河北省煤田地质局物测地质队河北邢台054000
摘要：我国地质岩心钻探随着科学技术的不断进步，钻探技术逐渐走向了成熟，使我国钻探生产水平得到了大幅度的提高。岩心钻探是地质勘探工作中主要手段之一，钻探技术的好坏直接决定着地质勘探工作是否能顺利进行。因此，必须不断地创新岩心钻探技术，减少钻探的工作量，降低生产成本，保证施工质量和进度，使企业的经济利益最大化。笔者从事多年地质岩心钻探工作，对其有比较深的研究，本文就对岩心钻探施工工艺新技术的开发应用进行讨论分析，难免有不足之处，还望同仁批评指出。
关键词：岩心钻探；施工工艺；创新技术
1、钻探技术的概述及应用情况
在以往的岩心钻探工作中，施工钻孔的角度在75°—90°之间，这样的角度对于比较陡的地区来讲，可以使钻孔布放的密度增大，随之钻孔的深度也会增加。目前，我国大量的钻探工作量急剧增加，这就使得钻探施工的成本增加。在市场经济占主导地位的今天，地质勘探项目不仅仅是技术方面的困难，而且投资资金也是非常有限的。若想地质勘探能在此行业立足与发展，就必须深刻地认识到如何在保证地质岩心钻探施工的进度和质量下，实现项目利益最大化。针对这个难点，可以尝试通过改变矿区岩矿层的倾角，降低钻探工作量，从而减少生产资金投入，在保证施工质量的前提下，缩短施工周期，使项目取得最大的利益。
2、现今岩心钻探井身结构分析
2.1国内常用岩心钻探井身结构
国内常用的钻孔井身结构系列已无法适用在地质条件极其复杂的地层，套管级数少、钻头种类单一，造成钻进方法过于简单。主要存在以下几方面问题：
⑴下套管形式单一；
⑵套管级数少；
⑶下部井眼尺寸无法满足地质加深、优质、快速的目的；
⑷孔口套管与孔壁间隙小，容易发生事故。
2.2国外复杂地层井身结构系列
西方国家其对深孔复杂地层的井身结构比较多，根据地层的不同，采用不同的钻进工艺，下套管的方式及级数多样，常用的有多级套管。
2.3国外常用钻孔结构的特点
开孔直径大，使用大尺寸套管。深井及超深井采用多级套管，下部井眼采用大尺寸钻头为以后的钻进留有余地，有利于地质加深、地层突变等突发事故。
钻井眼尺寸大。全井能用大尺寸钻杆钻进，能使钻头类型及钻井水利参数得以优化。套管与井口尺寸选配合理。较小井口尺可能选用大尺寸钻头，大尺寸井眼尽可能选用较小尺寸钻头，利于充分发挥钻头的破岩效率，提高钻进效率，节约钻进时间及成本节约。
3、井身结构优化设计方法
3.1井身结构优化设计的原则
⑴能满足地质要求，有效提高安全、快速、低成本钻井。
⑵生产套管尺寸应能满足地质作业的要求。
⑶尺量采用NQS系列的套管和钻头。
⑷在满足下套管和注水泥要求前提下，使用外径与井口大小相符的套管，确保井口和套管的间隙。
⑸尽量使用89或91的进行长段钻进。
⑹对地质要求难度大的钻孔，套管程序设计要留有余地，可随时增加一层套管。
⑺在确保井内正常的情况下提高钻速，增加钻进效率，节约时间，节约成本。
3.2井身结构设计系数的确定
3.2.1传统的设计方法
传统的设计方法是由上而下，即套管设计从开孔由上而下依次递减套管尺寸。一般设计步骤为：从地表层开始，根据开孔地层所需的约束条件，确定套管的尺寸，再根据生产套管的内径并选用相应的钻头尺寸，然后以上一层套管内径必须让下部井段所用的套管和钻头是否可以通过为原则来确定上一层套管柱的最小尺寸。依此类推，选择跟进浅井段的套管和钻头尺寸。传统的设计方法具有以下特点：
⑴每级套管下入较浅，套管成本低。适合于熟悉地区或相对简单地层适用；
⑵上部套管下入深度的合理性为后期的钻进工作做好了铺垫；
⑶对于深孔钻探，由于存在地层的多变性，难以应用传统方法自下而上确定每层套管的下深。因此，需在传统的井身结构设计基础上改进。
3.2.2改进方法
