吳貝貝

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

受構(gòu)造演變作用，膠東半島中生代花崗巖分布廣泛[1]，膠東地區(qū)地?zé)豳Y源豐富[2]。ZKLG1孔是山東省第一個(gè)超深地?zé)嵴{(diào)查孔，對設(shè)備、工藝、事故處理和人員技能是全新挑戰(zhàn)，高溫對鉆探施工的影響，鉆井液各種組分均會發(fā)生降解、增稠、膠凝、固化等變異，導(dǎo)致鉆井液的流變性、濾失量、潤滑性難以控制[3]，還可能遇到堅(jiān)硬地層鉆頭打滑、地應(yīng)力場破壞引起的局部地層破碎、鉆孔漏失等難題。在實(shí)際施工過程中，針對復(fù)雜地層破碎、地層應(yīng)力大、取心困難等問題進(jìn)行試驗(yàn)與分析，采取泥漿護(hù)壁、套管隔離、工藝革新、信息技術(shù)支撐等手段成功解決孔內(nèi)難題(1)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省文登—榮成—威海地區(qū)深部地?zé)豳Y源調(diào)查鉆探施工技術(shù)報(bào)告，2020年。，總結(jié)出一套與所鉆地層相適應(yīng)的取心鉆進(jìn)工藝[4]，為相似超深地?zé)峥椎目變?nèi)事故預(yù)防與處理提供了借鑒和參考。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

膠東區(qū)域內(nèi)發(fā)育古元古代、中生代和新生代地層，缺失太古代和古生代沉積，最大特點(diǎn)是在造山帶中存在大量的變質(zhì)表殼巖包體。古元古代荊山群分布有呈條帶狀或形態(tài)各異的透鏡狀的造山帶變質(zhì)表殼巖。中生代萊陽群依巖石組合特征分為林寺山組、止鳳莊組、水南組、龍旺莊組、法家塋組。中生代青山群自下而上分為八畝地組、石前莊組。膠東新生代以第四紀(jì)地層為主，多沿河流兩側(cè)、海岸帶及山地坡麓分布。

1—第四系；2—古近系；3—白堊系；4—震旦系；5—新元古界；6—古元古界；7—新太古界；8—嶗山期花崗巖；9—郭家?guī)X期花崗巖；10—偉德山期花崗巖；11—玲瓏期花崗巖；12—晚侏羅世花崗巖；13—晚侏羅世花崗閃長巖；14—晚三疊世正長巖；15—晚侏羅世石英正長巖；16—斷裂；17—推測斷裂；18—脈巖；19—孔位；20—研究區(qū)范圍圖1 膠東地區(qū)地質(zhì)簡圖[1]

2 區(qū)域構(gòu)造

研究區(qū)位于山東半島膠東地區(qū)，在大地構(gòu)造上處于華北板塊和揚(yáng)子板塊碰撞結(jié)合帶[5]，位于歐亞板塊與菲律賓板塊俯沖帶的北西側(cè)，瀕臨西太平洋弧后盆地區(qū)，中生代印支期由于地殼發(fā)生強(qiáng)烈的脆性引張變形作用，形成了一系列近SN向張性斷裂以及NE向、NW向和近EW向扭性斷裂，并導(dǎo)致下部地殼部分巖石熔融，從而產(chǎn)生大規(guī)模的花崗質(zhì)巖漿，沿?cái)嗔讶肭中纬苫◢弾r體，有的沿NE向斷裂入侵形成一些淺成脈巖，具有良好的地?zé)嵝纬蓷l件。斷裂構(gòu)造在威海市西部比較發(fā)育，中東部不甚發(fā)育，斷裂帶方向以NE向、NNE向斷裂為主，其次為SN向、NW、近EW向。

3 鉆孔設(shè)計(jì)及配套設(shè)施

通過施工干熱巖測溫孔開展地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、鉆孔測溫、巖心熱物性及放射性元素含量測試等工作，獲取干熱巖開采所需的指標(biāo)參數(shù)，為下一步開發(fā)利用干熱巖資源提供依據(jù)。因此鉆孔設(shè)計(jì)綜合考慮4個(gè)原則：①滿足水文地質(zhì)技術(shù)要求；②超深孔施工難度大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要預(yù)留足夠口徑[6]，便于開展后續(xù)可能發(fā)生事故的處理工作；③隔離長孔段復(fù)雜地層，保障孔壁穩(wěn)定，孔內(nèi)安全[7]；④在滿足各項(xiàng)條件下，應(yīng)盡量簡化鉆孔結(jié)構(gòu)[8]。因此設(shè)計(jì)開孔口徑150mm，50m左右換徑122mm，施工至1000m左右換徑96mm至終孔，設(shè)計(jì)深度3000m(圖2)。

