羅布莎科學鉆探工程技術及應用

張英傳，王魯朝，宋世杰，翟育峰

（山東省第三地質礦產勘察院，山東 煙臺 264004）

自20 世紀六七十年代地學革命以來，地球深部探測一直引領世界地球科學的發展，代表著一個國家地球科學水平。科學超深孔鉆探是在現有技術水平所能達到的最大深度條件下，采用最先進、最安全的鉆探技術方法，獲取盡可能多的地下信息，以滿足科學目標的要求。大陸科學鉆探總體目標是圍繞中國大陸動力學基礎地質研究的重大關鍵問題——板塊匯聚邊界的深部動力學、礦產資源集聚區的成礦背景、成礦條件和成礦前景、盆山結合帶對油氣資源制約以及火山地質災害預防等方面開展地質、地球物理的預研究、大比例尺地質調查填圖和科學選址。羅布莎大陸科學鉆探，設計了LSD-1 和LSD-2 兩個鉆孔，設計所鉆地層將從“特提斯喜馬拉雅帶”穿過“雅魯藏布江縫合帶”，直達“岡底斯巖漿帶”，為揭示印度板塊與亞洲板塊碰撞邊界和過程等一系列重大地質科學問題的研究提供實物資料，進而為該區鉻鐵礦深部找礦突破提供重要的理論依據。但是，在實際施工中，特殊孔段存在鉆進難、孔底坍塌碎石及堆積巖粉打撈難、地層破碎造成鉆桿斷裂等難題。

對羅布莎地區鉆孔井身結構、鉆井設備、沖洗液等鉆探工藝進行合理組合和改進，同時針對實際勘探過程中的存在難題，創造性地探索出適合本地區鉆探的新工藝、新技術。該鉆探工程累計進尺3865.77m，最大孔深1 853.79m，取出巖芯3486.26m，取芯率90.18%，為以后高海拔復雜地層超深孔鉆探提供了寶貴經驗，同時也為小口徑巖芯鉆探技術的發展做出貢獻。

1 羅布莎區地層概況

羅布莎地區位于喜馬拉雅隆塊與岡底斯隆塊之間的雅魯藏布江東段，鉻鐵礦儲量巨大[1-2]，成為國內外眾多學者重點研究區域。鉆孔鉆遇地層自上而下有：第四系殘積坡積層、上三疊統地層、巖漿巖、第三系羅布莎群等。第四系殘積坡積層以超基性巖角礫或礫石、砂質粘土、碳酸鹽等混雜堆積，由基巖剝蝕風化而成。上三疊統地層為一套淺海相類復理石建造，其主要巖性為長石石英砂巖、砂質泥板巖、砂板巖、千枚巖及少量透鏡狀灰巖。巖漿巖為燕山晚期至喜山早期的巖石，超基性、基性、中性到酸性巖體在工區均有出露。第三系羅布莎群地層呈東寬西窄的狹長帶狀分布，北界沉積在不整合在酸性巖體之上，南界為斷層接觸，上三疊統、上白堊統地層和羅布莎超基性巖體逆掩而上，受雅江斷裂帶的制約，以山麓堆積、河床相為主，在羅布莎一帶出現湖泊、沼澤相，其主要巖性為：礫巖、礫砂巖、含礫中粗砂巖、中粗砂巖、粉細砂巖等。

2 鉆井工程概況

2.1 井身結構

通常，對鉆孔結構的設計需考慮鉆孔區的地層結構、終孔深度、設備和鉆具能力等情況。對羅布莎地區而言，地層巖性以較完整的超基性巖體為主；由于該孔是在該區域施工的第一個深孔，地層資料少，預測性差。因此，鉆孔結構的設計應該充分考慮地層因素，使用S95繩索取芯鉆至1000m；采用S75繩索取芯鉆進至終孔位置（圖1）。

圖1 鉆孔結構初始設計圖（單位：mm）

上述初始設計的鉆孔結構，在實際施工中出現問題。首先對地層條件判斷出現了失誤，羅布莎巖體蛇紋石化強烈、節理面多、揉皺現象嚴重；其次繩索取芯口徑過小；最后對以往施工的資料收集不足，鉆孔的結構過于簡單化、理想化。

為解決上述問題，及時調整了鉆孔結構。LSD-1孔調整為?150mm鉆頭開孔，下面加入三級套管隔離，用S75 鉆進至1477.80m，孔內出現坍塌，難以處理，下部地層也難預測，故將LSD-1 作為施工預導孔終孔（圖2a）。

