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

馬維明，王振東，羅永統(tǒng)，馬　英

（青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海西寧810001）

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

馬維明*，王振東，羅永統(tǒng)，馬英

（青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海西寧810001）

通過分析研究大場地區(qū)凍土地層特點、礦區(qū)低溫對鉆探生產(chǎn)影響的主要方式，闡述了大場永凍層地區(qū)鉆孔ZK0001鉆探施工工藝，為進一步開展相關地區(qū)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(qū)位于青海省玉樹藏族自治州曲麻萊縣境內(nèi)，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(zhì)工作最佳時間。

礦區(qū)地表覆蓋層凍土包括季節(jié)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(zhì)板巖、砂巖等。

1　礦區(qū)低溫對鉆探生產(chǎn)的影響

在凍土地層中鉆探，嚴重影響施工進度，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析總結，大場礦區(qū)低溫環(huán)境對鉆探生產(chǎn)影響的主要方式有：

（1）低溫對鉆井液的冰凍和產(chǎn)生流凌，鉆井液在低溫環(huán)境中容易發(fā)生絮凝、粘度增加、流動性下降等現(xiàn)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(wěn)定甚至被破壞，地表循環(huán)系統(tǒng)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(fā)生凍鉆事故，而泥質(zhì)板巖則容易在地溫泥漿循環(huán)熱交換后易發(fā)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(jīng)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(tǒng)分析和解決上述這些問題對有效預防永凍層中的孔內(nèi)事故、實現(xiàn)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(jù)礦區(qū)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(qū)ZK9711鉆孔結構示意圖

為預防低溫泥質(zhì)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(huán)，可通過適當加大環(huán)空間隙的方法，降低鉆井液紊流狀態(tài)時對永凍層孔壁的沖蝕。

大場礦區(qū)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(wěn)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(qū)整體地質(zhì)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(chǎn)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(zhì)量280kg（為方便運輸科可進行拆解），該鉆機作業(yè)能力為500m以內(nèi)，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(qū)作業(yè)，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(chǎn)生“群礫封門”現(xiàn)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(qū)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(chǎn)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(jié)約鉆桿成本。

4　鉆進液

現(xiàn)場隨鉆調(diào)研凍土層在鉆進過程的影響形式，低溫環(huán)境對鉆探生產(chǎn)的主要影響，分析永凍層在低溫鉆井液環(huán)境中的融散縮經(jīng)、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(jīng)循環(huán)后基本維持在5℃以內(nèi)。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(huán)境溫度較低粘度增加，機臺因此降低了鉆孔液循環(huán)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(jié)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(jīng)驗總結

施工經(jīng)驗表明，針對大場礦區(qū)碎裂巖化粘土質(zhì)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(qū)施工季節(jié)由于晝夜溫差大，孔內(nèi)溫度低，通常經(jīng)晝夜、孔內(nèi)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(zhì)孔壁低溫地層的水化時間，可以在鉆探生產(chǎn)期間預防其熱融膨脹。

維持鉆進液在0℃以下正常循環(huán)的經(jīng)驗：優(yōu)質(zhì)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(huán)境下的正常循環(huán)：

（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(zhì)地層的熱融膨脹，維持鉆井液的低溫，白天作業(yè)時可將整個泥漿系統(tǒng)（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(huán)，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(huán)系統(tǒng)卸開，放盡其中的殘留鉆井液。

［1］徐國輝，陳佰輝，王光毅.青海扎日根礦區(qū)永凍層鉆頭技術研究［J］.河北北方學院學報，2011.

［2］劉海波.祁連山區(qū)永凍地層鉆探工程施工方法［J］.探礦工程，2008，35（12）：12-14.

［3］張永勤，孫建華，趙海濤，等.高原凍土水合物鉆探?jīng)_洗液的研究［J］.探礦工程，2007.

［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(zhì)大學出版社，2002.

［5］西藏羅布莎深鉆繩索取芯鉆井液的研究與應用［D］.中國地質(zhì)大學（武漢），2011.

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(xiàn)從事固體礦產(chǎn)勘查工作。