合理选择钻孔环状间隙的方法研究

胡延海，姚改委，袁明文

（河南省有色金属地质矿产局第六地质大队 河南 郑州 ４５００１６）

摘 要：为解决目前深孔钻探施工中，存在传统口径、传统管材系列与绳索取心金刚石钻进口径、管材系列不匹配，钻孔外环状间隙偏小，泵压损耗大，液流不畅，泵压偏高或蹩泵及套管下不到位，导致１ ０００ｍ以后无法正常钻进和套管起拔时易拉断的突出问题，文章对钻孔环状间隙的合理性及选择方法，进行了对比研究并提供实例加以说明。

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关键词 ：深孔钻探；钻孔环状间隙；选择方法

中图分类号：TG937 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．03．０38

收稿日期：２０14－11-28

矿产资源是国民经济发展的基础。经过多年来大规模强力开发，我国矿资源优势正在削弱和丧失。浅部矿床已基本开采殆尽，资源保有储量不足，保障能力下降，已成为我国经济持续发展的约束和瓶颈。为增加矿产资源储量，增强矿产资源对国民经济和社会可持续发展的保障能力，提高矿产资源管理宏观调控水平，应对资源保障程度不足的严峻挑战，国家近几年先后出台了“关于加强地质工作的决定”、“设立中央地质勘查基金”、“危机矿山接替资源探边摸底”等政策，加大了国家财政对矿产资源勘查投入力度，鼓励和引导社会资金投入，建立矿产资源勘查投入良性循环机制。“攻深找盲”有了新认知、新思路、新战略，国土资源部及时提出了找矿新机制和“３５８”找矿目标。

广泛开展深部矿产勘查是增加资源储量的重要途径，而深部钻探是勘查深部矿床资源的最直接手段。深部钻探技术材料设备又是进行深部钻探的强有力保障。以下通过对传统地质管材和绳索取心金刚石管材的比较研究，旨在深孔施工中选择合理、配套的管材，保证合理的钻探施工中的环状间隙，从而能够保障正常钻进，避免事故，提高效率和效益。

１ 传统地质管材和绳索取心金刚石管材规格、系列

分别见表1~表10。

２ 传统地质管材和金刚石管材对比

我国绳索取心金刚石钻进管材系列比较混乱，原因是多渠道多部门的多系列引进，及原地矿部和冶金部都颁布有管材系列。系列不统一，互换性差，导致使用十分不便。

传统钻探系列口径一般为Φ１５０、Φ１３０、Φ１１０、Φ９１、Φ７５等，使用套管系列一般是Φ１４６、Φ１２７、Φ１０８、Φ８９、Φ７３；使用钻杆基本是Φ５０钻杆，孔壁间隙大，加之施工孔深相对较浅，可以说基本不存在泵压高问题。这实际正是复杂地层泥浆护壁钻进时仍改用传统钻具钻进的重要原因。

从上述表看出ＺＳ５９系列的钻杆体外径Φ５５．５ｍｍ，与成孔口径Φ６０，环状间隙为２．２５ｍｍ，接头处只有１．５ｍｍ，钻杆接头处环状间隙偏小，扩大钻头外径１－２ｍｍ左右，最大成孔口径为Φ６２，泵压即可改善，而钻杆与Φ７３×４．５套管环状间隙是没有问题的，实际施工中有遇较特出情况用Φ７３×７．５钻杆或Φ７１×５钻杆做技术套管的先例，Φ６０口径钻进则不能用扩大钻头；目前绳索取心最常用的是Ｎ与Ｈ系列，Ｎ系列Φ７３×７．５钻杆或Φ７１×５钻杆与Φ８９×４．５套管之间环状间隙是匹配的，Φ８９×４．５套管采用内平连接，此时Φ７５ｍｍ钻头可加大到Φ７８ｍｍ，钻杆与钻孔环状间隙增加到４．５ｍｍ，泵压得到良好改善，保证了泥浆泵的适应孔深增加；Ｈ系列采用Φ９６钻头，Φ８９×５钻杆，Φ１０８×４．５套管内平连接时，Φ８９ｘ５钻杆与Φ１０８×４．５套管间隙在５ｍｍ，Φ９６钻头扩大受到限制，扩孔器加大到Φ９８ｍｍ后可能通不过Φ１０８×４．５套管。而地层因素需要钻孔间隙不能太小，这正是所用系列与传统管材的不匹配之处，有Φ１１４×４．５套管会更适合，单独订购又太不经济，从而限制了使用。