圖2 鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

鉆機(jī)及配套設(shè)施的選擇要滿足超深孔施工能力。鉆機(jī)選擇HXY-9立軸鉆機(jī)，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度2000～4000m，具有多級轉(zhuǎn)速、大功率、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；采用衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的BW250型和BW300/16型泥漿泵，具有操作簡單、流量變化范圍廣、輸出壓力較高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；鉆塔采用山東省地礦局第三地質(zhì)勘查院天元實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)的A29-90型鉆塔。

4 鉆進(jìn)遇到的難題

(1)地層破碎，孔壁坍塌。由于地層條件復(fù)雜，P口徑施工深度在280m、625m、985m處分別鉆遇到嚴(yán)重破碎帶，每層厚度40m左右，施工地層輝綠巖脈有11段，孔壁穩(wěn)定性極差[9]，面臨沖洗液漏失、孔底坍塌掉塊、易堵心、泵壓高等問題。在深孔階段，由于井深結(jié)構(gòu)復(fù)雜、起下鉆周期長，無固相沖洗液已難以滿足流變性、失水造壁性與潤滑性等綜合性能的兼顧[10]，沖刷攜粉能力降低，導(dǎo)致破碎地層產(chǎn)生的掉塊在孔底堆積，加速了鉆頭磨損，降低了施工進(jìn)度。

(2)巖層高硬度。H口徑施工深度到1467m至終孔時(shí)，花崗巖堅(jiān)硬、致密、完整、研磨性強(qiáng)，同時(shí)鉆頭水口數(shù)量多，一方面降低了胎塊與鉆頭缸體的連接強(qiáng)度，另一方面也減少了破巖面積，容易引起胎塊脫落，導(dǎo)致鉆頭壽命降低，輔助時(shí)間增加的問題。

(3)高應(yīng)力地層。隨著施工深度的增加，地層應(yīng)力顯著增高，大顆粒巖屑增多，引起卡鉆，導(dǎo)致泵壓異常、憋泵的問題；鉆進(jìn)破壞附近地應(yīng)力場，引起地應(yīng)力釋放，沖洗液沖刷攜帶出巖心柱內(nèi)的巖屑，導(dǎo)致取出的巖心呈“餅干狀”(圖3)。

圖3 取出的“餅干狀”巖心

(4)其他技術(shù)問題。一是環(huán)狀間隙小，鉆具與泥皮間存在較大摩擦，長時(shí)間接觸也會出現(xiàn)吸附卡鉆現(xiàn)象[12]，造成泵壓高、壓漏、壓裂地層等許多危害。二是鉆桿能力較差，受材質(zhì)和工藝水平限制以及繩索取心鉆桿口徑小、壁薄的要求，鉆進(jìn)能力不足，不同程度存在著鉆桿柱極限承載力低、韌性不足致使鉆桿斷裂、螺紋拉脫[13]。三是還需加大抗高溫鉆井液的配方研究工作[14]，因此對鉆探設(shè)備、鉆進(jìn)工藝和沖洗液選配使用要求非常高。

5 處理措施及效果

堅(jiān)持“預(yù)防為主，處理為輔”的方針[15]，科學(xué)分析，綜合研判，對鉆探現(xiàn)場、項(xiàng)目部、設(shè)備、人員實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化管理[16]，嚴(yán)格按操作規(guī)程采取有效預(yù)防措施。

(1)針對破碎地層施工難題，及時(shí)調(diào)整泥漿性能，維護(hù)孔壁穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[17]。選擇安全泥漿密度與泥漿體系[18]，采用低固相泥漿替代無固相泥漿，清水+聚丙烯酰胺+磺化瀝青+降失水劑，配合隨鉆堵漏劑，雖然存在一定漏失，堵漏護(hù)壁效果滿足實(shí)際需要，滿足攜帶巖屑、維護(hù)孔壁穩(wěn)定需要[19]，順利通過第一層破碎帶；第二層破碎帶采用清水+膨潤土+燒堿+純堿+磺化瀝青+纖維素，配合隨鉆堵漏劑、護(hù)壁劑使用，達(dá)到了保障孔壁穩(wěn)定；為了確保三層破碎復(fù)雜地層孔壁穩(wěn)定，配制新泥漿進(jìn)行全孔換漿護(hù)孔，測井后下入114mm套管穩(wěn)定復(fù)雜破碎地層。采用專門涂層巖心管降低與巖心的摩擦阻力，有效降低巖心堵塞的次數(shù)，解決了對巖心易堵塞、回次進(jìn)尺低和低固相泥漿無法使用液動錘的問題。

