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復雜地層鉆探因其地層穩定性差，鉆孔垮塌、掉塊、縮徑和超徑等鉆進故障非常普遍，嚴重影響著鉆探工程質量和鉆探效率。破解這一難題，服務地調主戰場，成為了地勘單位尤其是鉆探工藝研究單位苦苦追求的目標。 現如今，地質調查項目成果報告——川東州河流域地質災害調查與防治示范（原項目名稱：套管鉆進技術在西部地區成礦帶找礦中的應用示范）成果報告的提交，標志著我國在復雜地層鉆探技術方面取得了重大突破，也意味著向深地進軍又增加了一把利器。 復雜地層鉆進究竟難在哪？中國地質科學院探礦工藝研究所又是如何依靠科技創新來攻克這一難題的呢？近日，中國礦業報記者專門趕赴西南重鎮成都，進行了實地采訪。 復雜地層：鉆進的“老大難” 長期以來，復雜地層鉆進難問題一直困擾著我國的地質勘查工作。 “套管護壁是緩解復雜地層鉆進的有效措施，但傳統的套管護壁工藝的有效性是建立在對地層全面了解的基礎上，設計復雜的（多層套管）鉆孔結構。”中國地質科學院探礦工藝研究所所長胡時友介紹，地質鉆探屬于探索性工作，實際與設計往往不相符。施工中，由于復雜地層的深度和厚度的不可預見性，裸孔鉆進很難有效穿越復雜地層，即使鉆穿地層，提鉆和下套管過程中，鉆孔垮塌等故障難免，導致套管難下至有效孔深。 實際上，在石油鉆井行業，套管鉆進技術早就開始推廣應用。早在20世紀50年代，國外石油企業就有了套管鉆井的設想，但受當時技術裝備條件限制而未能實現。20世紀90年代，隨著新技術、新工藝、新材料、新方法等的大力推廣應用，套管鉆井技術逐漸發展成熟，并在國外石油鉆井工程中廣泛應用。 多年來一直致力于鉆探工藝研究的中國地質科學院探礦工藝研究所教授級高級工程師吳金生說，石油鉆井行業稱的套管鉆井和地質勘探行業稱的套管鉆進其實是一回事。套管鉆井是石油鉆井行業現代發展的一種全新的鉆井技術，其實質是采用套管代替傳統鉆桿柱傳遞機械能量和水力能量，驅動井底鉆具旋轉鉆進。鉆井施工中，無需起下鉆，而是通過套管柱的內通道，利用鋼繩投撈更換井下鉆具，實現邊鉆邊下套管。完鉆后提出井底鉆具，套管柱則留在井內作為完井套管。
直到2007年，我國吉林油田、大慶油田、大港油田、中國石油集團公司鉆井研究院和管材研究所5個單位聯合開展國家863項目 “套管鉆井技術”的研究，成功研究了“轉盤鉆井驅動方式的淺開發井套管鉆井工具配套系統”，完成了46口井的現場應用，最大鉆進井深1000米。 “該術將鉆進和下套管兩道工序合并成一個作業工序，無需起下鉆作業，采用隨鉆下套管方法把井下復雜問題減小到最低程度。與傳統鉆井方法相比，套管鉆井具有明顯的優勢，是鉆井工程的一次技術性革命，能為油田經營者帶來巨大的經濟效益。”吳金生介紹。 然而，這些國內外套管鉆井，均屬于石油鉆井行業領域的套管鉆井技術，普遍不具備連續采取巖心能力，而且鉆具（鉆井）直徑較大，在套管直徑小于某一標準的情況下，難以實現不提鉆更換井底鉆具，不適用于地質勘探領域的巖心鉆探。 “而地質勘探套管鉆進是借鑒石油鉆井行業的套管鉆井技術，結合巖心鉆探特點，例如地層較復雜且軟硬懸殊、全孔采集巖心、鉆孔直徑較小、鉆頭壽命較短、起下鉆頻繁等，在繩索取心鉆進技術的平臺上，提出的一種鉆探新方法，其目的是采用隨鉆下套管工藝，有效鉆穿地層，為下部鉆孔施工創造良好條件。”川東州河流域地質災害調查與防治示范項目負責人錢鋒說。 事實上，對小直徑鉆孔的套管鉆進技術，國外也早就有所研究，但并沒有取得成功。 “與套管鉆進技術的核心技術相關的不提鉆換鉆頭鉆進技術，澳大利亞、俄羅斯、美國等國曾進行大量研究，但普遍屬于探索性研究，大多處于室內研究試驗階段。其中，澳大利亞Mindrill Limite，上世紀70年代中期研究的楔頂式不提鉆換鉆頭鉆具，曾在進行試鉆，總進尺約17000米，但因擴孔翼部位漏水量較大、收縮機構容易卡死、瞄向定位不完善、鉆進可靠性差等結構缺陷，鉆具進一步試鉆中斷。”