柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目鉆探施工研究

熊 欣

（河南省資源環境調查一院，河南 鄭州 450000）

柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目為某省重要的地勘基金項目，礦區內各項資源的調查研究主要是以M-1號鉆孔鉆探施工為中心，針對給鉆探孔進行各項數據的收集和匯總，利用收集到的各項數據信息為我國礦區資源的勘查開采提供更多的思路。在全球資源形勢緊張的背景下，對國家內部的有限礦產資源進行勘探，借助各項參數優化等實現資源的富集，從而促進區域內礦產資源經濟[1]。在此背景下，本文對柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目鉆探施工進行研究，也就具備重要理論意義和現實價值。

1 項目概況

柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目工作區位于團魚山礦區昆源煤礦以南，礦建簡易道路東北方向距敦格公路（215國道）岔路口32km，工作區地形呈北高南低、西高東低的特點，北部為賽什騰山，海拔高度3800-4200m，相對高差500m～1000m，巖性由前震旦系變質巖、加里東期及燕山期侵入巖組成，剝蝕作用明顯加強，具有陡峭的山脊山坡，局部可見古冰斗。溝谷內無常年水流，也無植被；中部為冰水堆積及沖洪積山前傾斜平原，根據地形和巖性特征分為戈壁帶和細土帶。南部為構造剝蝕丘陵,以暫時性水流侵蝕為主的梁狀丘陵，由古近系、新近系山麓相地層構成，海拔高度3000m～3500m，相對高差小于200m。礦區為典型的高原內陸盆地氣候。年平均氣溫1.3℃，最高平均氣溫在7月，為15.3℃，最低平均氣溫在1月，為-15.6℃，區內冬季無嚴寒、夏季無酷熱。晝夜溫差大，最大溫差34.7℃。

深入分析柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目工作區地質結構條件，為礦區資源調查評價項目工作的開展提供強有力的地質資料支撐。在柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目工作區中，就地層劃分而言，團魚山地區大部分地區被第四系所覆蓋，地層由老至新依次有：上奧陶統灘間山群（O3tj）、上泥盆統（D3）、上石炭統（C2）、中侏羅統（J2）、上侏羅統（J3）、古近系(E)、新近系(N)、第四系（Q）。就地質構造而言，團魚山工作區位于賽什騰山南麓，原老高泉（結綠素）煤礦西北部，北東部的北露天南翼被F4斷層切割的向斜構造；南部為一被F1兩個隱伏的傾向南西的單斜構造，工作區主要發育3條逆斷層和1條正斷層[2]。以褶皺為例詳細分析可知，工作區內的北露天向斜地層走向北西西，被第四系地層覆蓋，經露天開采煤系地層被揭露，北翼淺部地層傾角為60～70，向深部角度變緩，大多為30°左右，南翼傾角46～55，基底為泥盆系地層。

在分析柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目工作區地質結構條件的基礎上，提供已有的綜合地層柱狀圖，推測鉆孔可能遇到的分層巖石及其工程性質如表1所示。

表1 礦區巖石可鉆性分級

2 鉆探設備及工藝選擇

鉆探設備主要包括鉆機、泥漿泵、鉆塔以及其他輔助設備等。合理的鉆探設備配置是深孔巖心鉆探的重要前提，是柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目正常開展工作的關鍵。在鉆探設備的選擇過程中，應該對地層條件、鉆探工藝、鉆孔設計深度傾角以及鉆孔設計結構等進行綜合考慮，深孔鉆探施工必須保證鉆機具有足夠的回轉扭力及提升能力，同時對于泥漿泵需要具備足夠的泵量，確保鉆探設備能力滿足施工要求。

鉆機作為柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目順利開展鉆探的關鍵，本文以鉆機優選為例，分析鉆探設備的優選過程。在合理選擇鉆機的過程中，應從以下幾方面進行考慮：首先，鉆孔的設計孔深是主要選擇依據，鉆機鉆進能力一般要大于設計孔深，選擇系數（設計孔深/鉆機能力）范圍一般在0.7～1之間，根據不同施工條件以及鉆孔類型進行選擇，穩定地層施工可選用接近1的系數，復雜地層施工需選用數值較小的系數。其次，從動力方面考慮，選用液壓傳動或機械傳動鉆機，電力方便的地區也可以采用電機驅動。另外，對于地理位置偏遠地形復雜的工作區，設備選擇要以輕便、安全、可靠為標準[3]。最后，針對特殊的鉆進要求，可對鉆機進行適當的改造或安裝不同鉆機附件。

