特深孔施工

（一）特深孔概述

为开发或研究地壳深部地质和矿藏等情况而进行的钻探工程称为深部钻探工程,又称科学钻探。特深孔的深度定义,随钻探工程技术的发展而变化,不同的应用领域钻孔深度的划分标准也不同。目前,用岩心钻机施工深3000m以上的钻孔或用石油钻机以及其他旋转钻机施工深8000m以上的钻孔,统称为特深孔。

最早进行大陆科学钻探的国家是前苏联,最深的钻孔记录也是前苏联创造的。其中SG-3钻孔的钻探时间最长,进尺12262m（1970～1989年）。这个记录至今无人打破。

我国大陆科学钻探工程CCSD-l井于2001年4月18日在江苏省东海县安峰镇毛北村开钻,至2007年12月17日通过国家发展改革委员会和国土资源部组织的国家验收。

该井是目前世界第三、亚洲第一深井,井深达到5158m,孔径256mm,工程总投资：1.76亿元。

1.钻孔深度分级

（1）地质岩心钻孔深度分级（表1-3）

表1-3 地质岩心钻孔深度分级表 单位：m

（2）石油钻孔深度分级（表1-4）

表1-4 石油钻孔深度分级表 单位：m

（3）科学钻探深度分级,见表1-5

表1-5 科学钻探深度分级表 单位：m

2.特深孔施工目的

1）研究深部地质学、实施国际岩石圈计划（ILP）的主要手段之一。

2）探察地壳和上地幔的结构,研究其物质组分和矿产分布规律,研究新的成矿理论。

3）验证深层地球物探探测资料。

4）探索地震预报新途径。

5）在火山岩区勘探和开发“干热岩”地热能源。

6）作为地壳深部长期观测孔站,装置仪器长期观测地磁、地电、地应力、地热变化,掌握地壳活动规律,研究岩矿成因、变质作用、物相转化、合成矿物的条件等。

7）作为地壳深部核废料处理场。

3.特深孔施工特点

特深孔钻探与一般钻探相比,具有以下特点：

1）孔位应选在地壳尽可能裸露的结晶岩地区。

2）要尽量取出全套地层的地下地质实物资料,如岩心、岩屑侧壁岩样、液态和气态样,进行地球物理测井和采集信息资料。

3）为减轻钻探设备的总质量、节约功率总消耗,使用高强度轻合金钻杆；为保持长钻杆柱（3000～15000m）的高度稳定性、预防钻孔弯曲,大量削减起下钻次数,降低非生产时间和劳动强度,要采用与孔底动力机（涡轮钻、螺杆钻、冲击回转钻）结合的绳索取心和孔底换钻头等新技术。

4）结晶岩坚硬,要研制全新式长寿命金刚石钻头。

5）由于钻探工作是在高温（150～400℃）、高压（100～150MPa）状态下进行,各类孔底动力机、钻头、测井仪器、电缆等都要提高耐高温、高压的能力,还必须采用抗高温的钻井液材料和处理剂。

（二）特深孔工艺

特深孔钻探施工除同普通钻探施工所共有的井斜、井壁坍塌、岩石坚硬三大施工难题外,还会遇到深部地层内高温、高压等难题。因此,特深孔钻探施工是一项集科学与技术于一体的综合性工程,也是多学科、多领域的系统集成。

特深孔施工一般采用两种施工工艺方法：

1.单孔施工法

即岩心钻探方法与石油钻井方法相结合。利用石油钻井中的固井技术进行固井施工,利用地质岩心钻探金刚石钻进技术和绳索取心技术进行钻进和获取岩心。

钻孔结构一般为“三开”井结构。适用于孔深小于3000m的钻孔（图1-7）。

图1-7 单孔钻进钻孔结构图

第一次开钻主要钻地表层,下表层套管,固井（必要时安装井口装置,包括防喷装置等）。

第二次开钻主要是钻进施工,包括钻进、中途测试井斜等,然后下入技术套管并固井。

第三次开钻后仍主要是钻进施工、中途测试井斜等,并下入技术套管（或尾管）后固井。

根据现场实际情况不同,也可以是多开井。

2.双孔施工法

图1-8 双孔钻进钻孔结构图

所谓双孔施工方案,是指为了降低工程施工难度,更好地实现要达到的钻孔施工目标进行的两口钻孔的钻探施工。即先在最终目标钻孔附近钻一小直径、深度较浅的取心钻孔,然后再施工最终目标钻孔。小直径浅孔即称为先导孔或指示孔,后来施工的达到最终目标的钻孔称为主孔。在顺利完成先导孔岩石取心任务后,再转移到主孔施工时其上部地层就不再取心,大大减少了钻井的难度与风险,直接利用传统的破碎地层钻井方式钻到先导孔所钻的深度后,再重新进行取心作业。这样做的最直接的目的就是以上部井段的直来保证下部井斜不超过标准,使地学钻探达到预期的井深。双孔施工法如图1-8所示。

双孔施工法具有以下优点：

1）钻先导孔后,主孔上部采用大直径液动锤全面钻进,有利于防止孔斜。

2）先导孔小直径取心,代替主孔上部大直径取心,节省施工费用。

3）获得主孔钻探技术方案精确设计所需的地下岩层信息。

4）可在先导孔中试验将在主孔中使用的钻探器具和材料。

5）先导孔为将来进行钻孔间试验提供了条件。

特深孔钻探采用双孔施工法,也是其他国家大陆科学钻探施工中普遍采用的方案。

（三）特深孔施工组织

1.施工人员组织

成立特深孔施工项目部,配备具有相关专业知识、专业技术、业务能力强的人员组成施工队伍,由其中一人担任项目部经理,全权负责项目的实施；项目部下设若干职能部门,由各职能部门负责人分别负责各自的职能工作,形成一个组织完整、管理科学、技术精湛、人员年富力强的专业施工团队。

2.机械设备组织

1）钻机选择。YDX-5型全液压岩心钻机或HYDX8B全液压动力头式岩心钻机。

2）泥浆泵选择。BW-250或BW-320泥浆泵。

3）钻具选择。螺杆马达+液动锤+金刚石绳索取心“三合一”钻进。

4）钻头选用。HQ\NQAA系列,人造金刚石孕镶尖齿钻头,胎体硬度32～35HRC（部分胎体硬度30～32HRC）,金刚石进口料占50%。产地（皇冠）无锡南方金刚石工具厂。

5）钻杆选用。HQ、NQ系列配套钻杆。

6）泥浆选用。能适应高温、高压,稀释性好,性能稳定的泥浆。泥浆性能：相对密度1.12～1.18,黏度25～28s,失水量10～15mL/30min。浮土及风化破碎地层采用套管护壁,破碎漏失严重地层采用锯末等惰性材料堵漏或水泥护壁堵漏。正常孔段采用泥浆护壁。