ＤＺ／Ｔ０２２７－２０１０《地质岩心钻探规程》规定了钻孔公称口径系列，即６０ｍｍ、 ７６ｍｍ、 ９６ｍｍ、 １２２ｍｍ、１５０ｍｍ。新口径系列比较合理，适于深孔绳索取心金刚石钻进选用。专家推荐的套管系列为（在ＧＢ／Ｔ１６９５０标准基础上）：

从表１１看出，新系列尺寸相对合理。

３ 适应深孔绳索取心金刚石钻进

相关专家建议的钻孔结构见表１２。从表１２可以看出，简单地层开孔口径Φ１２２ｍｍ，下Φ１１４ｍｍ孔口管，理论环状间隙为４ｍｍ，Φ１１４×６孔口管与Φ９６ｍｍ口径的环状间隙为３ｍｍ，Φ９６ｍｍ口径与Φ９１×４．５套管的环状间隙是２．５ｍｍ，与Φ８９×５钻杆的环状间隙是３．５ｍｍ，Φ９１×４．５套管与Φ７６ｍｍ口径钻头处间隙是３ｍｍ，与Φ７１×５钻杆的外环间隙是５．５ｍｍ。显然，专家推荐的钻孔结构比较合理，深孔绳索取心金刚石钻进应推广采用。

为保证套管下管顺利，除提高套管加工精度外，应以地层岩石可钻性级别不同，孔深不同，确定钻孔外环间隙大小，岩性较软，需要环状间隙较大，如下Φ１０８ｍｍ套管，可选Φ１１３ｍｍ、Φ１１５ｍｍ或Φ１２２ｍｍ钻头成孔，商丘虞城一带铁矿磁异常普查钻孔，因覆盖层太厚，需下套管近千米，为保证Φ１０８ｍｍ套管下管顺利，我单位曾选用Φ１３３ｍｍ钻头开孔。

不同地层对套管起拔产生影响。详见表１３，从表上可看出，下套管是否顺利与套管起拔力大小均受地层因素影响，不同地层对套管外壁单位面积的摩阻力大小不同。施工实践证明，套管深度增加，总摩阻力增加，套管起拔力需增加，下套管时，套管自重可以抵消部分摩阻力。

４ 应用实例

根据以往施工经验，舞钢矿区一般用四级结构完孔，即开孔Φ１３０ｍｍ，下Φ１２７ｍｍ孔口管，换径Φ１１３ｍｍ口径钻进，下Φ１０８ｍｍ套管，再换Φ９７ｍｍ口径，下Φ８９ｍｍ套管，最后换Φ７８ｍｍ口径至终孔。遇地层简单，也采用三级钻孔结构，即用Φ１１３ｍｍ口径开孔，Φ９７ｍｍ钻进，Φ７８ｍｍ终孔。若选用孔径再大，所需管材笨重，成本加大，因此选孔径不能过大，而受终孔口径限制，又不能再小。采用套管系列为Φ１０８×４．５、Φ８９×４．５，创新点是套管连接改传统内接箍为外接箍，以增大套管内通径，由此钻头外径可增大１～２ｍｍ，其钻孔外环状间隙调整为２．５ｍｍ左右，基本保证钻进过程中泵压不致太高。满足２０００ｍ以内孔深，可保证钻机原配套泥浆泵正常应用。

