是会导致钻孔和钻杆弯曲的情况，第一，钻探使用的力度较大，导致钻杆弯曲，钻头难以居中，最终导致钻孔弯曲。第二，钻探设备的钻进速度较快，空间离心力变大，破坏孔壁，最终导致钻孔弯曲。

地层的钻探工作离不开钻探施工工艺的应用，科学合理地将钻探施工工艺投入使用不仅能够提升项目施工的工作效率，而且还能够有效地防止各种项目风险的发生。例如，项目施工人员在不能合理地控制对复杂地层的钻探力度时，就会非常容易出现钻孔弯曲的情况。如果钻速太快，就会增大空间的离心力，从而导致钻孔变大，产生一定程度的偏移。如果工作人员在钻孔过程中遇到了硬度较小的岩石，但是却不能规范冲洗液的应用，那么就会使钻孔空间塌陷，从而出现卡钻、掉钻的情况[5]。

3 钻探施工技术应用分析

3.1 选择钻进方法

在实际的项目施工过程中，合理地选择钻进方法能够有效地提升钻探施工的质量。根据《岩心钻探规程》中的相关规定，施工人员一般会根据地层的坚硬程度，将其分为四种类型，分别是软度、中硬度、硬度、坚硬度。将地层的完整情况分为三种类型，是完整、较完整以及破碎。通过这两种分类就可以完成钻探施工的钻进方法，例如如果岩石的硬度是在软度和中硬度之间，那么就可以选择金刚石、硬质合金类的钻探材料进行施工；如果岩石的硬度是在中硬度和坚硬度之间，那么就可以选择金刚石类的钻探材料；如果岩石的硬度是在硬度和坚硬度之间，那么可以选择刚粒钻进行钻探。但是在此过程中应该严格遵循《岩心钻探规程》中的相关工作要求，因为只有这样才能够达到钻探施工的预期效果[7]。

3.2 选择钻孔结构

钻孔结构的选择也会在一定程度上影响钻探施工的质量，这是因为钻孔结构的选择会直接影响项目施工的成本，而钻孔的应用会直接影响钻孔施工的工作效率。因此，在实际的钻探施工工作中，应该根据钻孔的深度、直径、地质条件、防护方法以及设备情况等要素科学地选择相应的钻孔结构。现阶段，经验丰富的钻探施工工作人员会选择130mm或91mm的多径成孔，并将75mm的孔径作为备用，运用金刚石绳索来进行取芯钻进，然后利用优质泥浆来保护孔径[6]。

3.3 重视对施工方法的改进

为了保障钻孔施工工作的安全性，经验丰富的工作人员选择在应用原有的钻孔技术的基础上，对项目施工的方法进行改进，最终取得了良好的成效。而对项目施工方法的改进有两个方向，第一，改进钻孔的结构。在实际的施工过程中将四级口径、三级套管的钻孔换成五级口径、四级套管的结构。例如在钻探硬度比较丰富的复杂地层时，在钻穿第四层土层后，开始不断地更换更小的钻孔口径和套管，而在此过程中套管的深度也在不断地加大，以此来达到隔绝溶洞和风化层的作用。然后就可以选择相应的绳索取芯钻具进行施工，直到钻探到地下水位就可以选择相应的套管来保护孔壁，最终完成终孔的钻探。第二，改进冲洗液。一般情况下，钻探施工技术都使用PHP和皂化油相混合的无固相泥浆。而这冲洗液的利用不仅会增加卡钻、掉钻的概率，而且还会难以达到地层水敏性的需求，因此，改进冲洗液刻不容缓。为此，钻孔施工工作人员在实际的施工中应该根据地层水敏性的需求来研究冲洗液的配方。例如在原来的低固相泥浆液中放入广谱护壁剂和腐植酸钾等，使其变成性质稳定的化学泥浆。相关的工作人员在配比化学泥浆的过程中需要确保其比重是在1.05到1.10立方厘米每克之间，PH值为8，因为只有这样配置的泥浆防护性才更好[8]。

