西藏羅布莎科學(xué)鉆探施工對(duì)深部鉆探技術(shù)的啟示

陳師遜，翟育峰，王魯朝，仲崇龍

(山東省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，山東 煙臺(tái)264003)

0 引言

西藏羅布莎科學(xué)鉆孔是“大陸科學(xué)鉆探選址與科學(xué)鉆探實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目中施工難度最大的鉆孔。隸屬于國(guó)家重大科技專項(xiàng)“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”。該項(xiàng)目于2009年6月開(kāi)始施工，2012年9月結(jié)束，共施工2個(gè)鉆孔，終孔孔深分別為1477.80和1883.79 m，該孔深雖然在內(nèi)地不算最深的，但在青藏高原上被稱為“第一深孔”。該科學(xué)鉆探項(xiàng)目的施工和提供的實(shí)物資料為揭示印度板塊和亞洲板塊碰撞邊界和過(guò)程、研究雅魯藏布江蛇綠巖帶的形成與侵位機(jī)制，進(jìn)而為鉻鐵礦找礦突破前景提出重要理論依據(jù)，為開(kāi)展西藏雅魯藏布江縫合帶中超鎂鐵巖體的深井鉆探(＞5000 m)和資源評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

該科學(xué)鉆探項(xiàng)目的施工對(duì)深部鉆探技術(shù)帶來(lái)許多啟示，作為施工單位，我們有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

1 繩索取心鉆桿的強(qiáng)度(扭矩和絲扣拉力)潛力大

國(guó)內(nèi)推廣小口徑鉆探以來(lái)，雖然在地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程中列出了最小公稱口徑為30 mm，還有38、48 mm等小口徑系列，但在實(shí)際生產(chǎn)中很難遇到。這主要是由于沒(méi)有與之相匹配的高強(qiáng)度鉆桿，特別是繩索取心鉆進(jìn)，口徑越小，鉆桿直徑要相應(yīng)減小，強(qiáng)度也會(huì)降低?？梢韵胂笠幌拢绻O(shè)計(jì)一種與30 mm口徑配套的繩索鉆桿，鉆進(jìn)能力很難超過(guò)50 m。在以往的地質(zhì)勘探中，由于探礦深度較淺(一般孔深＜1000 m)，最常用的是56 mm口徑(老規(guī)范)。隨著新時(shí)期國(guó)內(nèi)深部探礦戰(zhàn)略的實(shí)施，設(shè)計(jì)鉆孔深度逐步加深，國(guó)內(nèi)56 mm口徑的繩索取心鉆桿強(qiáng)度已經(jīng)不能適應(yīng)孔深要求，鉆孔終孔口徑逐步被75 mm(NQ)口徑替代，同時(shí)采取各種手段和措施提高鉆桿強(qiáng)度。目前國(guó)內(nèi)最高NQ繩索取心鉆桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度可以滿足3000 m孔深需要。

在羅布莎科學(xué)鉆探項(xiàng)目施工中，采用NQ繩索取心鉆進(jìn)至1533.92 m，由于地層嚴(yán)重破碎、坍塌，無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，采用了許多技術(shù)措施也沒(méi)有很好的效果，經(jīng)研究采用了把NQ鉆桿下入作為套管使用，用56 mm孔徑繩索取心繼續(xù)鉆進(jìn)，本來(lái)是一種探索性的試驗(yàn)，如果鉆桿扭矩達(dá)不到，還可以考慮采用階梯鉆桿等措施，結(jié)果一直鉆進(jìn)至1853.79 m終孔，這在以往是不可想象的，這說(shuō)明我們對(duì)鉆桿強(qiáng)度的理解過(guò)于保守。我們?cè)凇爸袊?guó)巖金第一深鉆”施工中，用設(shè)計(jì)鉆深強(qiáng)度3000 m的NQ鉆桿施工至3300 m，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)孔深。

當(dāng)然，鉆桿承受的扭矩和拉力不僅是由孔深決定的，孔內(nèi)阻力、鉆進(jìn)參數(shù)等都是影響扭矩和拉力的主要因素。在實(shí)際施工過(guò)程中，一定要因地制宜，不能盲目超過(guò)鉆桿強(qiáng)度能力鉆進(jìn)，要充分考慮鉆孔內(nèi)的狀況，盡量減小鉆進(jìn)參數(shù)，以免造成斷鉆桿事故的發(fā)生。

