李金鎖，張少林，劉 江，張佳文

(1．中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037;2．青海煤炭地質(zhì)105勘探隊(duì)，青海西寧810007;3．河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，河北邢臺054000)

1 項(xiàng)目概況

鉆探施工區(qū)位于青海柴達(dá)木盆地的中部(見圖1)，達(dá)布遜湖西北岸。施工區(qū)行政區(qū)劃隸屬于青海省海西州格爾木市，距格爾木市區(qū)近正北方向約90 km。平均海拔為2700 m，地表多以沙漠、戈壁、鹽堿灘為主，無植被，氣候干燥寒冷，少雨多風(fēng)，冬季漫長，日溫差變化大。該區(qū)交通條件尚好，東距215國道約30 km，北距315國道約15 km，均有便道與之相連，便道至井場的路段分布有季節(jié)性河流，路況條件相對較差。夏季多雨季節(jié)，路面含鹽易打滑，行車安全尤為重要。

圖1 氣鉀勘探鉆孔交通位置圖

在工區(qū)范圍內(nèi)，地表廣布全新統(tǒng)石鹽層，形成平坦寬廣的鹽灘，僅在偏西北部出露有上更新統(tǒng)鹽層。工區(qū)周圍分布有中、下更新統(tǒng)濱湖相泥巖、粉砂巖，上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)洪積、沖積砂礫以及全新統(tǒng)的風(fēng)積砂，沖積亞砂土、細(xì)砂、湖積粘土、粉細(xì)砂。另外，根據(jù)2008年在柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)達(dá)布遜干鹽湖開展的資源環(huán)境科學(xué)鉆探地層揭露情況，施工區(qū)巖層結(jié)構(gòu)大致如下:地表為風(fēng)蝕鹽殼覆蓋，表層由全新統(tǒng)石鹽組成，下部為第四系湖底沉積物及新近系地層。0～70 m為黃、褐、灰色含粉砂石鹽;70～127 m為灰黃色含粉砂粘土夾粘土質(zhì)粉砂、青灰色粉砂;127～300 m為灰綠、青灰色粉砂巖、砂巖及泥巖。準(zhǔn)備要施工的鉆孔設(shè)計(jì)孔深300 m，全孔取心，用于資源環(huán)境、全球變化研究，故要求的巖心采取率比較高，必須達(dá)到95%以上。按照上述地層情況，施工地層大約在灰綠及青灰色粉砂巖、泥巖層位內(nèi)終孔。鉆遇地層巖石可鉆性等級1～4級，屬于松軟地層。本淺孔鉆是為了彌補(bǔ)3500 m深的氣鉀1井鉆孔300 m以淺巖心而特別設(shè)計(jì)的補(bǔ)心孔，距主孔北西向90 m處，因此巖心采取率成為這次施工技術(shù)的主要攻克的目標(biāo)。

2 鉆探施工方案

2．1 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是:在滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求的前提下，盡可能采用較小口徑;條件好的地層盡可能采用裸眼鉆進(jìn)，盡量簡化鉆孔結(jié)構(gòu)、少換徑、少使用套管護(hù)壁;要以解決上部不穩(wěn)定地層(漏失、涌水、坍塌、縮徑、溶解)施工難題為基礎(chǔ)，為下部正常鉆進(jìn)創(chuàng)造條件為前提，以達(dá)到巖心直徑100 mm為目的，下好各表層、技術(shù)套管是做好下部施工的關(guān)鍵。

根據(jù)施工區(qū)地質(zhì)地層情況、要求的設(shè)計(jì)孔深以及鉆孔和取心質(zhì)量要求，確定本次鉆探施工將采用如圖2所示的鉆孔結(jié)構(gòu)。

2．2 設(shè)備選擇

根據(jù)該項(xiàng)目鉆探工作量、鉆孔設(shè)計(jì)深度、終孔口徑要求和該地區(qū)巖層條件、鉆進(jìn)方法及鉆孔結(jié)構(gòu)等選擇鉆探設(shè)備，主要設(shè)備配置及其性能參數(shù)見表1。

