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 264004）

自20 世紀(jì)六七十年代地學(xué)革命以來，地球深部探測一直引領(lǐng)世界地球科學(xué)的發(fā)展，代表著一個國家地球科學(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)是圍繞中國大陸動力學(xué)基礎(chǔ)地質(zhì)研究的重大關(guān)鍵問題——板塊匯聚邊界的深部動力學(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)合帶對油氣資源制約以及火山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等方面開展地質(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)計了LSD-1 和LSD-2 兩個鉆孔，設(shè)計所鉆地層將從“特提斯喜馬拉雅帶”穿過“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程等一系列重大地質(zhì)科學(xué)問題的研究提供實物資料，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)，同時針對實際勘探過程中的存在難題，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，同時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，鉻鐵礦儲量巨大[1-2]，成為國內(nèi)外眾多學(xué)者重點研究區(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復(fù)理石建造，其主要巖性為長石石英砂巖、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，對鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計需考慮鉆孔區(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)域施工的第一個深孔，地層資料少，預(yù)測性差。因此，鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(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)計圖（單位：mm）

上述初始設(shè)計的鉆孔結(jié)構(gòu)，在實際施工中出現(xiàn)問題。首先對地層條件判斷出現(xiàn)了失誤，羅布莎巖體蛇紋石化強烈、節(jié)理面多、揉皺現(xiàn)象嚴(yán)重；其次繩索取芯口徑過??；最后對以往施工的資料收集不足，鉆孔的結(jié)構(gòu)過于簡單化、理想化。

為解決上述問題，及時調(diào)整了鉆孔結(jié)構(gòu)。LSD-1孔調(diào)整為?150mm鉆頭開孔，下面加入三級套管隔離，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，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、動力機(jī)、鉆塔及附屬設(shè)備等。鉆探設(shè)備類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）、國產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量的檢驗、鉆探區(qū)巖性地層強度等多因素，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)場施工情況來看，HXY-8型巖芯鉆機(jī)動力配置大，鉆進(jìn)、提升能力強，未出現(xiàn)動力不足的問題；雙聯(lián)齒輪油泵組合供油，鉆進(jìn)效率高；配有水剎車裝置，調(diào)節(jié)鉆具下降速度，平穩(wěn)安全。同時，該鉆機(jī)配套了BW160/10、BW300/16 型兩臺泥漿泵，解決了深孔使用聚乙烯醇沖洗液泵壓過高的難題。

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沖洗液。沖洗液的主要功能是攜帶巖粉、冷卻潤滑鉆具、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，主要試驗了聚乙烯醇無固相和LBM等不同性質(zhì)的沖洗液。

2.3.1 聚乙烯醇無固相沖洗液

聚乙烯醇（PVA）是一種無毒、無味、可降解、無污染的高分子聚合物，有很好的流動性和很強的膠結(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型的沖洗液：

（1）PVA+CMC+PHP：該配方?jīng)_洗液應(yīng)用在整個施工過程中，加入CMC 主要是為了提高沖洗液的粘度、動切力，攜帶巖粉，并對水敏性破碎地層有一定的抑制作用；PHP的作用是絮凝和潤滑，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，但潤滑作用更加明顯且加量小，為0.05%。

（3）PVA+CMC：鉆探實踐證明PHP 和PVA 混合使用，當(dāng)增大PHP 時，會影響PVA 的護(hù)壁效果，而PHP 對提高沖洗液的攜粉能力，低于CMC，因此為提高沖洗液動切力，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和膨潤土經(jīng)化學(xué)升級改造而成的高級造漿材料，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，性能見表1。

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

表1 不同加量LBM泥漿性能測試

在實際施工中，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、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，對小口徑鉆探施工是非常困難的，故根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在復(fù)雜地層特殊孔段及事故處理時候，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)時環(huán)狀間隙過小，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)會加長周期，故現(xiàn)場加工?95mm超前擴(kuò)孔鉆頭（①號鉆頭，如圖3a）。?95mm鉆頭在孔內(nèi)比?75mm 超前進(jìn)尺，對外形成擴(kuò)孔，減少鉆具鉆桿與孔壁的接觸摩擦；對內(nèi)形成保護(hù)層，重新修正鉆取。實踐證明其鉆進(jìn)效率明顯提高，但是鉆頭、沖洗液對巖芯的破壞增強，造成取芯率過低（30%左右）。

為提高巖芯采取率，將①號鉆頭改裝加工為?75mm超前特制擴(kuò)孔鉆頭（簡稱②號鉆頭，如圖3b）。②號鉆頭巖芯采取率基本上達(dá)到100%，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)同心度不好，主要是因為?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。

將其做成一體，解決同心度不高的問題，設(shè)計出③號鉆頭，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號鉆頭同心度不好的缺點。在實際鉆進(jìn)過程中，增大環(huán)狀間隙，擴(kuò)孔取芯同時進(jìn)行；配合特制擴(kuò)孔器（圖3d），扶正效果好；鉆進(jìn)時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)計的特種鉆頭

3.1.2 “玉米穗”鉆頭

在鉆至800m 時鉆孔偏斜，下入偏心楔子進(jìn)行糾正。由于巖層松軟易破碎，用常規(guī)鉆頭極易對偏心楔子造成破壞，且常規(guī)鉆頭過于鋒利，易偏斜形成“狗腿”，造成鉆桿斷裂，對下步的施工帶來隱患，故需要一個不是很鋒利，且造斜時較為緩和不會形成“狗腿”的鉆頭，即“玉米穗”鉆頭(圖3e)。它是由一個短錐加焊一些硬質(zhì)合金構(gòu)成，在遇到偏心楔子時由于尖端帶弧很容易偏斜且不易對偏心楔子造成破壞，偏斜出去之后由于尖端圓潤帶有一定的導(dǎo)向作用，不會形成“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時不會對胎兒造成危害。拍攝一張普通牙片的輻射劑量僅為0.1 mrad，所以為了協(xié)助診斷，必要時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)的磨孔鉆頭效率過低，不能滿足本孔需求，故設(shè)計特制磨孔鉆頭（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。

在實際的使用過程中，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“無水壓裝置”

在羅布莎科鉆實際鉆進(jìn)過程中，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)計出一套由“干撈鉆頭”及配套使用的“無水壓裝置”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→無水壓裝置→鉆桿（圖4b）。啟動鉆機(jī)開始下鉆，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，既不會對進(jìn)入干撈鉆頭及鉆桿內(nèi)的巖粉碎石造成沖刷，也不會造成提鉆時壓力失衡，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)空壓力過大造成沖洗液漏失壓垮孔壁，或環(huán)空壓力過小造成孔壁垮塌[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，實現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)相對較難。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S95 鉆頭用來擴(kuò)孔，就相當(dāng)于增大了環(huán)狀間隙，既實現(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，沒有出現(xiàn)任何問題。

3.3 擴(kuò)孔器設(shè)計與應(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，在松軟地層孔壁對擴(kuò)孔器的磨損較輕，但是對擴(kuò)孔器的扶正效果需求較為明顯，所以制作擴(kuò)孔器時將擴(kuò)孔帶加長（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)；實驗不同性質(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）通過上述技術(shù)及工藝的設(shè)計與改造，西藏羅布莎科學(xué)鉆探工程完成LSD-1 和LSD-2 二個鉆孔，該鉆探工程累計進(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，同時也為小口徑巖芯鉆探技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。