圖2 LSD-1預導孔結構圖以及LSD-2鉆孔結構圖（單位：mm）

根據LSD-1預導孔地層的地質狀況，重新制定可行的施工方案，即LSD-2 鉆孔（圖2b）。LSD-2 孔采用“充分施工法”，即一級孔徑只要條件允許，就盡量向深處鉆進。為加大95 口徑鉆進的施工深度，S95 鉆進完成后，采用S75-95特制鉆頭鉆進，鉆進至1468.17m，下入?89mm 套管，因故障，僅至1302.94m，下部約167m 裸孔。當換用S75 鉆進至1533m，上部裸孔段開始坍塌，最終孔孔深1853.79m，預備口徑?56mm。

2.2 鉆井設備

鉆探設備主要包括鉆機、泥漿泵、動力機、鉆塔及附屬設備等。鉆探設備類型選擇取決于施工鉆孔的目的、施工的環境、鉆探方法、鉆孔深度等。

羅布莎科鉆工程施工中，考慮到鉆探目標的深度（2000～2500m）、國產設備質量的檢驗、鉆探區巖性地層強度等多因素，選取連云港黃海機械廠HXY-8型巖芯鉆機作為施工鉆機。從現場施工情況來看，HXY-8型巖芯鉆機動力配置大，鉆進、提升能力強，未出現動力不足的問題；雙聯齒輪油泵組合供油，鉆進效率高；配有水剎車裝置，調節鉆具下降速度，平穩安全。同時，該鉆機配套了BW160/10、BW300/16 型兩臺泥漿泵，解決了深孔使用聚乙烯醇沖洗液泵壓過高的難題。

2.3 沖洗液

沖洗液在鉆探施工中起著非常重要的作用，任何一種鉆探方法都離不開沖洗液。沖洗液的主要功能是攜帶巖粉、冷卻潤滑鉆具、保護孔壁穩定、平衡地層壓力等[3-5]。在羅布莎科鉆施工中，主要試驗了聚乙烯醇無固相和LBM等不同性質的沖洗液。

2.3.1 聚乙烯醇無固相沖洗液

聚乙烯醇（PVA）是一種無毒、無味、可降解、無污染的高分子聚合物，有很好的流動性和很強的膠結性，能夠滲入破碎地層中，膠結巖塊、巖屑，防止坍塌及穩定孔壁，故在鉆探生產中廣泛應用。在羅布莎科鉆施工過程中，使用PVA 作沖洗液施工的孔段最多，約2400m，占總進尺的60%。

在羅布莎科鉆施工中，主要配制了以下三種類型的沖洗液：

（1）PVA+CMC+PHP：該配方沖洗液應用在整個施工過程中，加入CMC 主要是為了提高沖洗液的粘度、動切力，攜帶巖粉，并對水敏性破碎地層有一定的抑制作用；PHP的作用是絮凝和潤滑，各種材料加量分別為PVA（1%）、CMC（0.2%）、PHP（0.01%）。

（2）PVA+PAC141：此配比主要應用在LSD-2 鉆孔1533m 以后的S56 繩索取芯鉆進工藝中。PAC141的作用同CMC 相似，但潤滑作用更加明顯且加量小，為0.05%。

（3）PVA+CMC：鉆探實踐證明PHP 和PVA 混合使用，當增大PHP 時，會影響PVA 的護壁效果，而PHP 對提高沖洗液的攜粉能力，低于CMC，因此為提高沖洗液動切力，只加入CMC，為0.2%～0.5%。

2.3.2 LBM泥漿

新型低粘增效粉LBM，是由三元共聚物LPA和膨潤土經化學升級改造而成的高級造漿材料，具有低密度、低粘度、低切力、低失水和高分散性“四低一高”特性，兼有抗鹽、抗鈣鎂、抗高溫性能，性能見表1。

從表1中可以看出，LBM泥漿具有以下三個特點：①良好的流變性能，其粘度、動塑比都很小，有利于降壓護壁；②LBM 泥漿的濾失量較低，可防止過多自由水或濾液進入地層孔隙、微裂隙、節理之中，造成孔壁機械強度降低；③對保護水敏性地層非常有利。

