羅布莎科學(xué)鉆探工程技術(shù)及應(yīng)用

張英傳，王魯朝，宋世杰，翟育峰

（山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院，山東 煙臺(tái) 264004）

自20 世紀(jì)六七十年代地學(xué)革命以來(lái)，地球深部探測(cè)一直引領(lǐng)世界地球科學(xué)的發(fā)展，代表著一個(gè)國(guó)家地球科學(xué)水平?？茖W(xué)超深孔鉆探是在現(xiàn)有技術(shù)水平所能達(dá)到的最大深度條件下，采用最先進(jìn)、最安全的鉆探技術(shù)方法，獲取盡可能多的地下信息，以滿足科學(xué)目標(biāo)的要求。大陸科學(xué)鉆探總體目標(biāo)是圍繞中國(guó)大陸動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)地質(zhì)研究的重大關(guān)鍵問(wèn)題——板塊匯聚邊界的深部動(dòng)力學(xué)、礦產(chǎn)資源集聚區(qū)的成礦背景、成礦條件和成礦前景、盆山結(jié)合帶對(duì)油氣資源制約以及火山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等方面開(kāi)展地質(zhì)、地球物理的預(yù)研究、大比例尺地質(zhì)調(diào)查填圖和科學(xué)選址。羅布莎大陸科學(xué)鉆探，設(shè)計(jì)了LSD-1 和LSD-2 兩個(gè)鉆孔，設(shè)計(jì)所鉆地層將從“特提斯喜馬拉雅帶”穿過(guò)“雅魯藏布江縫合帶”，直達(dá)“岡底斯巖漿帶”，為揭示印度板塊與亞洲板塊碰撞邊界和過(guò)程等一系列重大地質(zhì)科學(xué)問(wèn)題的研究提供實(shí)物資料，進(jìn)而為該區(qū)鉻鐵礦深部找礦突破提供重要的理論依據(jù)。但是，在實(shí)際施工中，特殊孔段存在鉆進(jìn)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(duì)羅布莎地區(qū)鉆孔井身結(jié)構(gòu)、鉆井設(shè)備、沖洗液等鉆探工藝進(jìn)行合理組合和改進(jìn)，同時(shí)針對(duì)實(shí)際勘探過(guò)程中的存在難題，創(chuàng)造性地探索出適合本地區(qū)鉆探的新工藝、新技術(shù)。該鉆探工程累計(jì)進(jìn)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(fù)雜地層超深孔鉆探提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為小口徑巖芯鉆探技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 羅布莎區(qū)地層概況

羅布莎地區(qū)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(chǔ)量巨大[1-2]，成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者重點(diǎn)研究區(qū)域。鉆孔鉆遇地層自上而下有：第四系殘積坡積層、上三疊統(tǒng)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(zhì)粘土、碳酸鹽等混雜堆積，由基巖剝蝕風(fēng)化而成。上三疊統(tǒng)地層為一套淺海相類(lèi)復(fù)理石建造，其主要巖性為長(zhǎng)石石英砂巖、砂質(zhì)泥板巖、砂板巖、千枚巖及少量透鏡狀灰?guī)r。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(qū)均有出露。第三系羅布莎群地層呈東寬西窄的狹長(zhǎng)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(tǒng)、上白堊統(tǒng)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(xiàn)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(xì)砂巖等。

2 鉆井工程概況

2.1 井身結(jié)構(gòu)

通常，對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需考慮鉆孔區(qū)的地層結(jié)構(gòu)、終孔深度、設(shè)備和鉆具能力等情況。對(duì)羅布莎地區(qū)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(qū)域施工的第一個(gè)深孔，地層資料少，預(yù)測(cè)性差。因此，鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)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(jìn)至終孔位置（圖1）。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

上述初始設(shè)計(jì)的鉆孔結(jié)構(gòu)，在實(shí)際施工中出現(xiàn)問(wèn)題。首先對(duì)地層條件判斷出現(xiàn)了失誤，羅布莎巖體蛇紋石化強(qiáng)烈、節(jié)理面多、揉皺現(xiàn)象嚴(yán)重；其次繩索取芯口徑過(guò)?。蛔詈髮?duì)以往施工的資料收集不足，鉆孔的結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單化、理想化。

為解決上述問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整了鉆孔結(jié)構(gòu)。LSD-1孔調(diào)整為?150mm鉆頭開(kāi)孔，下面加入三級(jí)套管隔離，用S75 鉆進(jìn)至1477.80m，孔內(nèi)出現(xiàn)坍塌，難以處理，下部地層也難預(yù)測(cè)，故將LSD-1 作為施工預(yù)導(dǎo)孔終孔（圖2a）。