在进行复杂地层的补漏过程中，为了提升项目施工的效率，首先需要对堵漏技术进行改进，相关工作人员可以向原来的化学泥浆中加入沥青等惰性材料，这种方法可以降低冲洗液的成本控制。另外，相关的工作人员还可以利用高标号水泥来进行封孔，并向泥浆中加入水玻璃来加快泥浆凝固的速度。

3.4 组合钻探工艺

根据经验丰富的钻探施工工作人员的研究发现，巧妙地组合钻探工艺应用于复杂地层的钻探工作不仅能够有效地保证施工的质量安全问题，而且还能够提升钻探设备的应用率，从而为未来钻探技术的创新提供了有利的条件[9]。

组合钻探工艺就是将水利反循环连续采样、空气反循环连续取样等技术进行完美地融合后在应用于复杂地层的钻探施工工作中。其中空气反循环连续取样技术使用的方法是连续回钻，而在此过程中利用了双壁钻杆来进行钻孔。空气反循环连续取样技术在实际的工作中会运用到循环介质，循环介质利用该技术的双壁钻杆来获取不同地层的土质样本，从而完成收集复杂地层分析样本的作用。另外，由于空气反循环连续取样技术具有投入成本低廉、应用性较强的特点，所以在许多地区都得到了广泛地好评，尤其是地层复杂的地区。

为了帮助干旱地区寻找水源也会运用到空气反循环连续取样技术，钻探施工人员会将钻具深入到土地表层进行钻孔。而在此过程中需要运用满足相关规定的低固相泥浆，然后在保证钻井液密度的情况下提升其粘性，工作人员可以向钻井液中加入PAC141来增强其粘性。

3.5 钻孔弯曲控制技术的实际应用

为了保障钻探施工技术能够在复杂地层中得到有效的应用，首先需要工作人员收集钻探地区的地质材料，研究需要进行钻探的区域的地层发育情况、岩石的组成问题、种类以及钻探工具与地层之间的关系等要素。而这些要素对钻孔的弯曲情况有很大的影响作用。其次，相关工作人员在安装钻机的过程中，应该将天车、立轴以及钻孔放置在同一水平线上进行固定。而这一水平线的确定需要符合钻孔角度与地层关系的要求，并且钻塔柱脚的搭建需要保持其稳定性。这是因为钻孔受力之后如果钻塔柱脚难以保证其稳定性就会使钻孔出现弯曲的情况。

钻探施工人员在进行开孔钻探时，应该选择比较锋利的钻头，摆正钻杆，控制好钻探的力度，并随着孔径的扩大而放长岩心管。另外，钻探施工人员在刚开始钻探时应该将钻探的速度放缓，不能贸然地进行提速，不然会出现掉钻或是孔径倾斜的情况。之后就可以根据地层硬度的不同来更换不同的钻具口径和套管，但是在此过程中需要测量钻孔口径的倾斜情况，然后进行逐步地校正。在选择钻具材质的时候应该尽量选择具有金刚石性质的，这是因为其硬度较大不容易弯曲。而在选择钢粒进行钻探的过程中，应该尽量选择具有喷反性质或是口径较小的钢粒，然后在施工的过程中投入少量的砂土，降低钻进的力度。因为只有这样才能够更好地调节钻探的速度[10]。

由于复杂地层的组成结构比较丰富，所以在进行钻探施工的过程中会非常容易出现钻孔倾斜的情况。因此，相关工作人员应该及时地进行测斜。这种方式不仅可以帮助钻探施工工作人员掌握钻探的轨迹变化，对下次的钻探轨迹进行预测，而且还可以及时纠正倾斜的钻孔。而钻探施工工作人员在此过程中应该提升钻孔测斜的测量次数，使其能够满足《岩心钻探规程》中的相关要求。