(2)針對巖石硬度大、鉆頭壽命低的問題，通過調(diào)整胎體高度、胎體硬度、金剛石粒徑和濃度、金剛石品級、水口數(shù)量等參數(shù)，試驗(yàn)出適用于該地層鉆進(jìn)參數(shù)的鉆頭，采取胎體硬度HRC60-61，胎體高度11～14mm，國產(chǎn)金剛石顆粒，水口數(shù)6的鉆頭，鉆頭物理壽命穩(wěn)定在60m以上，有效提高了鉆頭壽命和鉆進(jìn)效率，節(jié)約了施工成本。針對其他技術(shù)問題，采取加大終孔口徑、增大鉆頭外徑、選用加強(qiáng)鉆桿鉆具，在一定程度上克服了繩索取心深孔鉆進(jìn)環(huán)狀間隙小、小口徑鉆桿能力不足的問題，保障了鉆孔施工安全順利。

(3)針對高應(yīng)力地層，取出巖心呈“餅狀”，鉆進(jìn)時(shí)泵壓異常增高、頻繁憋泵的問題，通過現(xiàn)場實(shí)際測試分析，判斷高應(yīng)力地層鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生大量大顆粒巖屑，泥漿不能滿足清潔孔底引起巖屑聚集，導(dǎo)致泵壓升高或憋泵。采取黃土低固相泥漿，配方為清水+膨潤土(3%～6%) +燒堿+純堿(0.3%～0.5%)+磺化瀝青1%+纖維素0.3%，配合隨鉆堵漏劑、大顆粒復(fù)合堵漏劑和聚乙烯醇，提升泥漿護(hù)壁性能和攜帶巖粉的能力，滿足穩(wěn)定孔壁，減少漏失的效果，同時(shí)增加回次沖孔時(shí)間，確?？椎浊鍧崳行Ы鉀Q了泵壓異常的問題。

(4)開展技術(shù)革新。一是加強(qiáng)信息技術(shù)支撐，委托中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)開發(fā)了“深孔鉆探鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)”，有效獲取調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)、監(jiān)測反饋孔內(nèi)信息(圖4)，具有泵壓、主機(jī)電流(扭矩)、大鉤載荷及位置等參數(shù)的超限聲光電報(bào)警功能，能夠及時(shí)判斷孔內(nèi)事故，防止事故惡化擴(kuò)大。二是設(shè)計(jì)制造撈矛頭鎖止打撈裝置，連接鉆桿可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力起拔內(nèi)管總成，結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、使用方便、易于維護(hù)，獲得國家實(shí)用新型專利。

圖4 深孔鉆探鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

采取以上措施有效解決了施工過程中遇到的難題，成功完成3003.17m測溫孔一個(gè)，終孔口徑98mm，巖心采取率為97.05%，全孔最大孔斜(頂角)3.1°，有效獲取干熱巖開發(fā)利用的各項(xiàng)參數(shù)。鉆探技術(shù)人員的專業(yè)知識、經(jīng)驗(yàn)與整體素養(yǎng)直接影響到深部地質(zhì)鉆探找礦技術(shù)的質(zhì)量與效果[20]。

6 結(jié)論

在開展類型超深鉆探施工過程中，要提前做好研判，綜合評估可能遇到的各種孔內(nèi)難題，提前采取預(yù)防控制措施，盡可能將事故消滅在萌芽狀態(tài)。

(1)充分了解鉆探地區(qū)的地質(zhì)條件，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，科學(xué)設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)，超深、超斜、超難鉆孔盡量預(yù)留一級口徑，便于事故處理和其他后續(xù)工作開展。

(2)合理選擇泥漿沖洗液類型，性能符合地層要求，滿足攜帶巖屑、清潔孔底、維護(hù)孔壁穩(wěn)定等要求；開展抗高溫鉆井液研究，保證鉆井液在高溫工作條件下的穩(wěn)定性。

(3)選擇合適的鉆進(jìn)工藝與合理的鉆進(jìn)參數(shù)。選擇的鉆探設(shè)備能力滿足施工要求，鉆機(jī)符合施工能力要求且具有較大的提升力，能夠在出現(xiàn)燒鉆等孔內(nèi)事故時(shí)及時(shí)將鉆桿提離孔底，泥漿泵具有滿足要求的額定泵壓、較大的流量調(diào)整范圍和超載保護(hù)措施。

(4)開展工藝技術(shù)和設(shè)備革新，加強(qiáng)信息技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對孔內(nèi)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測的可視化、數(shù)字化的智能預(yù)警；研發(fā)適應(yīng)施工地層的工藝技術(shù)和裝備，提高科技創(chuàng)新對超深孔施工的支撐保障水平。