表1 主要鉆探設(shè)備一覽表

2．2．1 鉆機(jī)

根據(jù)鉆進(jìn)施工的地層、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)深度等情況，確定選用具有2000 m深度鉆進(jìn)能力的XY－6B型全液壓機(jī)械傳動立軸式鉆機(jī)，選擇2000 m鉆機(jī)主要考慮到后續(xù)一口600 m深度的全取心鉆孔的施工。立軸通孔直徑可以通過108 mm主動鉆桿。

圖2 氣鉀勘探井補(bǔ)心孔300 m鉆孔結(jié)構(gòu)圖

鉆機(jī)性能參數(shù):鉆進(jìn)深度2000 m;鉆孔傾角90°～80°;立軸行程600 mm;鉆機(jī)最大上頂力200 kN;卷筒最大提升力60 kN;立軸轉(zhuǎn)速80～1000 r/min(正轉(zhuǎn))，62 ～170 r/min(反轉(zhuǎn));鉆機(jī)質(zhì)量4200 kg。

2．2．2 動力設(shè)備

在動力配備方面，選擇電驅(qū)動方式，考慮高海拔功率的衰減，配備160 kW發(fā)電機(jī)機(jī)組，同時(shí)作為鉆機(jī)、泥漿泵動力源。

2．2．3 泥漿泵、鉆塔

根據(jù)以往在該區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際鉆進(jìn)能力，選擇BW－320型三缸單作用活塞變量泵，該泵為臥式三缸單作用往復(fù)活塞泵，具有2個(gè)缸徑和4個(gè)速度，排量和孔深根據(jù)用途可隨意調(diào)節(jié)。流量320～60 L/min，最大壓力10 MPa，驅(qū)動功率30 kW，吸水管直徑75 mm，排水管直徑50 mm。

選擇17 m四角鉆塔。

2．2．4 鉆具及主要生產(chǎn)材料

鉆具的規(guī)格、組合見表2及表3。S127繩索取心鉆具在很多地質(zhì)勘探施工單位及不少鉆探項(xiàng)目使用，實(shí)踐證明效果好、實(shí)用性強(qiáng)，可大大提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，采用本套鉆具完全能滿足本次施工的各項(xiàng)技術(shù)要求和指標(biāo)。結(jié)合施工具體情況和施工經(jīng)驗(yàn)，可以確定出本次施工主要配備的生產(chǎn)材料規(guī)格和數(shù)量(見表4)。

按該區(qū)地層可鉆性級別和巖性特征，以及鉆孔結(jié)構(gòu)要求，根據(jù)具體施工情況分別選用以下鉆頭類型。

表2 鉆具組合一覽表

表3 繩索取心鉆具鉆桿規(guī)格及數(shù)量一覽表

表4 主要生產(chǎn)材料配備一覽表

(1)可鉆性在4級以內(nèi)的巖層選用金剛石齒輪型取心鉆頭。

(2)可鉆性在3級以內(nèi)的巖層選用金剛石尖環(huán)齒取心鉆頭。

(3)表層石鹽地層選用PDC高胎體肋骨取心鉆頭或復(fù)合片取心鉆頭。

(4)粘土及淤泥和可塑性高的地層選用高效尖齒復(fù)合片取心鉆頭。

2．3 施工工藝

鑒于該區(qū)地層復(fù)雜、地層穩(wěn)定性差、設(shè)計(jì)終孔口徑大和巖心直徑較粗的情況，在汲取該區(qū)以往鉆探施工經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，為保證本次施工獲得真實(shí)完整的地層資料和原狀巖心，取準(zhǔn)取全地層資料，保證工程質(zhì)量，鉆探施工工藝采用了大口徑繩索快速取心工藝和氯化鉀飽和鹽水泥漿鉆進(jìn)。

