西藏多才瑪?shù)V區(qū)鉆井工藝技術及鉆頭壽命研究

劉海聲，穆元紅，竇 斌，陳建林，劉 鵬，高元宏

(1. 青海省第二地質勘查院，青海 西寧 810028； 2. 青海省巖心鉆探工程技術研究中心，青海 西寧 810028; 3. 中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074； 4. 青海省第一地質勘查院，青海 海東 810699)

0 前 言

西藏多才瑪?shù)V區(qū)環(huán)境條件十分惡劣，海拔高、晝夜溫差大、冰凍期長、空氣稀薄、輻射強烈，被稱之為“生命禁區(qū)”[1]。2000年3月，青海省人民政府、中國科學院、中國國家林業(yè)局聯(lián)合召開會議，討論“建設三江源自然保護區(qū)”的可行性分析；2000年5月，青海省批準建立“三江源省級自然保護區(qū)”；2003年1月，三江源自然保護區(qū)由省級晉升為國家級。多才瑪?shù)V區(qū)位于三江源國家自然保護區(qū)內[2]。2004-2010年多才瑪?shù)V區(qū)完成了預查工作，共完成鉆孔35個，累計鉆探工作量12 110 m；2011-2015年完成普查工作，共完成鉆孔70個，累計鉆探工作量31 200 m；2016-2019年為詳查階段，2016年完成鉆探工作量13 650 m(其中1 200 m為水文地質兩用孔)，2017年完成鉆探工作量26 060 m(其中690 m為水文孔)，2018年設計鉆探工作量30 000 m。由于前期投入大量人力、物力成本，且勘查成果可觀，因此多才瑪?shù)V區(qū)將作為國家的礦產(chǎn)儲備礦區(qū)，只勘查不開發(fā)。

2014年，田敏等[3]對高寒地區(qū)巖石可鉆性分析及金剛石鉆頭類型進行了分析研究，以西昆侖高寒地區(qū)為研究對象，采用壓入硬度測試等方法分析代表性巖石的可鉆性，結果表明：礦區(qū)地區(qū)地層巖層硬度為中硬及以、研磨性中級以上，金剛石胎體硬度為中軟至中硬時鉆進效果較好。2017年，高元宏等[4]對青海東昆侖重點成礦帶巖石鉆進特性及金剛石鉆頭使用效果進行分析研究，對青海東昆侖重點成礦帶典型巖石的可鉆性、研磨性進行了測試，測試結果表明：巖石的研磨性主要在5～6級，可鉆性為7～8級。在國家級自然保護區(qū)“三江源國家自然保護區(qū)”內施工，加之近年來自然資源部提出的“綠色勘查”和各級環(huán)保部門組織實施的“環(huán)保督查”，都將對礦區(qū)鉆井工藝技術提出了更高的要求。

1 礦區(qū)概況

1.1 自然地理

多才瑪?shù)V區(qū)位于唐古拉山北坡、長江源頭的沱沱河一帶，西藏那曲安多縣境內。地形平坦，地貌上南高北低，最低海拔4 700 m，最高海拔為5 300 m，最大高差為600 m，景觀類型屬于高原高寒半干旱至干旱沼澤湖泊丘陵。低溫干燥、空氣稀薄、日照充足、晝夜溫差大、氣侯變化無常、四季不分明、冰凍期長，屬于高原型寒冷半濕潤氣候帶。每年10月至翌年5月為寒凍期。區(qū)內年均日照為2 600～2 800 h，太陽輻射時間長。最高氣溫20℃，最低氣溫-30℃，年平均氣溫為-4.9℃[5]。區(qū)內年降水量為261.3 mm，多集中在6～9月份。降水量少，表現(xiàn)為該地區(qū)空氣濕度低。含氧量少，加之太陽輻射強，蒸發(fā)量大，致使該地區(qū)的河流斷流，濕地萎縮、土地荒漠化加劇。區(qū)內河流多數(shù)為季節(jié)性流水，僅有少數(shù)河流為常年流水，水源主要靠冰雪融化補給。區(qū)內水系主要為長江水源頭沱沱河水系，分布較廣，河面較寬，水深1 m至數(shù)米，最寬處達數(shù)百米。野生動物有國家一級保護動物藏羚羊、野驢、野牛、巖羊、黃羊、狼等，湖泊區(qū)6～8月有黃鴨等禽類棲息[6]。

