陈师逊，翟育峰，王鲁朝，仲崇龙

(山东省地矿局第三地质大队，山东 烟台264003)

0 引言

西藏罗布莎科学钻孔是“大陆科学钻探选址与科学钻探实验”项目中施工难度最大的钻孔。隶属于国家重大科技专项“深部探测技术与实验研究”。该项目于2009年6月开始施工，2012年9月结束，共施工2个钻孔，终孔孔深分别为1477.80和1883.79 m，该孔深虽然在内地不算最深的，但在青藏高原上被称为“第一深孔”。该科学钻探项目的施工和提供的实物资料为揭示印度板块和亚洲板块碰撞边界和过程、研究雅鲁藏布江蛇绿岩带的形成与侵位机制，进而为铬铁矿找矿突破前景提出重要理论依据，为开展西藏雅鲁藏布江缝合带中超镁铁岩体的深井钻探(＞5000 m)和资源评价奠定基础。

该科学钻探项目的施工对深部钻探技术带来许多启示，作为施工单位，我们有以下几点认识。

1 绳索取心钻杆的强度(扭矩和丝扣拉力)潜力大

国内推广小口径钻探以来，虽然在地质岩心钻探规程中列出了最小公称口径为30 mm，还有38、48 mm等小口径系列，但在实际生产中很难遇到。这主要是由于没有与之相匹配的高强度钻杆，特别是绳索取心钻进，口径越小，钻杆直径要相应减小，强度也会降低。可以想象一下，如果设计一种与30 mm口径配套的绳索钻杆，钻进能力很难超过50 m。在以往的地质勘探中，由于探矿深度较浅(一般孔深＜1000 m)，最常用的是56 mm口径(老规范)。随着新时期国内深部探矿战略的实施，设计钻孔深度逐步加深，国内56 mm口径的绳索取心钻杆强度已经不能适应孔深要求，钻孔终孔口径逐步被75 mm(NQ)口径替代，同时采取各种手段和措施提高钻杆强度。目前国内最高NQ绳索取心钻杆设计强度可以满足3000 m孔深需要。

在罗布莎科学钻探项目施工中，采用NQ绳索取心钻进至1533.92 m，由于地层严重破碎、坍塌，无法继续钻进，采用了许多技术措施也没有很好的效果，经研究采用了把NQ钻杆下入作为套管使用，用56 mm孔径绳索取心继续钻进，本来是一种探索性的试验，如果钻杆扭矩达不到，还可以考虑采用阶梯钻杆等措施，结果一直钻进至1853.79 m终孔，这在以往是不可想象的，这说明我们对钻杆强度的理解过于保守。我们在“中国岩金第一深钻”施工中，用设计钻深强度3000 m的NQ钻杆施工至3300 m，也远远超出设计孔深。

当然，钻杆承受的扭矩和拉力不仅是由孔深决定的，孔内阻力、钻进参数等都是影响扭矩和拉力的主要因素。在实际施工过程中，一定要因地制宜，不能盲目超过钻杆强度能力钻进，要充分考虑钻孔内的状况，尽量减小钻进参数，以免造成断钻杆事故的发生。

2 加大环状间隙，实现绳索取心压力平衡钻进

压力平衡钻进技术是由石油钻井引进到岩心钻进中来的。主要技术原理是控制环状间隙内的冲洗液压力(环空外压力)，使之等于或接近于地层压力，并保证在任何情况下，都小于地层的破裂压力，达到保持孔壁稳定，防止环空压力过大造成冲洗液漏失，压垮孔壁，或环空压力过小造成孔壁垮塌。环空外压力的大小和变化与环状间隙有密切关系。绳索取心钻进方法的主要特点是内管从钻杆内投放和打捞，内管外径比较大，导致环状间隙太小，容易造成环空压力的剧烈变化，实现压力平衡钻进相对较难，对一些软弱、漏失地层，采用绳索取心钻进容易出现泵压较高、压漏、孔壁坍塌等，甚至造成孔内事故，所以在深孔绳索取心钻进中一定要注意加大钻头的使用。钻头加大会增加钻头的底唇面积，影响钻进效率，因此钻头是否加大，加大多少尺寸还要根据地层情况决定。

