青海大場地區凍土地層鉆探施工經驗淺談
——以大場礦區ZK9711鉆孔施工為例

馬維明，王振東，羅永統，馬　英

（青海省地質調查局，青海西寧810001）

青海大場地區凍土地層鉆探施工經驗淺談
——以大場礦區ZK9711鉆孔施工為例

馬維明*，王振東，羅永統，馬英

（青海省地質調查局，青海西寧810001）

通過分析研究大場地區凍土地層特點、礦區低溫對鉆探生產影響的主要方式，闡述了大場永凍層地區鉆孔ZK0001鉆探施工工藝，為進一步開展相關地區永凍地層的鉆探施工提供借鑒。

鉆探工程；永凍層；繩索取芯；鉆井液

大場礦區位于青海省玉樹藏族自治州曲麻萊縣境內，海拔4500～4700m，周邊最高在4800m以上，氣候寒冷，年平均氣溫0℃以下，霜凍期長，地表為凍土層，第四系以下屬永凍地層，部分永凍地層最深可達180m，永凍地層溫度自-1.9℃～12℃不等。每年5月至9月份上旬期間為暖季，10月至翌年4月為寒凍期，因此，5月至9月為野外地質工作最佳時間。

礦區地表覆蓋層凍土包括季節性凍土和多年凍土，第四系凍土層的主要成分是冰水堆磧物、冰水沉積物、風積物、沖積物、洪積物及沖洪積物等，第四系以下的基巖主要為泥質板巖、砂巖等。

1　礦區低溫對鉆探生產的影響

在凍土地層中鉆探，嚴重影響施工進度，經現場調查分析總結，大場礦區低溫環境對鉆探生產影響的主要方式有：

（1）低溫對鉆井液的冰凍和產生流凌，鉆井液在低溫環境中容易發生絮凝、粘度增加、流動性下降等現象，泥漿材料不能更好地溶于水中，固相顆粒容易聚結，沖洗液性能不穩定甚至被破壞，地表循環系統易凍結和流凌淤積以及送水困難等。

（2）鉆進過程中由于孔壁間隙小停鉆取芯的過程中極易發生凍鉆事故，而泥質板巖則容易在地溫泥漿循環熱交換后易發生熱融性的縮徑和坍塌，從而引起提下鉆受阻、提取巖芯困難、鉆具凍結和經熱交換的含水永凍層引起的鉆井液粘度下降、形成埋鉆事故等。

因此，系統分析和解決上述這些問題對有效預防永凍層中的孔內事故、實現正常鉆進、提高鉆探施工效益具有十分重要的意義。

2　鉆孔結構設計

根據礦區地層多年凍土層的特征，同時考慮鉆孔孔徑、孔深、傾角等因素，以及繩索取芯鉆進、鉆具高轉速、防止鉆桿折斷的要求，采用的鉆孔結構如圖1所示。

圖1　大場礦區ZK9711鉆孔結構示意圖

為預防低溫泥質永凍層的熱融膨脹，簡單有效的方法是跟管護壁。為保證高粘、低失水低溫鉆井液的正常循環，可通過適當加大環空間隙的方法，降低鉆井液紊流狀態時對永凍層孔壁的沖蝕。

大場礦區ZK9711鉆孔結構采用了“多級少開”的原則，即多梯次換徑少量下套管的方法。施工中采用了?130mm鉆具開孔6m后下?127mm孔口管，換?110mm鉆具鉆進11m后下?108mm套管，再換?95mm繩索取芯鉆具鉆進至78m（已至完整地層）下?89mm套管，最后換?76mm繩索取芯鉆具鉆進至終孔212.5m。

實踐證明，該方法大幅度減少了孔段裸露時間，較好地保持了孔壁的完整穩定性，為順利有效下套管爭得了主動，大大減少了套管用量，提高了開孔及鉆進效率。

3　設備選擇

（1）鉆機選擇。該礦區整體地質控制程度較低，鉆孔設計孔深一般不超過500m，ZK9711孔鉆探施工設備選用了北京天和眾邦勘探技術股份有限公司生產的CSD500C型全液壓鉆機，鉆機由7個模塊組成（包括泥漿泵），各獨立單元僅用高壓油管連接，且不用組裝為整體，最大單元質量280kg（為方便運輸科可進行拆解），該鉆機作業能力為500m以內，鉆孔傾角適應范圍在45°～90°，動力頭給進行程1800mm，通孔直徑?97mm，能適用于?56mm、?76mm、?96mm繩索取芯鉆進，該鉆機結構簡單實用，結合靈活快捷，方便檢查維修，使用性能可能，更適用于高原山區作業，對搬遷路線和地盤要求不高，最高的施工效率可達到423m/月。