1.2 地層特點

礦區(qū)內的主要地層主要有分布于扎日根及諾日巴尕日保兩地的晚石炭—晚二疊世開心嶺群、分布于礦區(qū)內中部的晚三疊世結扎群、分布于礦區(qū)西側的中晚侏羅世燕石坪群、分布于礦區(qū)中部一帶的晚白堊世風火山群、分布于礦區(qū)北部較低區(qū)域的古—新近紀地層。礦區(qū)經(jīng)歷了多期構造活動，地層發(fā)育較齊全，建造類型多樣，多組斷裂及褶皺發(fā)育，巖漿巖活動較強烈，期間大地構造環(huán)境歷經(jīng)多次變遷，致使成礦作用復雜、成礦類型多樣，不同的礦床類型表現(xiàn)出控礦因素的多樣性[7]。

1.3 礦區(qū)巖石鉆進特征

巖石的鉆進特征主要由巖石的可鉆性、巖石硬度、巖石的研磨性表示[8]。巖石的可鉆性又稱為巖石的抗鉆性，是指在鉆井過程中，所鉆巖層被鉆頭等碎巖工具鉆進的難易程度，采用壓入硬度測試法測試礦區(qū)主要巖石的可鉆性[9]。莫氏硬度是表示巖石硬度的最常用的標準，1824年由德國礦物學家莫斯(Frederich Mohs)首先提出，按照1～10共10個等級來表示巖石的軟硬程度[10]。巖石的研磨性是礦區(qū)所鉆進地層的巖石磨損碎巖工具鉆頭的能力，采用鋼桿研磨法測試巖石的研磨性[11]。統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 多才瑪?shù)V區(qū)主要巖石鉆進特征統(tǒng)計

由表1可知：多才瑪?shù)V區(qū)巖石壓入硬度介于2 970～4 320 MPa之間，巖石可鉆性級別介于7～10級之間；巖石莫氏硬度介于5～8之間；巖石鋼桿研磨性指標介于40.525～62.050之間，巖石研磨性等級介于5～7級之間?？偟膩碚f，多才瑪?shù)V區(qū)巖石破碎難度大；硬度高、研磨性強，施工難度大。

2 鉆井工藝技術

2.1 所用主要鉆井設備

根據(jù)礦區(qū)地層條件和地質方的要求，在保證鉆井質量和安全的前提下，選擇的主要鉆探設備如表2所示。

表2 主要鉆探設備

2.2 鉆頭的選用

在整個鉆井工藝過程中，鉆頭是碎巖的主要工具，井身結構就是由鉆頭破碎巖石后形成的。影響鉆探效率、成本的因素除了與所鉆地層巖石的特征有關外，主要由鉆頭本身的性能和鉆頭與地層的匹配程度決定[12]。通過近年來的施工經(jīng)驗總結，根據(jù)不同地層和巖石，多才瑪?shù)V區(qū)鉆頭選用如表3所示。

2.3 鉆井液的配制

鉆井液被稱為鉆井的血液，除了攜帶鉆進過程中產(chǎn)生的巖屑外，還具有護壁、冷卻鉆頭、潤滑、平衡地層壓力等功能[13]。針對多才瑪?shù)V區(qū)地層和巖石類型以及前幾年現(xiàn)場實際使用的基礎上，配制鉆井液。采用“EP-B型極壓潤滑儀”測試鉆井液的摩阻系數(shù)并根據(jù)電流表讀書計算潤滑系數(shù)；采用“ZNN-D6六速旋轉粘度計”測量θ600和θ300，根據(jù)測量結果計算表觀粘度、塑性粘度、動切力、流性指數(shù)；采用“1002型泥漿比重秤”測定鉆井液比重；采用PH試紙測定鉆井液PH值。通過現(xiàn)場應用后反饋的信息來看，該泥漿體系在攜帶巖屑、護壁、潤滑性能等方面表現(xiàn)良好，能夠很好地滿足現(xiàn)場施工的要求。配方及性能見表4所示。

