山東萊州吳一村ZK01科學鉆孔鉆探施工技術

欒國棟

(山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264004)

1　概述

ZK01孔是山東省國土資源廳下達的2014年度省級地質勘查項目(魯國土資字[2014]262號、魯勘字[2014]11號)“山東省萊州市吳一村地區(qū)金礦普查”中科學鉆探孔之一。主要目的是通過本次驗證工作，追索控制焦家斷裂帶深部金礦(化)體賦存部位及產狀、規(guī)模、礦石質量等特征，開展物探測井和科研工作。

2　地質概況

ZK01孔上部主要為砂質粘土、粉砂等第四系覆蓋層，結構較松散，下部以閃長巖、輝長巖和花崗巖為主。局部地層較為破碎，部分孔段破碎蝕變嚴重，地層情況十分復雜。

主要地層巖性見表1。

3　鉆孔基本情況

ZK01孔位于萊州市東北約27 km，西部緊鄰西由鎮(zhèn)。北起海北嘴，南到王賈村，西起西由鎮(zhèn)，東到招賢。設計孔深3000 m，實際終孔孔深3266.06 m。

表1　ZK01孔地層巖性預測

ZK01孔鉆探技術要求及完成情況見表2。

表2　ZK01孔鉆探指標完成情況

4　主要鉆探機具配套情況

ZK01孔施工中使用的主要機械設備見表3。ZK01孔施工中主要的鉆具配套詳見表4。

表3　主要機械設備

表4　主要鉆桿、鉆具配套

5　施工工藝概況

5.1　鉆進方法及孔身結構

一開采用?175 mm雙管取心鉆具鉆進至47.79 m，下入?168 mm套管48.00 m，水泥固井；

二開采用?150/122 mm繩索取心鉆進工藝鉆進至108.22 m，下入?140 mm套管108.50 m；

三開采用?122 mm繩索取心鉆進工藝鉆進至1206.34 m，下入?114 mm鉆桿1206.60 m當套管；

四開采用?98 mm繩索取心鉆進工藝鉆進至終孔3266.06 m。ZK01孔孔身結構如圖1所示。

5.2　鉆進參數(shù)

鉆壓隨孔深的增加而合理減??；受孔徑、泥漿性能和鉆孔彎曲度等因素影響，轉速會隨鉆孔深度的增加而逐漸降低，尤其，在鉆遇復雜地層時，轉速不能過快，一般采用120～360 r/min；合理控制泵量，泵量過高會影響孔壁穩(wěn)定，泵量過低會影響沖洗液的冷卻及攜屑效果。詳細參數(shù)見表5。

5.3　沖洗液的使用

5.3.1一開孔段

圖1　ZK01孔孔身結構

孔段/m孔徑/mm鉆壓/kN轉速/(r·min-1)流量/(L·min-1)泵壓/MPa0～47.791752～880～120130～1500～147.79～108.221508～12200～400100～1301～2.5108.22～1206.3412215～20250～50090～1102.5～51206.34～3266.069818～25120～35060～905～10

本孔段(0～47.79 m)鉆進地層為松軟第四系地層，易發(fā)生漏失坍塌，且鉆進中形成的巖屑顆粒相對較大，沖洗液要具較強的護壁、攜屑能力以及較好的降失水性。

施工中采用了LBM泥漿體系，對第四系地層具有很好的抑制作用，形成的泥皮薄而致密，泥漿高切力的性能能夠很好地起到攜帶巖粉、清理孔底的作用。

5.3.2二—四開孔段

本孔段(47.79～3266.06 m)地層相對完整，局部破碎，部分孔段蝕變破碎嚴重，孔徑較大，回轉阻力大，因此保持孔壁穩(wěn)定、減小回轉阻力及攜帶巖屑是主要解決的問題，因此現(xiàn)場采用了適用于繩索取心鉆進工藝的雙聚泥漿體系。

沖洗液配漿及維護處理劑：聚乙烯醇(PVA)+PAC141+復合潤滑劑(GLUB)+聚丙烯酰胺(PHP)。鉆遇破碎地層，可合理提高聚乙烯醇用量，提高護壁效果；孔內摩擦阻力較大，電流升高時，可適當增加防塌潤滑劑的用量。