圖2 LSD-1預(yù)導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)圖以及LSD-2鉆孔結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

根據(jù)LSD-1預(yù)導(dǎo)孔地層的地質(zhì)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(jí)孔徑只要條件允許，就盡量向深處鉆進(jìn)。為加大95 口徑鉆進(jìn)的施工深度，S95 鉆進(jìn)完成后，采用S75-95特制鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至1468.17m，下入?89mm 套管，因故障，僅至1302.94m，下部約167m 裸孔。當(dāng)換用S75 鉆進(jìn)至1533m，上部裸孔段開(kāi)始坍塌，最終孔孔深1853.79m，預(yù)備口徑?56mm。

2.2 鉆井設(shè)備

鉆探設(shè)備主要包括鉆機(jī)、泥漿泵、動(dòng)力機(jī)、鉆塔及附屬設(shè)備等。鉆探設(shè)備類(lèi)型選擇取決于施工鉆孔的目的、施工的環(huán)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(biāo)的深度（2000～2500m）、國(guó)產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量的檢驗(yàn)、鉆探區(qū)巖性地層強(qiáng)度等多因素，選取連云港黃海機(jī)械廠HXY-8型巖芯鉆機(jī)作為施工鉆機(jī)。從現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，HXY-8型巖芯鉆機(jī)動(dòng)力配置大，鉆進(jìn)、提升能力強(qiáng)，未出現(xiàn)動(dòng)力不足的問(wèn)題；雙聯(lián)齒輪油泵組合供油，鉆進(jìn)效率高；配有水剎車(chē)裝置，調(diào)節(jié)鉆具下降速度，平穩(wěn)安全。同時(shí)，該鉆機(jī)配套了BW160/10、BW300/16 型兩臺(tái)泥漿泵，解決了深孔使用聚乙烯醇沖洗液泵壓過(guò)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(kāi)沖洗液。沖洗液的主要功能是攜帶巖粉、冷卻潤(rùn)滑鉆具、保護(hù)孔壁穩(wěn)定、平衡地層壓力等[3-5]。在羅布莎科鉆施工中，主要試驗(yàn)了聚乙烯醇無(wú)固相和LBM等不同性質(zhì)的沖洗液。

2.3.1 聚乙烯醇無(wú)固相沖洗液

聚乙烯醇（PVA）是一種無(wú)毒、無(wú)味、可降解、無(wú)污染的高分子聚合物，有很好的流動(dòng)性和很強(qiáng)的膠結(jié)性，能夠滲入破碎地層中，膠結(jié)巖塊、巖屑，防止坍塌及穩(wěn)定孔壁，故在鉆探生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在羅布莎科鉆施工過(guò)程中，使用PVA 作沖洗液施工的孔段最多，約2400m，占總進(jìn)尺的60%。

在羅布莎科鉆施工中，主要配制了以下三種類(lèi)型的沖洗液：

（1）PVA+CMC+PHP：該配方?jīng)_洗液應(yīng)用在整個(gè)施工過(guò)程中，加入CMC 主要是為了提高沖洗液的粘度、動(dòng)切力，攜帶巖粉，并對(duì)水敏性破碎地層有一定的抑制作用；PHP的作用是絮凝和潤(rùn)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(yīng)用在LSD-2 鉆孔1533m 以后的S56 繩索取芯鉆進(jìn)工藝中。PAC141的作用同CMC 相似，但潤(rùn)滑作用更加明顯且加量小，為0.05%。

（3）PVA+CMC：鉆探實(shí)踐證明PHP 和PVA 混合使用，當(dāng)增大PHP 時(shí)，會(huì)影響PVA 的護(hù)壁效果，而PHP 對(duì)提高沖洗液的攜粉能力，低于CMC，因此為提高沖洗液動(dòng)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L(fēng)PA和膨潤(rùn)土經(jīng)化學(xué)升級(jí)改造而成的高級(jí)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(jiàn)表1。

從表1中可以看出，LBM泥漿具有以下三個(gè)特點(diǎn)：①良好的流變性能，其粘度、動(dòng)塑比都很小，有利于降壓護(hù)壁；②LBM 泥漿的濾失量較低，可防止過(guò)多自由水或?yàn)V液進(jìn)入地層孔隙、微裂隙、節(jié)理之中，造成孔壁機(jī)械強(qiáng)度降低；③對(duì)保護(hù)水敏性地層非常有利。

