浅谈钻孔结构的设计

耿　印

（河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队，河北承德067001）

浅谈钻孔结构的设计

耿印*

（河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队，河北承德067001）

就钻孔的结构定义、设计方法步骤、设计原则、设计时应考虑的各种因素等进行探讨，并列举典型钻孔（大乌苏沟矿区ZK2401和ZK2402两个钻孔）的结构设计，进行举例说明。希望能对今后深孔钻孔结构设计有所帮助。

钻孔结构；设计方法；地层结构；预留孔径；典型结构

1　钻孔结构的定义

钻孔结构是指，钻孔由开孔至终孔，孔身剖面中各孔段的深度和口径的变化情况，它包括：钻孔的总深；各段钻孔直径和深度、井管的直径、下放深度；灌浆部位所处的孔深位置。一般来说，钻孔愈深、地层愈复杂的情况，钻孔换径次数越多，钻孔结构越复杂。

我国是钻探技术的最早的发明国家。道光十五年（1853年）钻凿了世界第一口超千米的深孔——燊海井，井深达到1001.42m，这是中国古代钻井技术成熟的标志，也是世界钻进史的里程碑，它的重要突破之一是用木套管代替了竹套管，改善了竹套管口径小的局限性，钻孔结构由“二径结构”发展为“多径结构”。

2　设计钻孔结构的重要性

首先，钻孔结构设计就是设计钻孔的首要环节，它是整个地质钻探施工的前提和基础。一个合理的钻孔结构设计是保障钻孔顺利实施的根本。依据钻孔结构的设计就可以进行钻探设备、管材、工具的配套和准备，以及确定技术措施；有了钻孔结构的设计施工时就有了依据，按部就班地有计划进行施工；合理的钻孔结构设计能保障钻孔顺利达到预定孔深，甚至影响到钻探施工质量和安全，降低钻探成本，提高钻探的整体工作效益。

其次，钻孔结构的设计是钻进施工所有预算的基础依据，根据钻孔结构的设计就可以进行各种财务预算，为领导进行决策提供依据，以便正确决策，提高经济效率。钻孔的结构设计越简单对钻进的影响越小，人力物力消耗也越少。但由于地层因素以及施工工艺等多种影响，一径到底的期望我们很难做到。

最后，地质岩芯钻探勘探深度大多在1000m以内，近年来超过1000m的钻孔越来越多，我国已经出现一批2000～3000m的孔深，正向4000～5000m孔深发展。矿产资源是不可再生的，资源需求量愈来愈大，地表资源已接近枯竭，资源勘查的钻孔也愈来愈深。钻孔越深钻孔结构设计愈显重要。当我们接到一项深孔施工任务时如何设计施工方案，怎样确定钻孔结构？

3　钻孔结构设计的方法和必须考虑的因素

从理论上讲钻孔的结构设计是一庞杂的过程，非常困难，因为设计涉及很多因素，而且有许多地层因素不确定，必须依靠经验，综合分析和准确推断，因为探矿的本身就是科学探索的过程。

3.1依据钻孔施工用途目的以及施工要求确定终孔孔径

每个钻孔施工用途目的以及施工要求不同，钻孔的终孔口径也不同。固体岩芯钻探钻孔一般比较小，终孔口径为Ø53mm～Ø95mm，开孔孔径一般在Ø150mm以下，矿区坑道钻探的孔深口径比地表钻探更浅更小；石油钻探钻孔口径较大，标准的终孔口径为Ø216mm，开口口径则取决于地层的复杂程度，一般在Ø311mm～Ø445mm，甚至达到Ø712mm；科学钻探终孔口径在Ø150mm～Ø216mm，开口口径Ø500mm～Ø700mm；地热水井勘查终孔口径一般在Ø100mm～Ø216mm，甚至更大。

一般来讲当我们承接到一个钻探任务的时候，终孔口径和施工目的要求是明确的。为确保满足终孔口径和施工目的，设计钻孔结构时应在终孔直径允许范围内预留一种孔径。

3.2了解地层结构状况确定钻孔可能穿过的地层参数

地层的地质状况、岩石的物理力学化学性质，包括地层的地质年代、可钻性级别、研磨性级别、裂隙级别、稳定性和水敏性以及地层复杂状况。这些因素都必须了解清楚，做到心中有数，它是设计钻孔结构的前提和基础。当钻孔在含砾石、卵石和漂砾的砂质粘土质等岩土中施工时，孔壁可能坍塌；在水敏性地层中钻孔可能缩径；在流砂层中必须加固孔壁；如果用泥浆或专门配置的处理剂护壁无效的话，则必须用套管来隔离不稳定的孔壁。根据这些可能碰到情况进而确定可能需下套管的级数和深度。

3.3确定钻进方法、钻探设备参数

根据钻孔设计的孔深和钻孔的方位、顶角方向的施工要求；在该钻孔中拟采用的钻进方法，钻探设备的技术参数和孔内测量仪器的外径尺寸；确定了的钻孔可能穿过的地层参数；考虑单位的设备实际施工能力情况，选择钻进工艺方法，确定钻具的级配关系。根据地层剖面找出需要加固的危险孔段，再设计对应孔段下入套管的直径和深度。综合分析，反复研讨，最终确定钻孔的设计结构。