吳金生說。 該技術在我國的研究推廣也是一波三折。早在上世紀80年代，中國地質科學院探礦工藝研究所研究的BH-75不提鉆換鉆頭鉆具，在國內鉆探中實現了不提鉆換鉆頭取心鉆進。該技術在數十個地勘單位推廣應用，取得了較好的鉆進效果和經濟效益。但由于鉆具關鍵部位存在結構缺陷，僅局限于較完整的地層中使用，其換鉆頭性能在復雜地層中不穩定，加之鉆探成本較高，影響了該技術的推廣應用。 到上世紀90年代初，該所與內蒙古地礦局合作，采用不提鉆換鉆頭鉆具，在“內蒙白音若復雜地層綜合治理”中，曾進行套管取心鉆進的探索，初步證明原理可行，后因經費問題，探索工作中斷。直到2011年~2012年，該所承擔“地質勘探套管鉆進技術研究”項目，研究的114毫米套管鉆進技術，在龍巖馬坑鐵礦區石巖坑ZK9501孔進行了試驗，首次在鉆探工程中實現套管鉆進，取得了較好的套管鉆進效果。 “尤其是近年來，隨著找礦突破戰略行動的推進，國內一批地勘單位在巖心鉆探工程中，由于經常遇到復雜地層，成孔非常困難，先后多次到我所咨詢關于用不提鉆換鉆頭技術進行套管鉆進的相關事宜，使我們下定決心，一定要啃下這塊‘硬骨頭’！”胡時友說。 科研先行：打通最后“一公里” 國內外石油企業套管鉆井技術的成功應用，以及多年來自身對小直徑套管鉆進技術的持續研究，使該所對此技術有著更深刻的認識：依托地調項目，依靠科技創新，加強科技攻關，突破關鍵障礙，打通最后“一公里”！ “地質勘探套管鉆進的實質是，采用套管代替繩索鉆桿傳遞機械能，帶動孔底套管取心鉆具回轉鉆進,同時作為輸送泥漿的通道；采用繩索取心基本原理，進行不提鉆換鉆頭取心鉆進，鉆至預定孔深，打撈出孔底取心鉆具，將套管柱留在孔內保護孔壁，完成套管鉆進作業。”吳金生介紹，地質勘探套管鉆進同時具備了套管鉆井的優越性，通過不提鉆換鉆頭取心鉆進技術途徑，擺脫傳統的起下鉆工序，實現隨鉆下套管，可提高純鉆進時間比例，避免因頻繁起下鉆導致的孔內事故及其事故隱患，降低勞動強度，改善鉆探施工環境，實現快速、有效穿越復雜地層。 “為實現套管鉆進，需要在繩索取心鉆進技術的平臺上，研究開發可代替繩索鉆桿的套管，研究可實現不提鉆換鉆頭的繩索取心鉆具—套管取心鉆具，研究完善配套器具，集成研究套管鉆進工藝，形成完善的套管鉆進技術體系。”吳金生說。 2013年~2015年，該所的套管鉆進技術在四川若爾蓋鈾礦整裝勘查區進行了3次生產試驗和應用，經受了“五毒俱全”（孔壁易垮塌和掉塊、堅硬與軟地層頻繁換層、裂隙發育、漏失、易斜、取心困難等）復雜地層、斜孔、濃泥漿等惡劣鉆進工藝條件的考驗，滿足但不限于復雜地層套管鉆進的要求，具備巖心鉆探實用性。2013年在zk3-1孔創造了國內復雜地層巖心鉆探106米（10天）不提鉆的紀錄；2015年在zk12-1孔，又打破上述紀錄，將復雜地層巖心鉆探不提鉆紀錄提高至126米（17天），試驗和應用的鉆探效率、取心質量、孔斜指標等綜合鉆進效果良好，獲得施工單位的高度評價。 “項目研究開發的114毫米和91毫米套管鉆進技術，基本覆蓋我國套管護壁的常用口徑規格。以不提鉆換鉆桿取心鉆進，實現隨鉆下套管，有效穿越復雜地層。并具備隨時針對具體地層優化鉆頭使用方案、鉆孔防斜、改善鉆探施工環境和降低勞動強度等技術優勢，通過有效保證巖心鉆探質量和提高鉆探效率，為復雜地層巖心鉆探提供快速有效的套管鉆進技術。”吳金生表示。 與此同時，在2013年~2015年間，中國地質調查局地調資金資助的川東州河流域地質災害調查與防治示范（原項目名稱：套管鉆進技術在西部地區成礦帶找礦中的應用示范）項目，又為該所進一步完善提高套管鉆進技術提供了平臺。 該項目的總體目標是，開展套管鉆進技術研究，形成一套實用的地質勘探套管鉆進技術體系。主要任務是，研究完善114毫米套管鉆進技術，提高其可靠性和鉆探實用性；開展91毫米套管鉆進技術研究，包括取心鉆桿、高強度套管、配套器具和系統配套集成研究；研究地質勘探套管鉆進工藝，編制套管鉆進工藝規程；開展套管鉆進生產試驗和應用示范；套管鉆進技術經濟效果分析研究。 “該項目是我們所在已結題地質調查工作項目‘地質勘探套管鉆進技術研究’成果技術的基礎上，針對復雜地層鉆探的客觀影響因素、鉆進故障特征和傳統套管護壁技術的工藝缺陷，開展套管鉆進技術的應用研究，主要用于（但不限于）解決復雜地層巖心鉆探長期、普遍存在的鉆探效率低、鉆探成本高等技術難題。”胡時友說。 據了解，該所通過3年的工作，獲得了一種系統完善、實用的地質勘探套管鉆進技術，提出了具有自主知識產權的套管取心鉆進方法；主要口徑規格有114毫米和91毫米兩種，基本覆蓋和滿足巖心鉆探的常用套管（護壁）口徑規格；通過復雜地層和惡劣鉆進工藝條件的考驗，套管鉆進技術滿足地質勘探復雜地層套管鉆進工藝技術要求；為復雜地層巖心鉆探提供了有效的鉆進方法。 “該技術的核心是在復雜地層和惡劣鉆探工藝條件下，如何實現不提鉆換鉆頭取心鉆進。圍繞這一技術思路，我們主要圍繞不提鉆取心鉆進的專用套管取心鉆具、滿足鉆進用的高強度套管等關鍵技術，加強科技攻關，并結合復雜地層開展套管鉆進生產試驗和應用示范，研究制定地質勘探套管鉆進工藝規程。”錢鋒說。 當談到該項目的主要創新點時，胡時友如數家珍地說，提出和研究了一種全新的巖心鉆探方法——地質勘探套管鉆進技術，填補了該技術領域的空白，為有效穿越復雜地層提供了一種實用、優質、高效、環境友好（改善施工環境、降低勞動強度）的鉆探新方法；研究出了一種實施套管鉆進的孔內鉆進裝置——套管取心鉆具，使鉆具能在復雜地層和惡劣鉆進工藝條件下，保持穩定的不提鉆換鉆頭取心鉆進功能；研究出來一種具有雙重使用功能的套管。該項目獲得實用性專利1項，申請發明專利1項，發表論文2篇。 突破瓶頸：應用前景廣闊 眾所周知，地質勘探鉆進經常遭遇復雜地層，我國西部地區尤為突出。這類地層穩定性差，采用普通的鉆進方法，鉆孔經常出現故障，進而容易導致卡鉆、埋鉆、斷鉆桿等孔內事故，鉆探施工非常困難，普遍存在巖心質量差和鉆進效率低的問題，影響地質勘探進度。 “目前許多地勘單位仍然普遍使用傳統的‘先鉆裸孔，再下套管’隔離鉆孔的方法保護孔壁。鉆裸孔就比較困難，鉆穿難以準確預測深度和厚度的復雜地層更是難上加難。即使裸孔達到預定孔深，由于提鉆產生的抽吸和下套管對孔壁的擦刮作用，鉆孔孔壁坍塌、掉塊、縮徑等孔內故障難免。所以，也難保套管能下到預定孔深或穿過預定復雜地層，裸孔穿過而套管難以穿過復雜地層的情況仍然非常普遍。”錢鋒分析說，國內數百家地質勘探單位，在地質勘探中，均不同程度地鉆遇復雜地層，上述鉆進技術難題均普遍存在而至今尚未有效解決。國內復雜地層巖心工作量較大，巖心鉆探界一直期盼在鉆探工程中實現套管取心鉆進，以解決復雜地層鉆進技術難題。 2013年，該所的套管鉆進技術在復雜地層試驗成功，立即引起了業內的極大關注，許多地勘單位慕名前來取經學習。 “套管鉆進的技術優勢主要體現在以下五個方面：適用于復雜地層和惡劣工藝條件；擺脫頻繁的起下鉆輔助工藝，提高純鉆時間利用率，提高鉆探效率；維護鉆孔安全施工，可快速、有效穿越復雜地層；及時優化鉆頭使用方案，提高鉆頭使用效果；避免工程因素丟失巖心，提高巖心采取率。”錢鋒說。 然而，作為一種新的勘探鉆進技術，套管鉆進技術還存在諸多完善提高的地方。錢鋒舉例說，由于泥漿在套管內壁結泥皮，對打撈取心鉆具有一定影響。而該問題單從鉆具結構上只能減緩，不能從根本上解決，需要結合泥漿工藝、設計專門的除泥皮工具解決。同時，采用的專用套管，必須具備繩索鉆桿的能力，而當前的套管不能滿足鉆進要求，必須制造和采用專用套管，這必將影響推廣使用。今后在開發中，將基于普通繩索鉆桿，開展套管鉆進技術的推廣應用研究。 但不管怎樣，該所研發的套管鉆進技術，在開始向復雜地層進軍的同時，也拉開了向深地拓展的序幕。套管鉆進技術，前景可期！ |
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