6　采用的鉆探關鍵技術

6.1　HXY-9型鉆機的現(xiàn)場使用

本次施工采用了HXY-9型鉆機，HXY-9型巖心鉆機是在HXY-8型鉆機的基礎上設計開發(fā)的新型深孔巖心勘探技術裝備，為目前國內施工能力最強的立軸式巖心鉆機，該鉆機具有結構合理、成本低廉、便于維修等特點。但在鉆探施工過程中，該鉆機反映出一些不足。

6.1.1鉆機轉速參數(shù)的設置不合理

HXY-9型鉆機主要用于深孔施工，鉆機轉速參數(shù)的設置應該依據(jù)孔身結構和鉆具組合等因素。對于孔深>3000 m的鉆孔，終孔孔徑一般≮95 mm，配套使用的鉆桿多以?89 mm為主，HXY-9型鉆機高轉速接近1000 r/min，設計過高。

6.1.2主卷揚提升能力不強

采用?89 mm鉆桿鉆進至3000 m孔深，鉆桿在空氣中的重力達600 kN。忽略孔內沖洗液浮力以及孔壁摩擦力影響，上提鉆具的拉力>600 kN。HXY-9型鉆機主卷揚的最大提升能力為640 kN，可以滿足正常提下鉆需求，但在處理卡鉆事故等孔內復雜情況時，其提升能力不能滿足處理孔內事故的需要。

6.1.3配套鉆塔高度低

提下鉆時間長短是影響深孔鉆探鉆進效率的主要因素之一。本次施工配套使用的A29-90t型鉆塔，塔高29 m，鉆柱立根長度18 m，上提3000 m鉆桿需167次，增加鉆塔高度，可降低提下立根的次數(shù)，節(jié)省提下鉆時間，提高鉆進效率。

6.2　深孔鉆桿柱的配套

6.2.1薄壁鉆鋌的使用

為了保證鉆孔的垂直度，施工前期采用了鉆鋌(圖2)加壓，施工至3000 m孔深時，因鉆機提升能力等問題，改為傳統(tǒng)的鉆機加壓鉆進。鉆鋌加壓，鉆壓來自于鉆鋌自重，可避免鉆具彎曲，保證鉆孔的垂直度，使套管順利下入設計深度。

圖2　鉆鋌

忽略鉆具與孔壁間的摩擦力和沖洗液浮力的影響，傳統(tǒng)的鉆機加壓鉆進方式，整個鉆柱承受壓狀態(tài)，減壓鉆進方式，整個鉆柱承上部受拉、下部受壓狀態(tài)，傳統(tǒng)鉆具剛度不足，鉆具在旋轉時的離心力和彎曲力矩的共同作用下，極易在孔底產生彎曲變形，從而導致孔斜發(fā)生。

采用鉆鋌加壓可以將鉆柱的中和點控制在鉆鋌上，適當增加鉆鋌的剛度和長度，或在鉆鋌上部采用一段加重鉆桿，可以有效地控制孔斜。

6.2.2組合鉆桿柱的應用

ZK01孔終孔孔深3266.06 m，在孔深>3000 m之后，綜合考慮上部鉆桿的抗拉強度以及鉆桿自重，對鉆桿柱結構進行了調整，采用了上部使用API石油鉆桿，下部配常規(guī)繩索取心鉆桿的結構，既實現(xiàn)了繩索取心鉆進，同時也保證了鉆孔的安全施工，如圖3所示。

6.3　LBM為主體的雙聚泥漿體系

ZK01孔鉆進至1700～1990 m孔段遇蝕變帶(如圖4)，孔壁發(fā)生坍塌，巖粉巖屑沉積，在每次起下鉆時，都需要長時間的沖孔掃孔，嚴重影響了鉆進效率，針對此情況，對鉆井液進行了調整，采用了以LBM為主體的雙聚泥漿體系，該泥漿體系具有較好的造壁性以及抑制性，確保了孔壁穩(wěn)定。