表1 不同加量LBM泥漿性能測試

在實際施工中，LBM 泥漿主要應用在LSD-2 鉆孔960m處，依靠LBM泥漿的攜粉能力，把孔內坍塌大顆粒帶出，解決憋車、憋泵現象。

2.4 科鉆工程取芯技術

3 鉆探新技術、新工藝的應用

3.1 特種鉆頭設計與應用

羅布莎科鉆孔地質環境復雜，地層破碎嚴重，對小口徑鉆探施工是非常困難的，故根據現場實際情況，在復雜地層特殊孔段及事故處理時候，自制若干合適的特種鉆頭。

3.1.1 孕鑲金剛石擴孔取芯鉆頭

在 LSD-1 孔 465～742.10m 孔 段 和 LSD-2 孔197.68～1469.17m孔段，由于地層復雜松軟易縮徑，鉆進時環狀間隙過小，鉆桿、鉆具與孔壁摩擦嚴重，易誘發孔內事故，所以需要擴孔鉆進（?75mm 取芯→?95mm擴孔），但是如此鉆進會加長周期，故現場加工?95mm超前擴孔鉆頭（①號鉆頭，如圖3a）。?95mm鉆頭在孔內比?75mm 超前進尺，對外形成擴孔，減少鉆具鉆桿與孔壁的接觸摩擦；對內形成保護層，重新修正鉆取。實踐證明其鉆進效率明顯提高，但是鉆頭、沖洗液對巖芯的破壞增強，造成取芯率過低（30%左右）。

為提高巖芯采取率，將①號鉆頭改裝加工為?75mm超前特制擴孔鉆頭（簡稱②號鉆頭，如圖3b）。②號鉆頭巖芯采取率基本上達到100%，但在使用過程中發現同心度不好，主要是因為?95mm 取芯鉆頭內徑與?75mm取芯鉆頭的鋼體外徑吻合度不好，現場的焊接工藝也有限，致使鉆頭在孔內偏心公轉，導致鉆桿偏心公轉，沖擊孔壁，引發孔內護壁失效，出現塌孔、掉塊等危險。

將其做成一體，解決同心度不高的問題，設計出③號鉆頭，即?95.5mm/46特制擴孔取芯鉆頭（如圖3c），原理與普通取芯鉆頭一樣，增大了鉆頭鋼體外徑與胎體外徑之間的環狀間隙，避免了②號鉆頭同心度不好的缺點。在實際鉆進過程中，增大環狀間隙，擴孔取芯同時進行；配合特制擴孔器（圖3d），扶正效果好；鉆進時效和巖芯采取率均達到要求。

圖3 羅布莎鉆探工程中自主設計的特種鉆頭

3.1.2 “玉米穗”鉆頭

在鉆至800m 時鉆孔偏斜，下入偏心楔子進行糾正。由于巖層松軟易破碎，用常規鉆頭極易對偏心楔子造成破壞，且常規鉆頭過于鋒利，易偏斜形成“狗腿”，造成鉆桿斷裂，對下步的施工帶來隱患，故需要一個不是很鋒利，且造斜時較為緩和不會形成“狗腿”的鉆頭，即“玉米穗”鉆頭(圖3e)。它是由一個短錐加焊一些硬質合金構成，在遇到偏心楔子時由于尖端帶弧很容易偏斜且不易對偏心楔子造成破壞，偏斜出去之后由于尖端圓潤帶有一定的導向作用，不會形成“狗腿”，達到預期效果。

3.1.3 推磨事故鉆桿頭特質鉆頭

3.5.2 局部麻藥和放射線的應用 口腔治療采用的麻醉一般都是局部麻醉，使用的麻藥是利多卡因或阿替卡因，且用量較小，不會導致胎兒畸形，孕婦可以放心使用。研究表明，電離輻射劑量<5 mrad時不會對胎兒造成危害。拍攝一張普通牙片的輻射劑量僅為0.1 mrad，所以為了協助診斷，必要時孕婦佩戴頸圍和鉛放射服可以拍攝牙片。

在1000～1100m 孔段由于地層破碎造成卡鉆，致使鉆桿斷裂，常規打撈未果，多次商議決定推掉鉆桿。由于工期所限，常規的磨孔鉆頭效率過低，不能滿足本孔需求，故設計特制磨孔鉆頭（圖3f），加高胎體、增加直徑為3～5mm 的不規則硬質合金顆粒，具有胎體高、耐磨、磨削鉆桿快的特點。

在實際的使用過程中，胎體較高且耐磨，大大減少了提下鉆的頻率，其混入硬質合金胎體配合金剛石，對鉆桿進行快速切削，順利地將1000～1100m 孔內斷裂鉆桿推磨掉。

3.1.4 “干撈鉆頭”及其配套的“無水壓裝置”