在深井及探井中存在地层压力的不确定性、地层状态和岩性的不确定性、地层分层深度和完井深度的不确定性。其井身结构设计不应以套管下入深度最浅、套管费用最低为主要目标，而应要确保钻井成功率，顺利钻达目的层为首选目标。要提高钻探的成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便突遇复杂坍塌地层时能够及时下套管隔离。为防止用小尺寸井眼完井同时上部大尺寸套管下深，以便在下部地层的钻进时有一定的套管层次储备。可考虑采用自上而下设计方法。该方法除考虑开孔上下地层满足的平衡约束条件外，还考虑了井眼坍塌压力的影响以及必封点的问题。在确定了表层套管下深的基础上，上部井段需满足的约束条件，从表层套管靴外开始向下依次设计每层设计套管的下入深度，直至目的层的生产套管。该设计方法具有以下特点：
⑴套管下深时根上部已钻底层的，不受下部地层的影响，有利于井身结构的动态设计。
⑵每层套管下入的深度越深，越有利于保证实现钻探目的。
4、钻探施工技术的创新及应用方案
4.1套管护壁在我国大多数矿区，岩心钻探施工开孔难度都比较大。由于岩层风化破碎比较严重，钻进中一般会使用低固相泥浆护壁堵漏。但是往往这样处理的效果并不理想，孔内经常会出现塌陷、掉块的现象，导致开孔难度非常得大。若想较好地实施岩心钻探技术，保证地质勘探施工技术的有序进行，就必须降低开孔难度，做好开孔护壁的工作。可以在Φ108mm套管下端连接Φ110mm硬质合金钻头，采用套管当钻杆，并准备大量的短套管，大约长0.3-0.5m，随着钻杆向下。如果钻头在下降过程中受到阻碍，可以使用Φ76mm硬质合金钻具透孔，同时把泵开到一定量进行冲孔，然后再跟管钻进，直到达到设计的孔深。在这个施工阶段应该注意，套管丝扣间比较牢固、紧凑地连接，防止套管反扣和脱节。在岩心钻探套管下落时，必须精确地计算，将管下到指定的位置，同时在套管外壁均匀地涂刷润脂膏，让其能顺利地起拔。外层接触孔壁的套管，应该在丝扣处附上铁片并加以焊接，在焊接过程中，一定要注意焊接牢固和紧密性。
4.2选择适合的钻头在对矿区岩石层进行岩石钻头过程中，会出现硅质板岩和长石石英岩，其含量较高、硬度大、抗研磨性和抗压强度强，结构十分紧密，并存在于坚硬底层与其他岩层之间，反复出现，厚度不等。这些成分在与浅层地下水融合后会出现膨胀现象，可能会引发坍塌的危险，同时如凝灰岩、火山灰岩等成分在与地表水接触后会形成硅化石英岩，出现“打滑”情况。这样会导致岩心钻探钻头的速度减慢，钻进效率低。针对以上特点，在地质勘探施工中应该从金刚石的粒度和浓度，对钻头的硬度和辱面形状等方面进行反复的实验研究，根据矿区岩石层的实际情况，选择不同的岩心钻探探头。如金刚石绳索取心钻头选用高品级人造金刚石，品级SMD25（60/70）、浓度较低（60%±15）、粒度中等（65±5mm），钻头胎体选用的是尖齿型辱面形状，硬度为HRC20-25，其最高寿命可达79m，具有非常好的使用价值。
通常来说，单靠孔底岩石修磨钻头，出刃的效果并不好。一般需要人工磨削，采用砂轮机打磨钻头的工作辱面，使打磨方向和钻头回转方向一致。为了防止金刚石过早脱落，必须准确地把握打磨的力度，避免钻头出现打滑不进尺的现象。如果出现了钻头打滑的现象，可以把细小的石英颗粒投入钻杆柱内，磨损钻头胎体，使金刚石出刃达到令人满意的效果。
4.3金刚石钻进新工艺水平钻孔结构以小口径金刚石为主，尽量多在基岩中开孔。对于硬度较大的岩石层，可以使用孕锒金刚石钻头。在开孔前，可以先在基岩上面人工开凿一个深度在15±5cm、半径相当的孔，以便钻头准确地定位，从而增强钻具的稳定性，保证其施工的顺利进行。根据大量的实践表明，在0°—25°钻进过程中，孔壁对钻具的阻力较大，随着钻进深度的加深，摩擦阻力也越来越大。要克服这个阻力，就必须改变角度范围，在25°—60°之间进行岩石钻探，随着钻孔的加深阻力反而减少，非常利于钻孔施工的进行。
5、总结
随着我国科学技术的不断发展，各种钻探技术逐渐成熟，被广泛的应用。但是与国际先进水平还存在较大的差距，在施工中仍然存在很多问题。因此必须完善专业的配套设备、不断研究开发施工新技术、解决劳动力困难等问题，清楚地认识到岩石钻探施工过程中的重点和难点，选择合适的钻头，做好套管护壁工作，保证地质勘探工作的顺利进行。
参考文献：
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