另外，确定钻具的级配关系。钻具级配它反映了孔壁间隙的大小，影响到钻杆的工作状态、冲洗液的流动、钻具回转阻力的大小，也影响最终孔径。对于深孔小口径金刚石钻进尤显突出。

4　钻孔结构设计原则

（1）采用自下而上逐段确定各层套管的深度和孔径的原则，设计钻孔结构，即最先确定所需的终孔孔径及深度→最后一层套管孔径及深度→……→孔口管孔径及深度。

（2）往往钻孔结构越复杂，孔内事故隐患也会越多。为了降低生产成本，应尽量简化钻孔结构，减少套管所下的层数。因为每下一层套管钻孔便缩小一级口径，套管柱的上下端固定密封、保持钻孔轴心方向等方面都会出现一系列技术问题。但有下列情况之一者必须下套管：孔口管必下，以保护孔口处松散的岩土层不被冲刷而坍塌，孔口管的另一个重要作用是导正钻孔方向；钻遇很难用泥浆护壁方法解决的不稳定地层时，采用水泥护壁无效的情况下必下套管；需要隔离漏水层或涌水层时必下套管；处理孔内事故需要缩小一级孔径，而上面地层存有坍塌块、缩径危险时，需要下套管护壁。

（3）在设计钻孔结构时（尤其在新区）通常要留一级备用口径，万一出现无法处理的孔内复杂情况，还可以补下一层套管，以保证工程结束时能达到终孔直径的设计要求。

（4）在施工时某一层套管下完后，开始钻进又出现漏失、涌水、坍塌掉块或缩径等现象时，尽可能采用调整泥浆性能或水泥灌注的方法处理，穿过事故地层段后，扩孔重下该层套管，切不可轻易改变钻孔设计，再下一层新套管。

5　钻孔结构的设计应用举例

承德大乌苏沟矿区是河北省自2006年开展深部找矿以来，最先发现的超大型钒钛磁铁矿。它拉开河北省深部找矿的序幕，先后施工30个深孔，总工作量达到47379.81m，对于研究深部找矿理论和方法具有重要意义。

5.1该矿区的地层状况及构造

区域内出露地层有新太古界单塔子群、中生界地层及第四系。

新太古界为单塔子群，由老至新划分为燕窝铺组（Ary）、白庙子组（Arb）、凤凰咀组（Arf）及太平庄组（Art）（因篇幅有限，逐层叙述略）。

本区中生界主要分布在朝梁沟、孤山及后中关等盆地中，分别不整合于太古界变质花岗岩、变质闪长岩及基性、超基性岩之上。

区内第四系分布于山涧洼地、山麓边缘缓坡及河床沟谷之中。

区域构造以东西向深断裂为骨架，叠加燕山期北东向为主的断裂构造。区域构造从北到南有丰宁—隆化、红石砬—大庙、尚义—平泉3条深断裂，呈近平行展布。深断裂之间发育有燕山期—北北东、北西向次级断裂构造，切割成许多大小不等的断块，构成了隆起与凹陷相间的格局。

区内岩浆岩活动强烈，自太古代至中生代各个地质时期均有不同特征的火山—岩浆侵入活动，形成了不同类型的岩浆岩。主要与钒钛磁铁矿有关的岩浆活动，是在中、晚元古代沿红石砬—大庙深断裂带北侧产出的大庙基性杂岩体。

5.2该矿区主要岩石与可钻性

矿区位于黑山基性杂岩体西北部边缘，杂岩体由斜长岩和苏长岩组成，生成于远古带两者侵入关系。斜长岩：为先期侵入产物，分布广，面积较大，蚀变较强，主要由钠黝帘石石化斜长石组成，次有绿泥石、纤闪石等蚀变矿物，是组成含矿体的主要围岩。属中粗粒构造和块状构造；苏长岩：为后期侵入产物，呈各种不规则形态侵入斜长岩中。岩石呈暗灰色至灰黑色，主要由暗色斜长岩和少量紫苏辉石、单斜辉石等组成，是组成含矿体的直接母岩。属于粗伟晶结构，块状构造。

实验得知地表岩石极限抗压强度为95.12～157.89MN/cm2，内摩角84°，普氏系数12～18。深部岩石极限抗压强度69.04～251.05MN/cm2，普氏系数为7～26。

斜长岩约占80%以上，结构致密坚硬，研磨性较弱，可钻性7级，部分8～9级；苏长岩硬度、研磨性中等，可钻性6级左右；铁矿石可钻性8级。

主要矿层分布在800～1800m之间，埋藏较深，钻孔均为1300～2000m的深孔，施工难度较大。钻遇地层类型较多往往涉及更多、更古老地质年代所形成的地层。

5.3大乌苏沟矿区ZK2401钻孔结构设计

2006年施工的钻孔ZK2401是大乌苏沟矿区所施工的32个深孔勘查的第一个钻孔，设计孔深1440m，终孔直径要求不低于Ø56mm。根据地质所提供的地层状况、地层构造以及可能钻遇的地层柱状图，综合分析确定该孔的钻孔结构如图1所示。