表1 不同加量LBM泥漿性能測(cè)試

在實(shí)際施工中，LBM 泥漿主要應(yīng)用在LSD-2 鉆孔960m處，依靠LBM泥漿的攜粉能力，把孔內(nèi)坍塌大顆粒帶出，解決憋車(chē)、憋泵現(xiàn)象。

2.4 科鉆工程取芯技術(shù)

3 鉆探新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用

3.1 特種鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅布莎科鉆孔地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地層破碎嚴(yán)重，對(duì)小口徑鉆探施工是非常困難的，故根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在復(fù)雜地層特殊孔段及事故處理時(shí)候，自制若干合適的特種鉆頭。

3.1.1 孕鑲金剛石擴(kuò)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(fù)雜松軟易縮徑，鉆進(jìn)時(shí)環(huán)狀間隙過(guò)小，鉆桿、鉆具與孔壁摩擦嚴(yán)重，易誘發(fā)孔內(nèi)事故，所以需要擴(kuò)孔鉆進(jìn)（?75mm 取芯→?95mm擴(kuò)孔），但是如此鉆進(jìn)會(huì)加長(zhǎng)周期，故現(xiàn)場(chǎng)加工?95mm超前擴(kuò)孔鉆頭（①號(hào)鉆頭，如圖3a）。?95mm鉆頭在孔內(nèi)比?75mm 超前進(jìn)尺，對(duì)外形成擴(kuò)孔，減少鉆具鉆桿與孔壁的接觸摩擦；對(duì)內(nèi)形成保護(hù)層，重新修正鉆取。實(shí)踐證明其鉆進(jìn)效率明顯提高，但是鉆頭、沖洗液對(duì)巖芯的破壞增強(qiáng)，造成取芯率過(guò)低（30%左右）。

為提高巖芯采取率，將①號(hào)鉆頭改裝加工為?75mm超前特制擴(kuò)孔鉆頭（簡(jiǎn)稱(chēng)②號(hào)鉆頭，如圖3b）。②號(hào)鉆頭巖芯采取率基本上達(dá)到100%，但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)同心度不好，主要是因?yàn)?95mm 取芯鉆頭內(nèi)徑與?75mm取芯鉆頭的鋼體外徑吻合度不好，現(xiàn)場(chǎng)的焊接工藝也有限，致使鉆頭在孔內(nèi)偏心公轉(zhuǎn)，導(dǎo)致鉆桿偏心公轉(zhuǎn)，沖擊孔壁，引發(fā)孔內(nèi)護(hù)壁失效，出現(xiàn)塌孔、掉塊等危險(xiǎn)。

將其做成一體，解決同心度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出③號(hào)鉆頭，即?95.5mm/46特制擴(kuò)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(huán)狀間隙，避免了②號(hào)鉆頭同心度不好的缺點(diǎn)。在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，增大環(huán)狀間隙，擴(kuò)孔取芯同時(shí)進(jìn)行；配合特制擴(kuò)孔器（圖3d），扶正效果好；鉆進(jìn)時(shí)效和巖芯采取率均達(dá)到要求。

圖3 羅布莎鉆探工程中自主設(shè)計(jì)的特種鉆頭

3.1.2 “玉米穗”鉆頭

在鉆至800m 時(shí)鉆孔偏斜，下入偏心楔子進(jìn)行糾正。由于巖層松軟易破碎，用常規(guī)鉆頭極易對(duì)偏心楔子造成破壞，且常規(guī)鉆頭過(guò)于鋒利，易偏斜形成“狗腿”，造成鉆桿斷裂，對(duì)下步的施工帶來(lái)隱患，故需要一個(gè)不是很鋒利，且造斜時(shí)較為緩和不會(huì)形成“狗腿”的鉆頭，即“玉米穗”鉆頭(圖3e)。它是由一個(gè)短錐加焊一些硬質(zhì)合金構(gòu)成，在遇到偏心楔子時(shí)由于尖端帶弧很容易偏斜且不易對(duì)偏心楔子造成破壞，偏斜出去之后由于尖端圓潤(rùn)帶有一定的導(dǎo)向作用，不會(huì)形成“狗腿”，達(dá)到預(yù)期效果。

3.1.3 推磨事故鉆桿頭特質(zhì)鉆頭

3.5.2 局部麻藥和放射線的應(yīng)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(huì)導(dǎo)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(shí)不會(huì)對(duì)胎兒造成危害。拍攝一張普通牙片的輻射劑量?jī)H為0.1 mrad，所以為了協(xié)助診斷，必要時(shí)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(guī)打撈未果，多次商議決定推掉鉆桿。由于工期所限，常規(guī)的磨孔鉆頭效率過(guò)低，不能滿足本孔需求，故設(shè)計(jì)特制磨孔鉆頭（圖3f），加高胎體、增加直徑為3～5mm 的不規(guī)則硬質(zhì)合金顆粒，具有胎體高、耐磨、磨削鉆桿快的特點(diǎn)。