罗布莎科学钻深LSD－02孔施工中，在967.50～1469.17 m孔段采用S75绳索取心钻杆配95 mm钻头的钻进方法收到了良好效果。下入108 mm套管之后，换S95绳索取心钻进，采用无固相冲洗液，有些粗颗粒岩粉携带不上来，出现泵压高，漏失、孔壁不稳、坍塌。原计划用95 mm口径钻进至1400 m后下入89 mm套管。当钻进到967.50 m时由于孔内沉渣太多，泵压很高，孔壁被压裂，漏水，几次封孔也没有效果，已经很难继续施工下去。针对地层较软的状况，设计了一种边钻进边扩孔的钻进工艺方法，即用S75绳索取心钻进工艺的同时，在钻头外部连接一个S95钻头用来扩孔。加工的扩径钻头如图1所示。这样就相当于增大了环状间隙，既实现了绳索取心，又有利于实现压力平衡钻进，同时把冲洗液换成更有利于保护孔壁和携带岩粉的LBM低固相泥浆。用此工艺钻进至1469.71 m，没有出现任何问题，钻进效率高，效果很好。

要实现压力平衡钻进，光靠增大环状间隙还是不够的，还要控制泵量、控制提下钻速度等一些措施。

图1 现场加工的特殊钻头

3 事故是影响深孔钻探效率的主要因素

钻探生产中有句俗语“不怕慢，就怕站”，特别是对深孔钻探，一旦没有进尺，就很可能意味着孔内有事故或孔内不正常，处理孔内事故和状况有的较为简单，但遇到孔壁不稳定状况时就很麻烦，如果措施不当，往往会使孔内越来越复杂，造成更大事故甚至报废。深孔钻进施工周期长，钻遇的地层类型多，孔内事故是难免的，也因投入较大不能轻易报废，因此事故的次数和处理方法成为影响深孔钻探效率的主要因素。

罗布莎矿区主要代表岩石是蛇纹石化橄榄岩，可钻性5级左右，属较软岩石，这类岩石对金刚石钻进来说非常容易，进尺很快，但施工效率却很低，主要原因是孔壁不稳定和孔内坍塌物太多造成无法连续钻进，事故率太高的原因，加之封孔待凝透孔等时间，LSD－2号孔不能正常钻进的时间达511天，占总时间的70%。表1列出了LSD－2号孔主要事故和处理所占用的时间。

表1 LSD－2号孔主要事故和处理所占用的时间统计

我队其他深孔的施工也证明了这一点，一小孔段的破碎(不稳定)地层如果不能快速穿过，发生坍塌，破坏了其原有的结构，越处理越复杂，可能会占用很长时间，使台月效率成倍降低。在处理事故中求稳也是很重要的，不能急于求成。除了常用的一些方法外，磨灭、绕开、扩大等方法虽然速度较慢，但都是较为有效的。对浅孔来说，报废重打甚至比处理还要节约成本，但深孔则不然。因此要做好孔内事故的预防，一旦出现事故要尽快制定有效措施处理。

4 钻探设备应进一步改进，以满足深孔钻探需要

随着中国深孔钻探的逐步发展，钻探设备也迅猛发展起来，以适应深部找矿钻探的需要，如20世纪80年代我国岩心钻机机型主要为XY－2、XY－3、XY－4等立轴钻机，到目前已经发展到XY－5、XY－6、XY－8甚至XY－9为主，还发展了一大批不同型号的动力头钻机。水泵也从BW－90型到目前的BW－250甚至BW－320型。但在改型换代的过程中，“扩大”的成分较多，体现出的“创新”，“实用”成分不足。也就是说钻探设备技术参数应更合理，以适应深孔钻探生产需要。