（2）鉆桿及鉆頭選擇。對永凍地層或松散偏軟地層，其中夾雜各種砂、礫等大小不等的硬顆粒，孔壁必須有足夠大的間隙，以保證帶大顆粒和部分帶角礫掉塊隨沖洗液上返時能順利通過，不至于產生“群礫封門”現象而無法鉆進，開孔用普通單管薄壁鉆頭，正常鉆進用繩索取芯鉆頭，盡可能選擇口徑比普通金剛石鉆頭大1～2mm。同時考慮到鉆進該地區永凍地層時，為盡可能避免鉆桿事故，施工時選擇了唐山進食超硬材料公司生產的新型XJS71加厚鐓粗鉆桿，該鉆桿外徑可與原S71普通繩索取芯鉆桿配合使用，使用時鐓粗鉆桿放下部便于與鉆具配套，兩部分鉆桿用特殊接手連接即可，節約鉆桿成本。

4　鉆進液

現場隨鉆調研凍土層在鉆進過程的影響形式，低溫環境對鉆探生產的主要影響，分析永凍層在低溫鉆井液環境中的融散縮經、坍塌機理、鉆進液的雙向熱交換后的溶蝕機理，鉆孔ZK9711施工時自開孔至終孔期間始終采用了該型鉆進液：PAM0.2%+SM0.5%（植物膠）。由于夜間氣溫較低，使得鉆井液經循環后基本維持在5℃以內。該鉆井液基本性能如下：

溫度：3.5℃（返口）；粘度：41s；300r/min：9s；600r/min：17s；比重：1.012g/cm3；濾失量大于50%。

該鉆井液隨孔深巖屑含量升高較快，同時，隨夜間環境溫度較低粘度增加，機臺因此降低了鉆孔液循環深度、時間。當絮凝物大于總體積20%后即棄用，重新攪拌。該孔施工中見地表季節性凍土，全孔地層相對完整，夜間最高氣溫在0℃以下，該型鉆井液基本滿足了此孔鉆進要求。

5　鉆進工藝經驗總結

施工經驗表明，針對大場礦區碎裂巖化粘土質永凍層的熱融縮徑問題，需要鉆進液的溫度接近永凍層溫度或低于3℃。在大場礦區施工季節由于晝夜溫差大，孔內溫度低，通常經晝夜、孔內地表熱交換后鉆進液溫度在最高氣溫時能維持在10℃以下，此時可以通過提高鉆速，降低鉆井液對泥質孔壁低溫地層的水化時間，可以在鉆探生產期間預防其熱融膨脹。

維持鉆進液在0℃以下正常循環的經驗：優質的天然鈉基膨潤土，水化和膨脹能力強，充分水化膨脹后，可起到延緩水遇冷結凍的效果。在滿足如下條件的情況下，5%加量的鹽水泥漿可在-10℃環境下的正常循環：

（1）鉆桿始終保持轉動；

（2）配置鉆井液的水用蘇打（每立方米水中加2kg）來軟化處理，并維持鉆井液中具有一定濃度的Cl—，甚至是HCO3—都能對預防鉆井液的低溫冰凍起到一定的作用；

（3）為防止泥質地層的熱融膨脹，維持鉆井液的低溫，白天作業時可將整個泥漿系統（泥漿坑、泵、罐等）遮蓋起來（可以用塑料布或者帳篷等）。

同時還須注意如下幾點方法：

（1）一旦決定暫時停鉆，一定要及時將鉆桿提出孔外；

（2）不關閉水泵，確保泥漿循環，直至鉆桿提出；

（3）終孔搬遷期間應當蔣水泵和地表的其他循環系統卸開，放盡其中的殘留鉆井液。

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［4］烏效明，胡郁樂，等.鉆井液與巖土工程漿液［M］.武漢：中國地質大學出版社，2002.

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P634.5

B

1004-5716（2016）01-0015-02

2015-01-08

馬維明（1987-），男（回族），青海西寧人，助理工程師，現從事固體礦產勘查工作。