表3 多才瑪?shù)V區(qū)鉆頭選用

表4 多才瑪?shù)V區(qū)鉆井液配方及性能

2.4 鉆進參數(shù)的選取

鉆進參數(shù)是指為了提高鉆進效率、降低施工成本、保證鉆孔質量，在現(xiàn)場鉆進過程中可控的參數(shù)組合，主要包括鉆壓、轉速、泵量[14]。多才瑪?shù)V區(qū)鉆進過程中用到的3種公稱口徑分別為“PQ”、“HQ”、“NQ”。根據(jù)多年來的施工經(jīng)驗，適用于多才瑪?shù)V區(qū)的鉆進參數(shù)見表5所示。

表5 多才瑪?shù)V區(qū)鉆進參數(shù)

3 影響鉆頭壽命的因素分析

通過統(tǒng)計分析多才瑪?shù)V區(qū)主要巖石的參數(shù)、鉆頭的參數(shù)、鉆進過程中選用的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)和鉆頭的壽命有一定的相關性。在多才瑪?shù)V區(qū)選取孔深大于500 m的4個鉆孔進行跟蹤調研，收集、統(tǒng)計相關參數(shù)。跟蹤調研的4個鉆孔和設計孔深分別為：ZK1208孔，設計孔深655 m；ZK1801，設計孔深530 m；ZK1603孔，設計孔深510 m；ZK1404孔，設計孔深560 m。以現(xiàn)場采集及實驗所得數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立數(shù)學模型，采用多元回歸分析法[15]，進一步分析鉆頭壽命與這些參數(shù)之間的關系。

3.1 模型的建立

在確定影響鉆頭壽命的參數(shù)時，剔除存在明顯相關性的參數(shù)，最終選擇孔深、胎體硬度、可鉆性分級、鉆壓、泵量、轉速、泵壓共7個變量作為影響鉆頭壽命的因素，影響因素及數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表6所示。

表6 影響鉆頭壽命的因素及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

運用多元回歸分析模型對影響鉆頭壽命的因素進行分析，建立的模型如下：

y=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+a6x6+

a7x7

(1)

式(1)中，因變量y為鉆頭壽命；自變量x1代表孔深、x2代表HRC(胎體硬度)、x3代表可鉆性分級、x4代表鉆壓、x5代表泵量、x6代表鉆速、x7代表泵壓，a0為常數(shù)項，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7分別為對應自變量的系數(shù)。

建立模型的目的:①通過自變量回歸系數(shù)的正負，確定影響因素和鉆頭壽命呈正相關還是負相關性；②通過自變量回歸系數(shù)的大小，確定影響因素對鉆頭壽命的影響程度。

3.2 模型的多元回歸分析統(tǒng)計

用Microsoft Excel軟件，就因變量y對所有自變量x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7進行回歸分析計算[16]。模型回歸統(tǒng)計值見表7所示。

表7 模型回歸分析統(tǒng)計值

由表7可知，模型的相關系數(shù)R=0.994，表明鉆頭的壽命與孔深、胎體硬度、可鉆性分級、鉆壓、泵量、轉速、泵壓之間存在很強的相關性，修正后的相關系數(shù)R2=90.9%，表明鉆頭壽命y的90.9%受上述7個自變量影響，而鉆頭壽命y的9.1%受除上述7個自變量外的其他因素影響。

模型的回歸參數(shù)見表8所示。

表8 模型回歸參數(shù)表

由表8可知：第2列“回歸系數(shù)”為常數(shù)項a0和自變量系數(shù)a1～a7的值。代入方程(1)可得：

y=-5.986+0.393x1-1.797x2-10.834x3-3.201x4-0.251x5+0.148x6+5.905x7

(2)

第3列為 “回歸系數(shù)”的“標準誤差”。數(shù)值越小，表示對應自變量的精度越高。

第4列為“統(tǒng)計量t值”。t值是第2列“回歸系數(shù)”與第3列“標準誤差”的比值，取絕對值后數(shù)值越大，表明在調查范圍內對應的自變量對鉆頭壽命的影響越顯著。

第5列為“P”值，數(shù)值越小，表明在調查范圍內對應的自變量對鉆頭壽命的影響越顯著。t值與P值在模型自變量對因變量的影響顯著程度的檢驗方面是等價的。

3.3 回歸模型的結果分析

通過對模型的回歸分析得到，在調查范圍內孔深、胎體硬度、可鉆性分級、鉆壓、泵量、轉速、泵壓均影響鉆頭的壽命。孔深、轉速和泵壓的回歸系數(shù)為正，表明和鉆頭壽命呈正相關性；胎體硬度、可鉆性分級、鉆壓、泵量的回歸系數(shù)為負，表明和鉆頭壽命呈負相關性。胎體硬度、可鉆性分級、鉆壓、泵量的回歸系數(shù)絕對值較大，表明對鉆頭壽命的影響程度大，孔深、泵量、轉速的回歸系數(shù)絕對值較小，表明對鉆頭壽命的影響程度小。