图1　ZK2401钻孔结构（单位：mm）

一开用Ø150mm合金钻头开孔，钻进第四系覆盖层约8m下入Ø146mm孔口管，并用水泥固定；二开用Ø130mm合金钻头钻进风化层约15m，下入Ø127mm套管；三开因为钻遇岩石较破碎，软硬互层，裂隙发育，所以换用金刚石钻头采用Ø110mm绳索取芯钻具钻进，完全确认地层较稳定后，下入Ø108mm套管，深度大约95m；四开用Ø95mm金刚石绳索取芯钻具钻具，钻进600m破碎带，下入Ø89mm套管；五开采用Ø75mm绳索取芯钻进，800m处左右有一较大断层，主要以糜棱岩为主，非常破碎，且遇水膨胀，如使用化学护壁剂钻进，成本较高且孔深可能引起较大泵压，不利于钻进，必须下一层Ø73mm套管840m；六开采用Ø56mm绳索取芯钻进直至1440.2m终孔。

实际施工中钻孔结构分析：次钻孔的结构设计采用六级孔径结构，从地层状况和钻孔结构设计来看，套管结构比较复杂，但由于该孔是大乌苏沟矿区的第一个钻孔，底层的未知地层状况较多，所以本设计并无什么瑕疵。但施工的实际情况却出现这样的情况：当钻孔达到1300m设计孔深时，遇钻岩层正处在含矿的岩层中，地质技术人员要求连续2次加深，钻孔设计孔深更变为1460m。Ø56mm绳索取芯钻进至1440.20m时，净钻进深度达600余米，已达到小口径Ø56mm绳索取芯钻进的极限深度。当时泵压达到7～8MPa，Ø53mm钻杆接箍出现“钻涨”现象，恰巧地层刚出矿层5m，没能达到最终孔深，带着一丝遗憾，不得不宣布终孔。

5.4大乌苏沟矿区ZK2402钻孔结构设计

ZK2402钻孔设计孔深1900m，吸取ZK2401钻孔的设计经验，加深Ø89mm套管的下置深度至800～1000m，600m处破碎地层采用水泥灌注护壁的方法，尽可能减少一层套管级数，预留一层孔径，力争Ø75mm绳索取芯钻进终孔，钻孔设计如图2所示。

ZK2402钻孔结构设计如下：用Ø150mm合金钻具开孔，钻进覆盖层约为5m下入Ø146mm孔口管；Ø130mm合金钻头钻进风化岩层约10～15m，下入Ø127mm技术套管；因为浅层岩石较为破碎，裂隙也较发育，所以要求施工过程中用Ø110mm口径尽量多进尺，完全确认地层较为稳定后，下入Ø108mm。

技术套管，孔深约为80～100m；然后采用S95mm金刚石绳索取芯钻进，600m左右碰到破碎地层，采取水泥灌注护壁法，调整泥浆性能；到800～1000m处遇到非常破碎的以糜棱岩为主的断层时，下入Ø89mm套管，再使用S75mm绳索取芯钻具钻进至设计孔深。在实际施工中为防止泵压过高，我们采用非标钻头（钻头外径Ø77mm，比标准钻头外径大2mm），以增大钻具与孔壁的间隙，以利于冲洗液的循环。

图2　M24矿区典型钻孔结构设计图（单位：mm）

该孔与2007年4月15日开始施工，至2007年7月18日终孔历时93d，孔深1905.92m，创造了国产机具金刚石绳索取芯钻探当时全国最深记录。成为2007年探矿工程十大新闻之一。该孔的钻孔施工工艺获得河北省地矿局“局长特别奖”。ZK2402钻孔结构设计方案也成为大乌苏沟矿区后来30个钻孔结构设计的典型范例，对于小口径深孔岩芯钻探施工来说，极具参考价值。

6　总结

通过以上ZK2401和ZK2402两个钻孔结构设计的对比，可以看出：对于小口径深孔岩心钻探来说，应尽可能简化钻孔结构，能少一层套管，就减少一层，给下口径的施工预留余地，减少扩孔重下套管的可能，以确保工程顺利完成。ZK2401钻孔多下一层套管，终孔时带有一些遗憾；ZK2402钻孔少下一层套管、Ø75mm钻头增大2mm的口径，更显完美。

钻孔结构设计对每一个钻孔的施工都有非常重要的意义，它是保障钻孔能否顺利施工的关键所在。不论大口径的石油钻探、地热水井勘查、科学钻探，还是小口径的地质岩芯钻探，我们都必须高度重视，充分分析可能遇到各种地层因素，岩石性质等各种因素；根据单位施工能力、设备性能，选择钻进方法；综合各方面的因素，慎重确定钻孔的结构设计；最后每一个钻孔的结构设计还要通过有关专业人员的论证。

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1004-5716（2016）02-0060-04

2015-02-26

耿印（1970-），男（满族），河北承德人，工程师，现从事钻探技术施工与管理工作。