2 加大環(huán)狀間隙，實(shí)現(xiàn)繩索取心壓力平衡鉆進(jìn)

壓力平衡鉆進(jìn)技術(shù)是由石油鉆井引進(jìn)到巖心鉆進(jìn)中來(lái)的。主要技術(shù)原理是控制環(huán)狀間隙內(nèi)的沖洗液壓力(環(huán)空外壓力)，使之等于或接近于地層壓力，并保證在任何情況下，都小于地層的破裂壓力，達(dá)到保持孔壁穩(wěn)定，防止環(huán)空壓力過(guò)大造成沖洗液漏失，壓垮孔壁，或環(huán)空壓力過(guò)小造成孔壁垮塌。環(huán)空外壓力的大小和變化與環(huán)狀間隙有密切關(guān)系。繩索取心鉆進(jìn)方法的主要特點(diǎn)是內(nèi)管從鉆桿內(nèi)投放和打撈，內(nèi)管外徑比較大，導(dǎo)致環(huán)狀間隙太小，容易造成環(huán)空壓力的劇烈變化，實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)相對(duì)較難，對(duì)一些軟弱、漏失地層，采用繩索取心鉆進(jìn)容易出現(xiàn)泵壓較高、壓漏、孔壁坍塌等，甚至造成孔內(nèi)事故，所以在深孔繩索取心鉆進(jìn)中一定要注意加大鉆頭的使用。鉆頭加大會(huì)增加鉆頭的底唇面積，影響鉆進(jìn)效率，因此鉆頭是否加大，加大多少尺寸還要根據(jù)地層情況決定。

羅布莎科學(xué)鉆深LSD－02孔施工中，在967.50～1469.17 m孔段采用S75繩索取心鉆桿配95 mm鉆頭的鉆進(jìn)方法收到了良好效果。下入108 mm套管之后，換S95繩索取心鉆進(jìn)，采用無(wú)固相沖洗液，有些粗顆粒巖粉攜帶不上來(lái)，出現(xiàn)泵壓高，漏失、孔壁不穩(wěn)、坍塌。原計(jì)劃用95 mm口徑鉆進(jìn)至1400 m后下入89 mm套管。當(dāng)鉆進(jìn)到967.50 m時(shí)由于孔內(nèi)沉渣太多，泵壓很高，孔壁被壓裂，漏水，幾次封孔也沒(méi)有效果，已經(jīng)很難繼續(xù)施工下去。針對(duì)地層較軟的狀況，設(shè)計(jì)了一種邊鉆進(jìn)邊擴(kuò)孔的鉆進(jìn)工藝方法，即用S75繩索取心鉆進(jìn)工藝的同時(shí)，在鉆頭外部連接一個(gè)S95鉆頭用來(lái)擴(kuò)孔。加工的擴(kuò)徑鉆頭如圖1所示。這樣就相當(dāng)于增大了環(huán)狀間隙，既實(shí)現(xiàn)了繩索取心，又有利于實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)，同時(shí)把沖洗液換成更有利于保護(hù)孔壁和攜帶巖粉的LBM低固相泥漿。用此工藝鉆進(jìn)至1469.71 m，沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題，鉆進(jìn)效率高，效果很好。

要實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)，光靠增大環(huán)狀間隙還是不夠的，還要控制泵量、控制提下鉆速度等一些措施。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)加工的特殊鉆頭

3 事故是影響深孔鉆探效率的主要因素

鉆探生產(chǎn)中有句俗語(yǔ)“不怕慢，就怕站”，特別是對(duì)深孔鉆探，一旦沒(méi)有進(jìn)尺，就很可能意味著孔內(nèi)有事故或孔內(nèi)不正常，處理孔內(nèi)事故和狀況有的較為簡(jiǎn)單，但遇到孔壁不穩(wěn)定狀況時(shí)就很麻煩，如果措施不當(dāng)，往往會(huì)使孔內(nèi)越來(lái)越復(fù)雜，造成更大事故甚至報(bào)廢。深孔鉆進(jìn)施工周期長(zhǎng)，鉆遇的地層類型多，孔內(nèi)事故是難免的，也因投入較大不能輕易報(bào)廢，因此事故的次數(shù)和處理方法成為影響深孔鉆探效率的主要因素。