圖3　組合鉆桿柱

圖4　蝕變帶地層巖心

沖洗液配方：1 m3水+35 kg LBM+6～10 kg銨鹽+1～3 kg包被劑。

沖洗液性能：表觀粘度18.5 mPa·s，動切力5.5 Pa，濾失量10 mL/30 min，泥皮薄而致密。

雙聚泥漿體系具有對地層適應性強，造壁性、抑制性好及配制和維護方便等特點。

6.4　JS150/122繩索取心鉆具的應用

二開孔段(47.79～108.22 m)鉆進中采用了與唐山金石超硬材料有限公司聯(lián)合研制的JS150/122繩索取心鉆具(如圖5)，該鉆具外管外徑140 mm，壁厚達到了19 mm，內管系統(tǒng)(彈卡總成、內管、卡簧、卡簧座)與JS122繩索取心鉆具通用，配套使用?150 mm金剛石鉆頭，實現(xiàn)了?150 mm孔徑繩索取心鉆進，提高了鉆進效率，但該鉆具有過于笨重的不足。

6.5　影響繩索取心成功的因素

在本次施工中輔助時間占總鉆時的53.4%，主要的輔助時間為繩索取心及提下鉆的時間，每次取心失敗都意味著重復多次取心，甚至是提鉆取心，造成了輔助時間的增加。施工中最常見的導致取心失敗的情況有提拉不動內管、繩索取心鋼絲繩斷裂等。

圖5JS150/122繩索取心鉆具結構

(1)提拉不動內管的原因多種多樣，可分為上部卡阻和下部卡阻，上部卡阻可能是鉆桿內落物，內管總成內軸承碎裂擠卡造成，需要加強人員管理，規(guī)范操作，防止鉆桿內落物，每回次需仔細檢查內管總成；下部卡阻可能是卡簧座碎裂，鉆頭內臺階和卡簧座間隙調節(jié)不當，采斷巖心根部過大，底部沖洗液中巖粉過多擠死內管等原因，需根據(jù)現(xiàn)場情況，仔細排查，謹慎操作，在鉆具下入孔內前仔細檢查，合理調配泥漿，每次鉆進完成后可慢速鉆進，避免巖心根部過大，做到預防為主。

(2)繩索取心鋼絲繩斷裂是一種多見的鉆探事故，雖然對鉆探施工來說是一種小事故，但事故發(fā)生后如果處理方法不當，盲目處理，可能會誘發(fā)更大的疊加事故。選用防折破勁的優(yōu)質鋼絲繩，定期檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時更換，可避免此類事故的發(fā)生。其中，鋼絲繩的斷點多數(shù)在使用最頻繁段，鋼絲繩折斷最危險的階段是在孔深中點的長度范圍內，需著重檢查?？變雀杏X異常時，切不可盲目處理，要仔細分析事故原因和一切可能性。

7　結論

(1)施工中使用的HXY-9型鉆機在HXY-8型鉆機的基礎上研發(fā)的新型深孔巖心裝備，該鉆機結構合理，成本低廉，便于維修。但在實際使用中，

該鉆機反映出一些不足，不合理的參數(shù)設置，提升能力的不足，過高的維修率，都大大影響到了該鉆機的使用效果。

(2)組合鉆桿柱在此次施工中的成功應用，證明了在深孔鉆探時使用組合鉆桿是可行的。組合鉆桿柱，可有效地解決常規(guī)繩索取心鉆桿不能滿足深部鉆探對鉆桿強度要求高的問題，要加強對組合鉆桿的研究，包括對其結構的優(yōu)化等，以使其更多地滿足深孔超深孔的需要。

(3)采用LBM、雙聚泥漿等技術措施，可提高在坍塌、破碎及縮徑等復雜地層鉆進施工中的鉆進效率。

(4)JS150/122型繩索取心鉆具在本次施工中取得了很好的使用效果，在保證鉆孔結構合理性的前提下，實現(xiàn)了安全、高效的繩索取心鉆進，提高了鉆進效率。

(5)在深孔鉆進中，輔助時間占全部施工時間比例最大，在本次施工占總施工時長的53%，降低起下鉆時間是降低輔助時間，提高鉆進效率的關鍵。