钻孔稳定性和可钻性(Borehole Stability and Drillability)

1 引言

成功的钻孔首先取决于可钻性(Drillability)，影响可钻性的因素包括岩石的硬度，岩石的完整程度，钻机的工作性能；其次取决于在钻进过程中和钻孔完成后钻孔的稳定性。钻孔稳定性(Borehole Stability)尤其在石油工业中非常重要。影响钻孔稳定性的因素包括岩石不连续的程度，节理裂隙的发育程度以及地下水水位和裂隙水的流动情况。在这个笔记中，首先简要回顾了钻孔稳定性研究的基本原理；其次，结合山东栖霞金矿目前的钻探情况，提出对目前救援措施的一些观点。

岩体不连续造成钻孔剪切破坏

2 钻孔稳定性解析解

在断裂的多孔隙地层中，由于钻孔壁上的断裂会引起岩石引动，因此钻孔稳定性是主要关注的问题。其次，泥浆压力过大也会造成钻孔发生剪切和拉伸破坏。在过去的研究中，主要方法是根据弹性理论和弹塑性理论推导钻孔围岩的应力；随着数值模拟技术的发展，FLAC,UDEC等先进的数值方法也逐渐应用到钻孔稳定性的研究中。

泥浆压力过大引发的剪切和拉伸破坏

在经典的钻孔稳定性研究(发展解析解)中，主要考虑了以下情形：

(1) 各向同性应力场中垂直钻孔的弹性解

(2) 各向异性应力场中垂直钻孔的弹性解

(3) 各向异性应力场中倾斜钻孔的弹性解

(4) 考虑孔隙压力效应垂直钻孔的弹性解

(5) 钻孔稳定性的弹塑性解

(6) 钻孔稳定性的断裂梯度

(7) 断裂梯度预测的拉伸失败

(8) 孔隙弹性解

如果考虑更复杂情形下钻孔的稳定性，比如地下水-力的相互作用，只能使用数值方法进行求解，比如使用FLAC，UDEC, XSite等。

3 栖霞金矿10#钻孔的可行性分析

从1月20日起，10#钻孔开始计划钻711mm孔径的钻孔作为逃生舱通道，至21日首先使用大直径钻头(110mm) 钻进了18m，为了保护钻孔，这18m将使用套管保护孔口。截至目前时刻(1月23日晚上10点)，还没有看到最新的钻探记录。因此只根据前两天得到的资料分析一下10#钻孔成功的可能性。按照网上流传的视频，10#钻孔目前使用的是宝峨 BAUER BG30钻机。BAUER BG30旋挖钻机不是为采矿和石油工业深孔使用的，而是为作桩基础浅孔使用的，如果继续使用这个钻机钻探直径710mm的钻孔(已经过去两天了，还未看到目前10#钻孔的进展)，有点儿疑惑，能否钻到既定的580m深度。

在先前已经钻探的6个钻孔中，最大的钻孔直径是350mm, 现在钻孔的直径增加一倍，随之出现的问题也会显著增加。首先是钻进性，随着钻探深度增加，钻杆的扭矩会越来越小，如果遇到相对完整的(RMR>80)花岗岩，钻进速度会大大降低；其次，在钻进过程中，可能会遇到节理裂隙比较发育的地层，从已经废弃的2#钻孔推断10#钻孔也有这种可能性；此外，地下水也是一个不可忽略的因素，3#钻孔已经证实了地下水的存在。如果在直径710mm的孔内遇到大量的地下水涌出，那么这个孔必须废弃。

在钻进的过程中 ，除了大的不连续会把钻孔剪切变形外，开挖释放的应力和钻孔围岩的裂隙也会导致部分岩块从孔壁塌落。

岩石破碎带一方面可能会引起钻孔发生偏斜，另一方面，可能会引起钻孔的部分区域直径扩大，部分区域直径缩小， 显然这种钻孔形状用作逃生舱使用是不可以接受的。

以上推断只是没有事实依据的理论猜想，在随后几天的钻进过程中应该能够检验出这些担忧是否确实存在。总之，根据目前的推断，救援工作不能把主要的希望寄托在10#钻孔，而应该集中力量清除回风井中的障碍物，由于目前存活人员的生命状态已经得到保障，因此继续呆在井下15天或更长时间也是可以接受的，参看《矿难回顾: 智利圣何塞(San Jose)铜金多金属矿救援钻探计划》。