羅布莎礦區(qū)主要代表巖石是蛇紋石化橄欖巖，可鉆性5級(jí)左右，屬較軟巖石，這類巖石對(duì)金剛石鉆進(jìn)來(lái)說(shuō)非常容易，進(jìn)尺很快，但施工效率卻很低，主要原因是孔壁不穩(wěn)定和孔內(nèi)坍塌物太多造成無(wú)法連續(xù)鉆進(jìn)，事故率太高的原因，加之封孔待凝透孔等時(shí)間，LSD－2號(hào)孔不能正常鉆進(jìn)的時(shí)間達(dá)511天，占總時(shí)間的70%。表1列出了LSD－2號(hào)孔主要事故和處理所占用的時(shí)間。

表1 LSD－2號(hào)孔主要事故和處理所占用的時(shí)間統(tǒng)計(jì)

我隊(duì)其他深孔的施工也證明了這一點(diǎn)，一小孔段的破碎(不穩(wěn)定)地層如果不能快速穿過(guò)，發(fā)生坍塌，破壞了其原有的結(jié)構(gòu)，越處理越復(fù)雜，可能會(huì)占用很長(zhǎng)時(shí)間，使臺(tái)月效率成倍降低。在處理事故中求穩(wěn)也是很重要的，不能急于求成。除了常用的一些方法外，磨滅、繞開(kāi)、擴(kuò)大等方法雖然速度較慢，但都是較為有效的。對(duì)淺孔來(lái)說(shuō)，報(bào)廢重打甚至比處理還要節(jié)約成本，但深孔則不然。因此要做好孔內(nèi)事故的預(yù)防，一旦出現(xiàn)事故要盡快制定有效措施處理。

4 鉆探設(shè)備應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足深孔鉆探需要

隨著中國(guó)深孔鉆探的逐步發(fā)展，鉆探設(shè)備也迅猛發(fā)展起來(lái)，以適應(yīng)深部找礦鉆探的需要，如20世紀(jì)80年代我國(guó)巖心鉆機(jī)機(jī)型主要為XY－2、XY－3、XY－4等立軸鉆機(jī)，到目前已經(jīng)發(fā)展到XY－5、XY－6、XY－8甚至XY－9為主，還發(fā)展了一大批不同型號(hào)的動(dòng)力頭鉆機(jī)。水泵也從BW－90型到目前的BW－250甚至BW－320型。但在改型換代的過(guò)程中，“擴(kuò)大”的成分較多，體現(xiàn)出的“創(chuàng)新”，“實(shí)用”成分不足。也就是說(shuō)鉆探設(shè)備技術(shù)參數(shù)應(yīng)更合理，以適應(yīng)深孔鉆探生產(chǎn)需要。

立軸鉆機(jī)的參數(shù)主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)速的設(shè)置和動(dòng)力的配備。深孔鉆進(jìn)一般鉆孔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，淺部鉆進(jìn)時(shí)口徑較大，轉(zhuǎn)速無(wú)需太高，即可以滿足鉆頭線速度的需要，深部口徑小，但由于孔內(nèi)阻力、鉆桿強(qiáng)度等因素已無(wú)法實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，因此鉆機(jī)設(shè)計(jì)中一味追求高轉(zhuǎn)速是不合理的。深孔鉆探中最常用的轉(zhuǎn)速應(yīng)該在200～500 r/min，而這一區(qū)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速分布又非常不均勻，轉(zhuǎn)速擋位有的只差幾轉(zhuǎn)，而有的相鄰轉(zhuǎn)速間差距又很大，顯然是不符合深孔鉆探生產(chǎn)需要的。如某深孔立軸鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速為81、140、217、225、373、389、605、1037 r/min。

高轉(zhuǎn)速擋位無(wú)法使用，動(dòng)力配備自然可以小一些。

深孔鉆探中，隨著孔深的增加，沖洗液循環(huán)阻力也增大，泵壓升高。但在鉆桿密封好的條件下，對(duì)沖洗液量的要求是不變的。而有些單位在選擇水泵時(shí)，往往最注重基本參數(shù)——最大泵量，而忽視了額定泵壓。如常用的BW－150、BW－250、BW －320型水泵其額定泵量變化是很大的，額定泵壓卻變化不大，均為7 MPa左右，而且正常的深孔繩索取心鉆探泵量達(dá)到40～90 L/min就可以滿足要求(使用孔底動(dòng)力時(shí)會(huì)大一些)，實(shí)際生產(chǎn)中形成了水泵只用最小擋位，泵壓升高就損壞水泵的狀況，既浪費(fèi)了資源，又沒(méi)有起到好的效果。