在實(shí)際的使用過(guò)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(zhì)合金胎體配合金剛石，對(duì)鉆桿進(jìn)行快速切削，順利地將1000～1100m 孔內(nèi)斷裂鉆桿推磨掉。

3.1.4 “干撈鉆頭”及其配套的“無(wú)水壓裝置”

在羅布莎科鉆實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)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(guī)取芯無(wú)法有效打撈，易引起埋鉆、憋泵、燒鉆等事故，影響成孔質(zhì)量及工程進(jìn)度。為此，設(shè)計(jì)出一套由“干撈鉆頭”及配套使用的“無(wú)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(wú)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(wǎng)狀（圖4a）。裝置組裝順序：干撈鉆頭→3～5m 鉆桿→無(wú)水壓裝置→鉆桿（圖4b）。啟動(dòng)鉆機(jī)開(kāi)始下鉆，當(dāng)干撈裝置到達(dá)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(nèi)，進(jìn)入鉆桿。由于巖粉進(jìn)入壓力增大，造成鋼珠上移，把多余的水?dāng)D壓到鉆桿上部，經(jīng)排水孔排出；由水泵打壓進(jìn)鉆桿的水在鋼球的阻擋下進(jìn)不到下部的鉆桿，而從排水孔排出，既不會(huì)對(duì)進(jìn)入干撈鉆頭及鉆桿內(nèi)的巖粉碎石造成沖刷，也不會(huì)造成提鉆時(shí)壓力失衡，效果顯著。

3.2 加大環(huán)狀間隙鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

壓力平衡鉆進(jìn)技術(shù)是巖芯鉆進(jìn)中重要方法，其原理是控制環(huán)狀間隙內(nèi)的沖洗液壓力（環(huán)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(wěn)定，防止環(huán)空壓力過(guò)大造成沖洗液漏失壓垮孔壁，或環(huán)空壓力過(guò)小造成孔壁垮塌[7]。

繩索取芯鉆進(jìn)方法是內(nèi)管從鉆桿內(nèi)投放和打撈，鉆桿內(nèi)外徑比較大，導(dǎo)致環(huán)狀間隙太小，易造成環(huán)中壓力的劇烈變化，實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)相對(duì)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(jìn)方法取得良好效果。在鉆頭外部連接一個(gè)S95 鉆頭用來(lái)擴(kuò)孔，就相當(dāng)于增大了環(huán)狀間隙，既實(shí)現(xiàn)了繩索取芯，又有利于壓力平衡鉆進(jìn)，用此工藝鉆進(jìn)至1469.71m，沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。

3.3 擴(kuò)孔器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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

圖5 ?75mm特制加大擴(kuò)孔器和扶正擴(kuò)孔器

3.3.1 ?75mm特制加大擴(kuò)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(kuò)孔取芯鉆頭的時(shí)候，由于是?75mm 取芯，?95mm 擴(kuò)孔，所用鉆具都是?75mm，所以擴(kuò)孔器需要是?75mm的扣型尺寸，擴(kuò)孔部分需要?95mm 外徑尺寸，所以特制了?75mm特制加大擴(kuò)孔器（圖5a），在使用過(guò)程中起到了很好的效果。

3.3.2 扶正擴(kuò)孔器

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

4 結(jié)論

（1）合理地改進(jìn)井身結(jié)構(gòu)；采用適合的HXY-8 型巖芯鉆機(jī)；實(shí)驗(yàn)不同性質(zhì)的聚乙烯醇（PVA）沖洗液和LBM泥漿；應(yīng)用與改進(jìn)了繩索取芯鉆進(jìn)取芯技術(shù)是順利完井的關(guān)鍵。

（2）針對(duì)特殊孔段難以鉆進(jìn)、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(shè)計(jì)出特殊的鉆頭及配套的擴(kuò)孔器，并采用加大鉆頭外徑的形式改進(jìn)取芯鉆進(jìn)技術(shù)，圓滿地解決了這些難題。

（3）通過(guò)上述技術(shù)及工藝的設(shè)計(jì)與改造，西藏羅布莎科學(xué)鉆探工程完成LSD-1 和LSD-2 二個(gè)鉆孔，該鉆探工程累計(jì)進(jìn)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(fù)雜地層超深孔鉆探提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為小口徑巖芯鉆探技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。