根據柴北緣礦區鉆孔的地層情況和鉆孔孔身結構，并結合鉆孔深度和鉆孔直徑要求，采用河北永明生產的DB30多功能型鉆機，DB30多功能鉆機利用變頻控制技術結合機械傳動實現自動化鉆進。該鉆機是在XY-8B鉆機的基礎上，廣泛吸收、借鑒國內石油鉆機成熟技術而研制的新型電動鉆機。該鉆機可用于小口徑深孔取心勘探，亦可用于大口徑合金鉆進及水源鉆井，廣泛應用于地質勘探、水文水井、煤田、油氣田勘探等施工領域。在地質條件、地形結構和地質構造的基本要求下，所選鉆機應該具備以下特點：

①變頻電機能耗制動，無磨損輔助制動，沒有零件損耗和噪聲污染；②變頻驅動的卓越的節能降耗特性，大幅度降低鉆探總成本；③變頻驅動的精確檢測控制性能，有效提高鉆探工藝的適應性；④執行單元的獨立、模塊化、輕量化設計，便于安裝、拆卸、運輸；⑤數字化、遠程可視、集中操控、降低勞動強度，減少人員配備，提高操控精度，提高操作安全性。

3 鉆孔結構設計

鉆孔結構設計是針對礦區地層特點，選擇合適的鉆進工藝方法對安全、高效鉆進施工至關重要。一般情況下，鉆進工藝方法包括鉆孔結構、鉆進方法、鉆具組合、金剛石鉆頭、泥漿、鉆進規程參數等。在鉆孔結構設計過程中，鉆孔結構指鉆孔縱剖面形狀，包括開孔終孔直徑、套管層數（換徑次數）各孔段的直徑與深度。其中套管層數越多，導致鉆孔結構也就越復雜。鉆孔結構的設計，要根據礦區的地質條件、施工要求以及鉆進工藝等方面進行合理設計，以提高鉆進效率。一般而言，鉆孔結構設計基本原則應遵循以下幾點：

（1）鉆孔結構的確定要以設計終孔直徑為標準，由上至下逐段設計各層套管下入深度和鉆孔孔徑。

（2）盡可能簡化鉆孔結構，減少換徑次數，即減少施工成本又避免施工事故隱患。

（3）預防孔內復雜情況的發生，設計鉆孔結構需預留一級備用孔徑，用來補下套管。

（4）深孔鉆探，開孔孔徑應適當加大，為深部孔段復雜地層留下擴孔空間。

（5）當出現不穩定地層，很難用泥漿解決并且水泥封孔處理無效情況，或是隔離涌水地層，以及地層存在坍塌縮徑問題時必須下入套管處理。

總之，根據礦區地質特點、鉆孔設計要求、前期的施工經驗以及特殊復雜地層孔段情況，柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目鉆孔可設計采用二級鉆孔結構并預留二級。以φ252mm開孔，穿過覆蓋層下入φ219mm套管，然后采用φ102mm口徑繩索取心鉆進，當遇到復雜地層普通方法無法處理，可擴備用孔徑φ152mm，下入φ127mm套管，設計鉆孔結構如圖1所示。

圖1 團M-1鉆孔結構圖

4 施工中出現的問題及處理方法

柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目施工中出現的問題主要包括燃鉆、卡鉆、復雜地層泥漿護壁難題等。以復雜地層泥漿護壁為例分析可知，鉆孔過程中出現掉塊及坍塌情況時，該孔地層巖性以含礫粉砂質粘土為主，碎塊粒度較大，膠結較差，在鉆進過程中由于地層狀態被破壞，導致壓力失衡，易發生掉塊甚至坍塌現象。其次，鉆機運行過程中還可能存在鉆具擺動，一般是因該孔采用繩索取心工藝，采用的繩索取心鉆具為加強型鉆具，鉆具外徑φ91mm，接骨外徑φ94mm，采用φ102繩索取心鉆頭，環空間隙8mm，在鉆具旋轉過程中會產生擺動，擾動孔壁巖石，發生掉塊甚至坍塌現象[4]。最后，泥漿原因也可能導致鉆機運行出現故障，一般是采用的泥漿性能達不到要求，不能滿足護壁及維護地層壓力，會導致地層掉塊甚至坍塌現象，該孔前期采用無固相泥漿，其性能不能滿足該地層護壁要求。