羅布莎科學(xué)鉆探施工均采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，鉆機(jī)采用HXY－8型鉆機(jī)，基本技術(shù)參數(shù)配置見(jiàn)表2，實(shí)際動(dòng)力配置為75 kW電動(dòng)機(jī)。

水泵開(kāi)始采用BW－160/10型，隨孔深增加，泵壓升高，最大至10MPa，為了安全換用BW－300/16型，兩種水泵技術(shù)參數(shù)如表3。

表2 HXY－8型鉆機(jī)基本技術(shù)參數(shù)配置

表3 水泵基本技術(shù)參數(shù)

5 水泥封孔是軟弱地層護(hù)壁堵漏的主要技術(shù)措施

由于水泥具有貨源廣、成本低、無(wú)毒、使用方便、利于孔內(nèi)灌注等諸多優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)就被廣泛應(yīng)用于鉆孔護(hù)壁堵漏的固結(jié)材料。在羅布莎科學(xué)鉆探施工中，由于幾乎全孔段地層軟弱、破碎、漏失，多次應(yīng)用了水泥封孔護(hù)壁堵漏技術(shù)，在128～960 m孔段更是采用每間隔10～50 m打一段封一段的策略，起到了很好的效果。但是對(duì)于深孔封孔來(lái)說(shuō)，由于水泥漿在鉆桿內(nèi)輸送距離長(zhǎng)易變性、環(huán)狀間隙小水泥漿不宜上返、操作時(shí)間長(zhǎng)水泥漿易初凝、循環(huán)壓力損失大孔底水泥漿液面難以平衡、計(jì)算較復(fù)雜等等因素，使深部封孔技術(shù)難度很大，稍不注意就會(huì)出現(xiàn)封孔孔段不準(zhǔn)、水泥強(qiáng)度不夠等造成封孔失敗。有時(shí)還會(huì)把封孔鉆桿封在鉆孔里，拉不上來(lái)，造成封孔事故。根據(jù)我們多次封孔的體會(huì)，深孔封孔時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)使用較小直徑的鉆桿，增大環(huán)狀間隙。一般封孔往往采用鉆進(jìn)時(shí)的鉆桿作導(dǎo)管，對(duì)繩索取心鉆桿來(lái)說(shuō)，環(huán)狀間隙太小。建議采用細(xì)管(如50 mm鉆桿)作導(dǎo)管，如果沒(méi)有那么多的細(xì)管也可以在下部被封孔段連接一定長(zhǎng)度的細(xì)管，以減小水泥漿在環(huán)狀間隙內(nèi)的流動(dòng)阻力。

(2)準(zhǔn)確把握各項(xiàng)參數(shù)，掌握孔內(nèi)液柱情況。封孔時(shí)水泥漿在導(dǎo)管內(nèi)是一動(dòng)態(tài)的水泥漿段，一定要根據(jù)水泥漿量、導(dǎo)管容積率、替漿水量、水泥漿密度、返水情況等參數(shù)，時(shí)時(shí)把握水泥漿處在什么位置，確保漿液到達(dá)預(yù)定位置后，再及時(shí)提鉆。

(3)嚴(yán)禁帶鉆頭等大直徑鉆具封孔。

(4)水泥攪拌要均勻，灌注前要用篩網(wǎng)過(guò)濾。

(5)灌注前要檢查灌注設(shè)備，使保持良好工作狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

西藏羅布莎礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地層嚴(yán)重破碎，鉆孔漏失、坍塌、縮徑等諸多困難同時(shí)存在，給鉆探施工帶來(lái)了很大的困難，是對(duì)鉆探技術(shù)的極大挑戰(zhàn)。我們通過(guò)采取一系列技術(shù)措施，解決了該項(xiàng)目施工中的許多技術(shù)難題，為以后深孔復(fù)雜地層鉆探施工積累了一定經(jīng)驗(yàn)，也得到很多啟發(fā)，希望能為我們今后的深部鉆探提供參考。