在調查范圍內，隨著孔深的增加，鉆頭壽命增加，但影響程度小。分析其原因有以下幾點：①孔深主要表現(xiàn)為所代表的地層和巖性不同，對鉆頭壽命的影響不同，而不是直接影響鉆頭壽命。隨著胎體硬度的增加，鉆頭壽命減小；②在調查范圍內巖石可鉆性級別高、研磨性強，應該選用胎體硬度低的鉆頭。隨著可鉆性分級的增加，鉆頭壽命銳減；③可鉆性級別越高，巖層越難被鉆進，鉆頭越低。隨著鉆壓的增加，鉆頭壽命減小，影響程度較大；④在其他條件一定的情況下，鉆壓增加，存在鉆頭重復磨損和燒鉆的問題，導致鉆頭壽命大幅下降。隨著泵量的增加，鉆頭壽命微弱下降。⑤在繩索取心鉆進中，鉆具與孔壁間隙很小，鉆井液流經(jīng)鉆具與孔壁間隙時會產(chǎn)生一個環(huán)空泵壓，產(chǎn)生一個反向作用力，形成“活塞效應”[17]，在泵量滿足鉆進需求的前提下，泵量的增加造成水力損失，進而影響鉆頭壽命。隨著轉速的增加，鉆頭壽命微弱增加；⑥在轉速滿足鉆進需求的前提下，鉆速增加，鉆頭碎巖過程更充分，利用程度更高，鉆頭壽命增加。隨著泵壓的增大，鉆頭壽命明顯增加。⑦在鉆進過程中可以利用鉆井液水力碎巖，泵壓增大，鉆井液參與水力碎巖的幅度增大，一定程度上分擔了鉆頭的碎巖負擔，因此隨著泵壓的增大，鉆頭壽命增幅明顯。

4 存在的問題

1)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)之間有誤差。多才瑪?shù)V區(qū)平均海拔超過5 000 m，高海拔地區(qū)采集的鉆機、泥漿泵等儀器設備的參數(shù)和儀器設備的正常參數(shù)有出入。

2)現(xiàn)場跟蹤調研了4個鉆孔，共采集9組數(shù)據(jù)，采集的鉆進參數(shù)數(shù)據(jù)量較少。由于在施工過程中要采集鉆進參數(shù)，勢必要求鉆機頻繁的停鉆、起下鉆，這樣會影響施工進度，而且頻繁的提下鉆會產(chǎn)生“抽吸作用”，影響孔壁安全。

3)鉆頭壽命的影響因素已剔除存在明顯相關性的因素，如金剛石粒度、巖石的研磨性等。但還存在一些無法統(tǒng)計量化的因素，如操作者的技術水平等。

4)在研究范圍內孔深、胎體硬度等7個影響因素可以影響鉆頭壽命的90.9%，受其他因素影響的鉆頭壽命的9.1%還待進一步研究。

5 結 論

1)多才瑪?shù)V區(qū)主要巖石的鉆進特征表現(xiàn)為：巖石可鉆性級別介于7～10級之間；巖石莫氏硬度介于5～8之間；巖石研磨性等級介于5～7級之間。

2)根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，總結出一套適用于多才瑪?shù)V區(qū)的鉆頭選用參數(shù)鉆進參數(shù)。

3)適合多才瑪?shù)V區(qū)的泥漿配方為：0.5%HV-CMC(高粘纖維素)+0.5%PAM(聚丙烯酰胺)+1%磺化瀝青+1.5%液體潤滑劑+0.1% NaOH(火堿)。

4) 通過對模型的回歸分析，在調查范圍內，孔深、轉速和泵壓和鉆頭壽命呈正相關性；胎體硬度、可鉆性分級、鉆壓、泵量和鉆頭壽命呈負相關性。胎體硬度、可鉆性分級、鉆壓、泵量對鉆頭壽命的影響程度大；孔深、泵量、轉速對鉆頭壽命的影響程度小。