在羅布莎科鉆實際鉆進過程中，由于地層松軟，提鉆后孔底巖粉、碎石較多，形成堆積，常規取芯無法有效打撈，易引起埋鉆、憋泵、燒鉆等事故，影響成孔質量及工程進度。為此，設計出一套由“干撈鉆頭”及配套使用的“無水壓裝置”組成的干撈裝置（圖4）。

圖4 “干撈鉆頭”及其配套的“無水壓裝置”

干撈鉆頭是由普通鉆頭在鋼體部位鉆孔穿上鋼絲，形成網狀（圖4a）。裝置組裝順序：干撈鉆頭→3～5m 鉆桿→無水壓裝置→鉆桿（圖4b）。啟動鉆機開始下鉆，當干撈裝置到達孔底，加壓將孔底坍塌的碎石及堆積的巖粉擠壓到干撈鉆頭內，進入鉆桿。由于巖粉進入壓力增大，造成鋼珠上移，把多余的水擠壓到鉆桿上部，經排水孔排出；由水泵打壓進鉆桿的水在鋼球的阻擋下進不到下部的鉆桿，而從排水孔排出，既不會對進入干撈鉆頭及鉆桿內的巖粉碎石造成沖刷，也不會造成提鉆時壓力失衡，效果顯著。

3.2 加大環狀間隙鉆進技術的應用

壓力平衡鉆進技術是巖芯鉆進中重要方法，其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，并在任何情況下，都小于地層的破裂壓力，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[7]。

繩索取芯鉆進方法是內管從鉆桿內投放和打撈，鉆桿內外徑比較大，導致環狀間隙太小，易造成環中壓力的劇烈變化，實現壓力平衡鉆進相對較難。在羅布莎科鉆LSD-02 孔967.50～1469.17m 孔段施工中，采用S75 繩索鉆桿配?95mm 鉆頭的鉆進方法取得良好效果。在鉆頭外部連接一個S95 鉆頭用來擴孔，就相當于增大了環狀間隙，既實現了繩索取芯，又有利于壓力平衡鉆進，用此工藝鉆進至1469.71m，沒有出現任何問題。

3.3 擴孔器設計與應用

在羅布莎科鉆具體施工中，由于地層的復雜性，用到很多特制的鉆頭，常規擴孔器滿足不了特殊需求，故為其配備相應的特制擴孔器（圖5）。

圖5 ?75mm特制加大擴孔器和扶正擴孔器

3.3.1 ?75mm特制加大擴孔器

在羅布莎科鉆LSD-1 孔465～742.10m 孔段和LSD-2 孔197.68～1469.17m 孔段使用孕鑲金剛石擴孔取芯鉆頭的時候，由于是?75mm 取芯，?95mm 擴孔，所用鉆具都是?75mm，所以擴孔器需要是?75mm的扣型尺寸，擴孔部分需要?95mm 外徑尺寸，所以特制了?75mm特制加大擴孔器（圖5a），在使用過程中起到了很好的效果。

3.3.2 扶正擴孔器

普通擴孔器擴孔帶一般都在30mm 左右，擴孔帶較窄，在松軟地層孔壁對擴孔器的磨損較輕，但是對擴孔器的扶正效果需求較為明顯，所以制作擴孔器時將擴孔帶加長（圖5b），增大了擴孔帶與孔壁的接觸面積，扶正效果明顯。

4 結論

（1）合理地改進井身結構；采用適合的HXY-8 型巖芯鉆機；實驗不同性質的聚乙烯醇（PVA）沖洗液和LBM泥漿；應用與改進了繩索取芯鉆進取芯技術是順利完井的關鍵。

（2）針對特殊孔段難以鉆進、孔底坍塌碎石及堆積巖粉打撈難、地層破碎造成鉆桿易斷裂等難題，設計出特殊的鉆頭及配套的擴孔器，并采用加大鉆頭外徑的形式改進取芯鉆進技術，圓滿地解決了這些難題。

（3）通過上述技術及工藝的設計與改造，西藏羅布莎科學鉆探工程完成LSD-1 和LSD-2 二個鉆孔，該鉆探工程累計進尺3865.77m，最大孔深1853.79m，取出巖芯3486.26m，取芯率90.18%，為以后高海拔復雜地層超深孔鉆探提供了寶貴經驗，同時也為小口徑巖芯鉆探技術的發展做出貢獻。