立轴钻机的参数主要表现在转速的设置和动力的配备。深孔钻进一般钻孔结构比较复杂，浅部钻进时口径较大，转速无需太高，即可以满足钻头线速度的需要，深部口径小，但由于孔内阻力、钻杆强度等因素已无法实现高转速，因此钻机设计中一味追求高转速是不合理的。深孔钻探中最常用的转速应该在200～500 r/min，而这一区间内的转速分布又非常不均匀，转速挡位有的只差几转，而有的相邻转速间差距又很大，显然是不符合深孔钻探生产需要的。如某深孔立轴钻机的转速为81、140、217、225、373、389、605、1037 r/min。

高转速挡位无法使用，动力配备自然可以小一些。

深孔钻探中，随着孔深的增加，冲洗液循环阻力也增大，泵压升高。但在钻杆密封好的条件下，对冲洗液量的要求是不变的。而有些单位在选择水泵时，往往最注重基本参数——最大泵量，而忽视了额定泵压。如常用的BW－150、BW－250、BW －320型水泵其额定泵量变化是很大的，额定泵压却变化不大，均为7 MPa左右，而且正常的深孔绳索取心钻探泵量达到40～90 L/min就可以满足要求(使用孔底动力时会大一些)，实际生产中形成了水泵只用最小挡位，泵压升高就损坏水泵的状况，既浪费了资源，又没有起到好的效果。

罗布莎科学钻探施工均采用国产设备，钻机采用HXY－8型钻机，基本技术参数配置见表2，实际动力配置为75 kW电动机。

水泵开始采用BW－160/10型，随孔深增加，泵压升高，最大至10MPa，为了安全换用BW－300/16型，两种水泵技术参数如表3。

表2 HXY－8型钻机基本技术参数配置

表3 水泵基本技术参数

5 水泥封孔是软弱地层护壁堵漏的主要技术措施

由于水泥具有货源广、成本低、无毒、使用方便、利于孔内灌注等诸多优点，长期以来就被广泛应用于钻孔护壁堵漏的固结材料。在罗布莎科学钻探施工中，由于几乎全孔段地层软弱、破碎、漏失，多次应用了水泥封孔护壁堵漏技术，在128～960 m孔段更是采用每间隔10～50 m打一段封一段的策略，起到了很好的效果。但是对于深孔封孔来说，由于水泥浆在钻杆内输送距离长易变性、环状间隙小水泥浆不宜上返、操作时间长水泥浆易初凝、循环压力损失大孔底水泥浆液面难以平衡、计算较复杂等等因素，使深部封孔技术难度很大，稍不注意就会出现封孔孔段不准、水泥强度不够等造成封孔失败。有时还会把封孔钻杆封在钻孔里，拉不上来，造成封孔事故。根据我们多次封孔的体会，深孔封孔时应注意以下几点:

(1)使用较小直径的钻杆，增大环状间隙。一般封孔往往采用钻进时的钻杆作导管，对绳索取心钻杆来说，环状间隙太小。建议采用细管(如50 mm钻杆)作导管，如果没有那么多的细管也可以在下部被封孔段连接一定长度的细管，以减小水泥浆在环状间隙内的流动阻力。

(2)准确把握各项参数，掌握孔内液柱情况。封孔时水泥浆在导管内是一动态的水泥浆段，一定要根据水泥浆量、导管容积率、替浆水量、水泥浆密度、返水情况等参数，时时把握水泥浆处在什么位置，确保浆液到达预定位置后，再及时提钻。

(3)严禁带钻头等大直径钻具封孔。

(4)水泥搅拌要均匀，灌注前要用筛网过滤。

(5)灌注前要检查灌注设备，使保持良好工作状态。

6 结语

西藏罗布莎矿区地质条件复杂，地层严重破碎，钻孔漏失、坍塌、缩径等诸多困难同时存在，给钻探施工带来了很大的困难，是对钻探技术的极大挑战。我们通过采取一系列技术措施，解决了该项目施工中的许多技术难题，为以后深孔复杂地层钻探施工积累了一定经验，也得到很多启发，希望能为我们今后的深部钻探提供参考。