西藏羅布莎科學鉆探施工對深部鉆探技術的啟示

陳師遜，翟育峰，王魯朝，仲崇龍

(山東省地礦局第三地質大隊，山東 煙臺264003)

0 引言

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

該科學鉆探項目的施工對深部鉆探技術帶來許多啟示，作為施工單位，我們有以下幾點認識。

1 繩索取心鉆桿的強度(扭矩和絲扣拉力)潛力大

國內推廣小口徑鉆探以來，雖然在地質巖心鉆探規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，但在實際生產中很難遇到。這主要是由于沒有與之相匹配的高強度鉆桿，特別是繩索取心鉆進，口徑越小，鉆桿直徑要相應減小，強度也會降低。可以想象一下，如果設計一種與30 mm口徑配套的繩索鉆桿，鉆進能力很難超過50 m。在以往的地質勘探中，由于探礦深度較淺(一般孔深＜1000 m)，最常用的是56 mm口徑(老規范)。隨著新時期國內深部探礦戰略的實施，設計鉆孔深度逐步加深，國內56 mm口徑的繩索取心鉆桿強度已經不能適應孔深要求，鉆孔終孔口徑逐步被75 mm(NQ)口徑替代，同時采取各種手段和措施提高鉆桿強度。目前國內最高NQ繩索取心鉆桿設計強度可以滿足3000 m孔深需要。

在羅布莎科學鉆探項目施工中，采用NQ繩索取心鉆進至1533.92 m，由于地層嚴重破碎、坍塌，無法繼續鉆進，采用了許多技術措施也沒有很好的效果，經研究采用了把NQ鉆桿下入作為套管使用，用56 mm孔徑繩索取心繼續鉆進，本來是一種探索性的試驗，如果鉆桿扭矩達不到，還可以考慮采用階梯鉆桿等措施，結果一直鉆進至1853.79 m終孔，這在以往是不可想象的，這說明我們對鉆桿強度的理解過于保守。我們在“中國巖金第一深鉆”施工中，用設計鉆深強度3000 m的NQ鉆桿施工至3300 m，也遠遠超出設計孔深。

當然，鉆桿承受的扭矩和拉力不僅是由孔深決定的，孔內阻力、鉆進參數等都是影響扭矩和拉力的主要因素。在實際施工過程中，一定要因地制宜，不能盲目超過鉆桿強度能力鉆進，要充分考慮鉆孔內的狀況，盡量減小鉆進參數，以免造成斷鉆桿事故的發生。

2 加大環狀間隙，實現繩索取心壓力平衡鉆進

壓力平衡鉆進技術是由石油鉆井引進到巖心鉆進中來的。主要技術原理是控制環狀間隙內的沖洗液壓力(環空外壓力)，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，達到保持孔壁穩定，防止環空壓力過大造成沖洗液漏失，壓垮孔壁，或環空壓力過小造成孔壁垮塌。環空外壓力的大小和變化與環狀間隙有密切關系。繩索取心鉆進方法的主要特點是內管從鉆桿內投放和打撈，內管外徑比較大，導致環狀間隙太小，容易造成環空壓力的劇烈變化，實現壓力平衡鉆進相對較難，對一些軟弱、漏失地層，采用繩索取心鉆進容易出現泵壓較高、壓漏、孔壁坍塌等，甚至造成孔內事故，所以在深孔繩索取心鉆進中一定要注意加大鉆頭的使用。鉆頭加大會增加鉆頭的底唇面積，影響鉆進效率，因此鉆頭是否加大，加大多少尺寸還要根據地層情況決定。

羅布莎科學鉆深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，采用無固相沖洗液，有些粗顆粒巖粉攜帶不上來，出現泵壓高，漏失、孔壁不穩、坍塌。原計劃用95 mm口徑鉆進至1400 m后下入89 mm套管。當鉆進到967.50 m時由于孔內沉渣太多，泵壓很高，孔壁被壓裂，漏水，幾次封孔也沒有效果，已經很難繼續施工下去。針對地層較軟的狀況，設計了一種邊鉆進邊擴孔的鉆進工藝方法，即用S75繩索取心鉆進工藝的同時，在鉆頭外部連接一個S95鉆頭用來擴孔。加工的擴徑鉆頭如圖1所示。這樣就相當于增大了環狀間隙，既實現了繩索取心，又有利于實現壓力平衡鉆進，同時把沖洗液換成更有利于保護孔壁和攜帶巖粉的LBM低固相泥漿。用此工藝鉆進至1469.71 m，沒有出現任何問題，鉆進效率高，效果很好。

要實現壓力平衡鉆進，光靠增大環狀間隙還是不夠的，還要控制泵量、控制提下鉆速度等一些措施。

圖1 現場加工的特殊鉆頭

3 事故是影響深孔鉆探效率的主要因素

鉆探生產中有句俗語“不怕慢，就怕站”，特別是對深孔鉆探，一旦沒有進尺，就很可能意味著孔內有事故或孔內不正常，處理孔內事故和狀況有的較為簡單，但遇到孔壁不穩定狀況時就很麻煩，如果措施不當，往往會使孔內越來越復雜，造成更大事故甚至報廢。深孔鉆進施工周期長，鉆遇的地層類型多，孔內事故是難免的，也因投入較大不能輕易報廢，因此事故的次數和處理方法成為影響深孔鉆探效率的主要因素。