４．１ 舞钢矿区ＺＫ１０８０８ 钻孔

选择舞钢经山寺矿区ＺＫ１０８０８钻孔，结构见图１，设计孔深１７００米，直孔，采用ＸＹ－６Ｂ 钻机，配套ＢＷ３２０泥浆泵，２０１１年１０月３日开钻，应用三级钻孔结构，开孔Φ１１３ｍｍ钻头，覆盖层下Φ１０８×４．５ｍｍ套管，换径Φ９７ｍｍ，过破碎带后下入Φ８９×４．５ｍｍ套管，换Φ７８口径运用无固相冲洗液钻进，２０１２年２月１２日结钻，历时１２９天，终孔井深１ ７２９．５０ｍ，钻孔经地质验收认定为一级钻孔，实践证明，钻孔结构基本合理， 钻孔外环间隙增大２ｍｍ，１ ３００ｍ以下钻进泵压为４．５－７ＭＰａ，施工较顺利。该孔纯钻１ ２７４ｈ，铺助时间１ ２２０ｈ，机故时间１２２ｈ，其他４８０ｈ，日最高进尺为３６．２ｍ，全孔平均时效为１．３６ｍ／ｈ，平均台效为４０２．２１ｍ／台效。

４．２ 舞钢铁山矿区ＺＫ２０７００钻孔

设计孔深１１５０m，采用ＸＹ－６Ｂ钻机，ＢＷ２５０泥浆泵，２０１１年１０月２９日开钻，０~３０m用Φ１３０ｍｍ钻头钻进第四系地层，下Φ１２７×４．５ｍｍ井口管后，换Φ１１３ｍｍ口径，至１７０ｍ钻穿第一不稳定层后，下入Φ１０８×４．５ｍｍ套管，换径Φ９６ｍｍ钻头，至５３０ｍ钻穿第二破碎层，下入Φ８９×４．５ｍｍ技术套管护壁，再换径Φ７６ｍｍ钻头钻进，６９４－７２６ｍ又遇强蚀变代，岩粉较多，改泥浆钻进，因泥浆性能维持不好，调整不及时，泵压较高，２０１２年１月１４日至孔深８６１ｍ时在蚀变带孔段发生断钻事故，因蚀变带孔段钻孔扩经，钻杆在该孔段找不到断头，经多方法多日处理无效，不得已作了报废处理。挪孔后２０１２年２月２９日再次开钻， ２０１２年８月１５日左右结束，结钻孔深１ ２０４m。该孔教训是，一是泥浆性能调整不到位，性能差，泵压长期在高位上运转，护壁效果不好；二是钻孔结构不合理，钻孔在３５０－５３０m左右鉆遇厚层的混合岩，因石英含量高而强度较硬加之破碎，钻进效率较低，Φ８９ｍｍ套管被迫提前下入，改变了原定的把Φ８９ｍｍ套管下至７３０ｍ左右的初衷，受终孔口径限制，在强蚀变带孔段水泥浆封护多次，待凝与扫孔误时较多，至效率低，成孔周期较长，效益差。

５ 结论

（１）绳索取心金刚石钻探钻孔外环间隙大小决定深孔施工成败。传统金刚石钻孔外环间隙偏小，不适于深孔钻探施工。使用加大钻头，增加环状间隙，可降低上返速度，降低环空压力损失，从而增加泥浆泵适应孔深。解决了钻孔环状间隙问题，一是可以保证现有配套泥浆泵在１ ５００～２ ０００ｍ孔深段能正常使用，二是保证深孔下套管相对顺利及套管较易起拔（对套管口部外环间隙采取密闭措施）。

（２）深孔施工钻孔结构必须优化设计，使用新系列口径与新套管系列比较合理，目前情况下，创新应用传统套管改为内平连接，使用加大钻头，基本适应舞钢矿区整装勘查深部钻孔施工地质需求。

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参考文献

１ 姚改委．地质手段方法在矿山采空区调查中的应用浅析［Ｊ］．地球，２０１２（１１）

２ 姚改委．如何发挥项目负责人在地质矿产勘查项目中作用浅议［Ｊ］．城市建设理论研究，２０１２（３５）

３ 张永勤． 我国地质找矿取心（样）钻探设备现状及提高效能的分析研究［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２００６（８）

（责任编辑 吴 汉）