針對上述問題，在柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目工作區內可采取如下做法：考慮該孔前期未預見地層復雜性，結合繩索取心工藝，上部采用無固相泥漿，前期進場較快，200m以前進尺為40m/d，直至孔深200m發生坍塌。結合取出巖心情況，及地層情況，考慮泥漿性能與地層情況不適宜，調整泥漿性能，考慮到固相泥漿在高速旋轉情況下鉆桿內部會產生泥皮，導致打撈矛無法順利下入孔內，不能實現不提鉆取心技術，初步加入2%的粘土含量。換漿完成繼續鉆進，未出現坍塌現象。前期施工轉速較高，一般采用320r/min，在換漿完成后使用該轉速，鉆桿內壁出現結泥皮現象，打撈矛難以下入鉆具內進行取心，考慮轉速過高，逐步降低轉速，解決鉆桿內壁結泥皮現象，最后得出轉速在不超過250r/min時，鉆桿內壁基本沒結泥皮現象，打撈矛取心順利，為達到最大鉆效，選擇參數為250r/min轉速進行施工。施工至260m時，上部又出現坍塌現象，考慮泥漿性能仍不能滿足該地層要求，不能實現較好護壁效果，決定增加固相含量，增加為4%粘土含量，增加后的泥漿施工中能滿足護壁要求，繼續使用250r/min，出現鉆桿內壁結泥皮現象，根據前面經驗，逐步降低轉速，降低至轉速不超過200r/min，鉆桿內壁基本不出現結泥皮現象，能實現打撈矛正常打撈巖心，實現繩索取心鉆進。

5 質量控制措施

首先，開孔前設備安裝要穩固，“天車、立軸、孔口”三點在一條直線上。嚴禁使用曠動的立軸導管。嚴把開孔關，堅持開孔驗收制度，開鉆前必須由甲方項目組和己方項目部相關人員現場檢查驗收簽字后，下達開孔通知書后，方可開鉆。鉆進中操作要穩，參數選擇合理。淺井鉆井增加測斜間隔，每間隔50m測量一次井斜，確保上部井斜很小，并采用在取心總成上部增加液動錘和扶正器鉆井，減少或預防井斜。再者，正常鉆進中采用單點測斜儀進行井身質量監控，要求每鉆進100m測量一次井斜，若出現井斜超標趨勢，立即采取減少鉆壓吊打或者螺桿復合鉆方法進行糾斜。取心鉆具擴孔扶正器規格和鉆頭外徑規格應配套，盡量減少鉆具與孔壁之間的環狀間隙（簡稱環隙），增加鉆具穩定性，提高轉速、增加鉆速，減少金剛石消耗、避免異常磨損、減少鉆桿折斷，必須合理選擇鉆具級配。

其次，開孔鉆進時，應選用鋒利的鉆頭；鉆壓不得超過鉆頭所需壓力的80%,轉速不得過快，控制在200r/min以內，泵量控制在120L/min；回次結束前，鉆頭切削具已磨鈍時，嚴禁加壓強行鉆進。應選擇合理的鉆具結構與級配。在保證沖洗液暢通及孔內安全的情況下，盡量選擇滿眼鉆進。力求簡化鉆孔結構，地層條件允許時，換徑后可一徑終孔。

最后，換徑時，應采用外導向鉆具，其長度不短于5 m。第一次鉆進時，小徑巖心管要短(不長于1 m)；擴孔時應采用內導向器，并增加粗徑鉆具長度。應保證換徑、擴孔鉆具的同心度。嚴格堅持每100m測斜一次（施工現場配備KXP-2B型測斜儀）。根據測量結果進行測量值對比，孔斜如果超限不大時，需采取措施合理調整鉆進參數或調整鉆具組合；孔斜如果超限較大，需采取糾斜措施。

6 綠色勘查技術應用

柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目，綠色勘查技術應用主要包括生活區環境保護、車輛環保控制、廢氣排放管理、泥漿管理、現場油料管理和鉆孔環境恢復等諸多內容。就鉆機平臺及道路環保管理而言，鉆機平臺以及道路修筑進行實地踏勘，因地制宜，確定平臺大小、道路寬度、路線等，減少不必要的破壞，應該選擇現有道路作為項目后勤保障的主要道路，未經甲方許可不得擅自新修施工便道，若不可避免時，應與甲方及時溝通，并實地論證，不盲目拓寬，滿足使用要求即可。同時，邊坡開挖坡度不得超過安全限值，防止超限開挖而破壞邊坡結構穩定，開挖后的土方及碎石作為道路堡坎使用，平臺新露巖層上下側鋪環保布，防止施工、雨水沖刷對周邊植被的影響，鉆場設置防護欄，防止人員、牲畜進入危險區域，在保障工作區域范圍內人員安全的基礎上實現環保管理。

7 結論

柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目，根據該礦區的復雜地質情況以及區域完成的鉆孔的施工情況，對柴達木北緣重點礦區復雜地質狀況進行分析，通過對礦區深孔巖心鉆探施工中復雜地層對鉆探施工的影響、礦區鉆孔孔內事故以及鉆孔偏斜控制等詳細深入的研究，分析了柴達木北緣重點礦區地質特征、主要地層狀況以及巖層可鉆性，亦分析了礦區復雜地層對與鉆探施工的影響，通過優化泥漿性能及調整環空間隙，制定出適合深孔護壁的低固相泥漿體系，以提高事故處理效率。總之，本文對柴達木盆地北緣重點礦區資源調查評價項目礦區內鉆井施工的研究，能為同類型礦區施工提供充足的經驗參考。