羅布莎礦區主要代表巖石是蛇紋石化橄欖巖，可鉆性5級左右，屬較軟巖石，這類巖石對金剛石鉆進來說非常容易，進尺很快，但施工效率卻很低，主要原因是孔壁不穩定和孔內坍塌物太多造成無法連續鉆進，事故率太高的原因，加之封孔待凝透孔等時間，LSD－2號孔不能正常鉆進的時間達511天，占總時間的70%。表1列出了LSD－2號孔主要事故和處理所占用的時間。

表1 LSD－2號孔主要事故和處理所占用的時間統計

我隊其他深孔的施工也證明了這一點，一小孔段的破碎(不穩定)地層如果不能快速穿過，發生坍塌，破壞了其原有的結構，越處理越復雜，可能會占用很長時間，使臺月效率成倍降低。在處理事故中求穩也是很重要的，不能急于求成。除了常用的一些方法外，磨滅、繞開、擴大等方法雖然速度較慢，但都是較為有效的。對淺孔來說，報廢重打甚至比處理還要節約成本，但深孔則不然。因此要做好孔內事故的預防，一旦出現事故要盡快制定有效措施處理。

4 鉆探設備應進一步改進，以滿足深孔鉆探需要

隨著中國深孔鉆探的逐步發展，鉆探設備也迅猛發展起來，以適應深部找礦鉆探的需要，如20世紀80年代我國巖心鉆機機型主要為XY－2、XY－3、XY－4等立軸鉆機，到目前已經發展到XY－5、XY－6、XY－8甚至XY－9為主，還發展了一大批不同型號的動力頭鉆機。水泵也從BW－90型到目前的BW－250甚至BW－320型。但在改型換代的過程中，“擴大”的成分較多，體現出的“創新”，“實用”成分不足。也就是說鉆探設備技術參數應更合理，以適應深孔鉆探生產需要。

立軸鉆機的參數主要表現在轉速的設置和動力的配備。深孔鉆進一般鉆孔結構比較復雜，淺部鉆進時口徑較大，轉速無需太高，即可以滿足鉆頭線速度的需要，深部口徑小，但由于孔內阻力、鉆桿強度等因素已無法實現高轉速，因此鉆機設計中一味追求高轉速是不合理的。深孔鉆探中最常用的轉速應該在200～500 r/min，而這一區間內的轉速分布又非常不均勻，轉速擋位有的只差幾轉，而有的相鄰轉速間差距又很大，顯然是不符合深孔鉆探生產需要的。如某深孔立軸鉆機的轉速為81、140、217、225、373、389、605、1037 r/min。

高轉速擋位無法使用，動力配備自然可以小一些。

深孔鉆探中，隨著孔深的增加，沖洗液循環阻力也增大，泵壓升高。但在鉆桿密封好的條件下，對沖洗液量的要求是不變的。而有些單位在選擇水泵時，往往最注重基本參數——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到40～90 L/min就可以滿足要求(使用孔底動力時會大一些)，實際生產中形成了水泵只用最小擋位，泵壓升高就損壞水泵的狀況，既浪費了資源，又沒有起到好的效果。

羅布莎科學鉆探施工均采用國產設備，鉆機采用HXY－8型鉆機，基本技術參數配置見表2，實際動力配置為75 kW電動機。

水泵開始采用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，兩種水泵技術參數如表3。

表2 HXY－8型鉆機基本技術參數配置

表3 水泵基本技術參數

5 水泥封孔是軟弱地層護壁堵漏的主要技術措施

由于水泥具有貨源廣、成本低、無毒、使用方便、利于孔內灌注等諸多優點，長期以來就被廣泛應用于鉆孔護壁堵漏的固結材料。在羅布莎科學鉆探施工中，由于幾乎全孔段地層軟弱、破碎、漏失，多次應用了水泥封孔護壁堵漏技術，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。但是對于深孔封孔來說，由于水泥漿在鉆桿內輸送距離長易變性、環狀間隙小水泥漿不宜上返、操作時間長水泥漿易初凝、循環壓力損失大孔底水泥漿液面難以平衡、計算較復雜等等因素，使深部封孔技術難度很大，稍不注意就會出現封孔孔段不準、水泥強度不夠等造成封孔失敗。有時還會把封孔鉆桿封在鉆孔里，拉不上來，造成封孔事故。根據我們多次封孔的體會，深孔封孔時應注意以下幾點:

(1)使用較小直徑的鉆桿，增大環狀間隙。一般封孔往往采用鉆進時的鉆桿作導管，對繩索取心鉆桿來說，環狀間隙太小。建議采用細管(如50 mm鉆桿)作導管，如果沒有那么多的細管也可以在下部被封孔段連接一定長度的細管，以減小水泥漿在環狀間隙內的流動阻力。

(2)準確把握各項參數，掌握孔內液柱情況。封孔時水泥漿在導管內是一動態的水泥漿段，一定要根據水泥漿量、導管容積率、替漿水量、水泥漿密度、返水情況等參數，時時把握水泥漿處在什么位置，確保漿液到達預定位置后，再及時提鉆。

(3)嚴禁帶鉆頭等大直徑鉆具封孔。

(4)水泥攪拌要均勻，灌注前要用篩網過濾。

(5)灌注前要檢查灌注設備，使保持良好工作狀態。

6 結語

西藏羅布莎礦區地質條件復雜，地層嚴重破碎，鉆孔漏失、坍塌、縮徑等諸多困難同時存在，給鉆探施工帶來了很大的困難，是對鉆探技術的極大挑戰。我們通過采取一系列技術措施，解決了該項目施工中的許多技術難題，為以后深孔復雜地層鉆探施工積累了一定經驗，也得到很多啟發，希望能為我們今后的深部鉆探提供參考。