2．3．1 鉆進(jìn)參數(shù)

施工時(shí)結(jié)合鉆遇地層可鉆性、巖層性質(zhì)、鉆頭類型、孔深、所用繩索取心鉆具等合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)。

由于鉆遇第四系松散層和新近系，可鉆性較好，繩索取心鉆進(jìn)采用表5所示參數(shù)。

表5 鉆進(jìn)參數(shù)

當(dāng)牙輪鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，鉆壓20～30 kN，轉(zhuǎn)速 60～100 r/min，泵量 250～320 L/min為宜。

2．3．2 取心

鉆進(jìn)中為保持巖心的原狀結(jié)構(gòu)，保證巖心采取率和質(zhì)量，取心鉆具采用大口徑三層襯管繩索取心鉆具。巖心樣品在鉆進(jìn)過程中直接進(jìn)入PVC塑料襯管，避免鉆具對巖心的磨削擾動以及泥漿對巖心的沖蝕污染?？焖俅驌苾?nèi)管后，從半合內(nèi)管取出PVC塑料巖心襯管。

2．4 鉆進(jìn)沖洗液

2．4．1 沖洗液配方與性能指標(biāo)

本次施工鉆孔處于湖積沉積地層，巖層多為石鹽、淤泥、粉砂巖、砂巖、泥巖等第四系和新近系，具有松散軟弱、易坍塌、易溶蝕、碎脆、富水、易縮徑現(xiàn)象，而且層間可能還富含高承壓鹵水。采用一般水基沖洗液，鉆進(jìn)過程中石鹽會不斷地溶于沖洗液中，不僅影響沖洗液性能和孔壁穩(wěn)定，還會出現(xiàn)巖心溶蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響巖心采取率。因此，按照鹽類礦物性質(zhì)結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，施工采用了氯化鉀飽和鹽水沖洗液和優(yōu)質(zhì)高粘水基沖洗液。

表層石鹽鉆進(jìn)階段(0～70 m)選擇氯化鉀飽和鹽水沖洗液，由氯化鉀+膨潤土基漿+重晶石粉等組成。膨潤土加量10% ～15%，重晶石粉按計(jì)算的泥漿密度視需加入，鉆穿上部石鹽地層下入表層套管固井二開后，根據(jù)地層實(shí)際情況逐步改用優(yōu)質(zhì)高粘水基沖洗液?，F(xiàn)場事先通過室內(nèi)試驗(yàn)確定最終配方，氯化鉀飽和鹽水沖洗液:10% ～15%膨潤土+15%KCl+1%高粘防塌劑+1%磺化褐煤樹脂+0.5%火堿(NaOH)+2%廣譜護(hù)壁劑+重晶石粉(根據(jù)具體情況酌量加入)+高粘堵漏劑(根據(jù)具體情況酌量加入);優(yōu)質(zhì)高粘水基沖洗液:8% ～10%膨潤土+1%高粘防塌劑+2%磺化褐煤樹脂+1%高粘纖維素+0.5%火堿(NaOH)2%廣譜護(hù)壁劑+重晶石粉(根據(jù)具體情況酌量加入)。2種沖洗液性能參數(shù)見表6。

表6 氣鉀勘探鉆孔沖洗液性能參數(shù)

2．4．2 泥漿配制與使用

首先，在1 m3泥漿攪拌機(jī)中加入0.3 m3水，再加入適量火堿使pH值達(dá)到9～11，加入膨潤土攪拌30 min，使膨潤土預(yù)水化。然后繼續(xù)加水至1 m3邊攪拌邊加入廣譜護(hù)壁劑、高粘防塌劑、磺化褐煤樹脂，15 min后加入KCl，繼續(xù)攪拌15 min。鉆進(jìn)過程中，要不斷地調(diào)整泥漿性能，維護(hù)孔壁穩(wěn)定。

泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)長度應(yīng)＞20 m，泥漿沉淀池不得少于3個(gè)，沉淀池的大小可根據(jù)施工現(xiàn)場的地形條件而定，一般不能小于1 m×1 m×1 m(長×寬×高)，循環(huán)槽長度≮15 m，寬為300 mm，高為200 mm，每隔1.5～2 m應(yīng)設(shè)一塊擋板，同時(shí)在地表配備使用好固控設(shè)備清除沖洗液中的有害固相。

根據(jù)本次鉆探任務(wù)，初步估算配備泥漿使用材料數(shù)量見表7。

表7 配備泥漿使用材料數(shù)量一覽表

3 存在問題及改進(jìn)措施

生產(chǎn)實(shí)踐證明上述設(shè)計(jì)的施工方案是有效可行的，但在孔深0～50 m巖心采取率僅為38%左右，50～300.67 m為92%，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)巖心采取率低的真正原因有3點(diǎn):(1)沖洗液對表層地層仍有較強(qiáng)的沖刷作用，致使松散的地表取心困難;(2)取心過程中，打撈取心筒底部的卡簧存在問題，主要問題是卡簧的剛度及彈性較小及卡簧與鉆頭的配合精度不夠，致使取心不理想;(3)鉆頭出水路徑需要改進(jìn)，直沖不利于保護(hù)巖心。

針對以上3方面問題，經(jīng)過研究探討做出相應(yīng)的改進(jìn)措施:(1)對沖洗液配比進(jìn)行改進(jìn)，具體改進(jìn)配比為10%～15%膨潤土+15%KCl+1%高粘防塌劑+1%磺化褐煤樹脂+0.5%火堿(NaOH)+2%廣譜護(hù)壁劑+重晶石粉(0%，不加重晶石粉)+高粘堵漏劑(根據(jù)具體情況酌量加入)，以減小沖洗液的密度及動切力，實(shí)現(xiàn)飽和鹽水沖洗液，這樣對易溶、易坍塌的地表不穩(wěn)定含鹽地層盡量減小對其的沖刷力及溶蝕力，以確保巖心采取率的提高;(2)選用剛度大、彈性大的材料現(xiàn)場制作卡簧，即現(xiàn)場采用廢棄的擺鐘發(fā)條制作卡簧，現(xiàn)場收集的擺鐘發(fā)條彈性遠(yuǎn)大于改進(jìn)前的卡簧彈性，而且其剛度也大于原卡簧的剛度;(3)對取心鉆頭出水通道和出水口方向進(jìn)行加工改進(jìn)，使出水路徑形成拐彎、出水口方向位于側(cè)方以減緩沖洗液對巖心的沖、切力，同時(shí)嚴(yán)格控制最小泵量。經(jīng)過調(diào)整后的方案，在原鉆孔附近距其1 m距離處鉆取56.90 m深度孔，巖心采取率達(dá)到了100%，使得整個(gè)300 m鉆孔平均巖心采取率達(dá)到了96%以上。

4 結(jié)語

(1)繩索取心鉆進(jìn)對于含鹽地層、松軟、破碎、復(fù)雜地層采取巖心的效果應(yīng)根據(jù)具體地層情況加以進(jìn)一步改進(jìn)與探討。

(2)針對具體松軟、含鹽的沉積地層，現(xiàn)場配制沖洗液、改進(jìn)取心裝置可以大大提高巖心采取的效果。

(3)在非找鉀的含鹽地層地質(zhì)取心鉆孔施工中，利用無固相、低密度的KCl飽和鹵水沖洗液可以避免含鹽地層的溶蝕和坍塌。

(4)地表地層松散、力學(xué)性質(zhì)差，在鉆取巖心時(shí)掌握好沖洗液配制、鉆頭出水口位置及出水量、卡取巖心的合理裝置是獲取高巖心采取率的有力保證。

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