熊 欣

（河南省資源環(huán)境調(diào)查一院，河南 鄭州 450000）

柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目為某省重要的地勘基金項(xiàng)目，礦區(qū)內(nèi)各項(xiàng)資源的調(diào)查研究主要是以M-1號鉆孔鉆探施工為中心，針對給鉆探孔進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集和匯總，利用收集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息為我國礦區(qū)資源的勘查開采提供更多的思路。在全球資源形勢緊張的背景下，對國家內(nèi)部的有限礦產(chǎn)資源進(jìn)行勘探，借助各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化等實(shí)現(xiàn)資源的富集，從而促進(jìn)區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源經(jīng)濟(jì)[1]。在此背景下，本文對柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目鉆探施工進(jìn)行研究，也就具備重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 項(xiàng)目概況

柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目工作區(qū)位于團(tuán)魚山礦區(qū)昆源煤礦以南，礦建簡易道路東北方向距敦格公路（215國道）岔路口32km，工作區(qū)地形呈北高南低、西高東低的特點(diǎn)，北部為賽什騰山，海拔高度3800-4200m，相對高差500m～1000m，巖性由前震旦系變質(zhì)巖、加里東期及燕山期侵入巖組成，剝蝕作用明顯加強(qiáng)，具有陡峭的山脊山坡，局部可見古冰斗。溝谷內(nèi)無常年水流，也無植被；中部為冰水堆積及沖洪積山前傾斜平原，根據(jù)地形和巖性特征分為戈壁帶和細(xì)土帶。南部為構(gòu)造剝蝕丘陵,以暫時(shí)性水流侵蝕為主的梁狀丘陵，由古近系、新近系山麓相地層構(gòu)成，海拔高度3000m～3500m，相對高差小于200m。礦區(qū)為典型的高原內(nèi)陸盆地氣候。年平均氣溫1.3℃，最高平均氣溫在7月，為15.3℃，最低平均氣溫在1月，為-15.6℃，區(qū)內(nèi)冬季無嚴(yán)寒、夏季無酷熱。晝夜溫差大，最大溫差34.7℃。

深入分析柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目工作區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，為礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目工作的開展提供強(qiáng)有力的地質(zhì)資料支撐。在柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目工作區(qū)中，就地層劃分而言，團(tuán)魚山地區(qū)大部分地區(qū)被第四系所覆蓋，地層由老至新依次有：上奧陶統(tǒng)灘間山群（O3tj）、上泥盆統(tǒng)（D3）、上石炭統(tǒng)（C2）、中侏羅統(tǒng)（J2）、上侏羅統(tǒng)（J3）、古近系(E)、新近系(N)、第四系（Q）。就地質(zhì)構(gòu)造而言，團(tuán)魚山工作區(qū)位于賽什騰山南麓，原老高泉（結(jié)綠素）煤礦西北部，北東部的北露天南翼被F4斷層切割的向斜構(gòu)造；南部為一被F1兩個(gè)隱伏的傾向南西的單斜構(gòu)造，工作區(qū)主要發(fā)育3條逆斷層和1條正斷層[2]。以褶皺為例詳細(xì)分析可知，工作區(qū)內(nèi)的北露天向斜地層走向北西西，被第四系地層覆蓋，經(jīng)露天開采煤系地層被揭露，北翼淺部地層傾角為60～70，向深部角度變緩，大多為30°左右，南翼傾角46～55，基底為泥盆系地層。

在分析柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目工作區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的基礎(chǔ)上，提供已有的綜合地層柱狀圖，推測鉆孔可能遇到的分層巖石及其工程性質(zhì)如表1所示。

表1 礦區(qū)巖石可鉆性分級

2 鉆探設(shè)備及工藝選擇

鉆探設(shè)備主要包括鉆機(jī)、泥漿泵、鉆塔以及其他輔助設(shè)備等。合理的鉆探設(shè)備配置是深孔巖心鉆探的重要前提，是柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目正常開展工作的關(guān)鍵。在鉆探設(shè)備的選擇過程中，應(yīng)該對地層條件、鉆探工藝、鉆孔設(shè)計(jì)深度傾角以及鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行綜合考慮，深孔鉆探施工必須保證鉆機(jī)具有足夠的回轉(zhuǎn)扭力及提升能力，同時(shí)對于泥漿泵需要具備足夠的泵量，確保鉆探設(shè)備能力滿足施工要求。

鉆機(jī)作為柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目順利開展鉆探的關(guān)鍵，本文以鉆機(jī)優(yōu)選為例，分析鉆探設(shè)備的優(yōu)選過程。在合理選擇鉆機(jī)的過程中，應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行考慮：首先，鉆孔的設(shè)計(jì)孔深是主要選擇依據(jù)，鉆機(jī)鉆進(jìn)能力一般要大于設(shè)計(jì)孔深，選擇系數(shù)（設(shè)計(jì)孔深/鉆機(jī)能力）范圍一般在0.7～1之間，根據(jù)不同施工條件以及鉆孔類型進(jìn)行選擇，穩(wěn)定地層施工可選用接近1的系數(shù)，復(fù)雜地層施工需選用數(shù)值較小的系數(shù)。其次，從動(dòng)力方面考慮，選用液壓傳動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)，電力方便的地區(qū)也可以采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。另外，對于地理位置偏遠(yuǎn)地形復(fù)雜的工作區(qū)，設(shè)備選擇要以輕便、安全、可靠為標(biāo)準(zhǔn)[3]。最后，針對特殊的鉆進(jìn)要求，可對鉆機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旎虬惭b不同鉆機(jī)附件。

根據(jù)柴北緣礦區(qū)鉆孔的地層情況和鉆孔孔身結(jié)構(gòu)，并結(jié)合鉆孔深度和鉆孔直徑要求，采用河北永明生產(chǎn)的DB30多功能型鉆機(jī)，DB30多功能鉆機(jī)利用變頻控制技術(shù)結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆進(jìn)。該鉆機(jī)是在XY-8B鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，廣泛吸收、借鑒國內(nèi)石油鉆機(jī)成熟技術(shù)而研制的新型電動(dòng)鉆機(jī)。該鉆機(jī)可用于小口徑深孔取心勘探，亦可用于大口徑合金鉆進(jìn)及水源鉆井，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、水文水井、煤田、油氣田勘探等施工領(lǐng)域。在地質(zhì)條件、地形結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造的基本要求下，所選鉆機(jī)應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：

①變頻電機(jī)能耗制動(dòng)，無磨損輔助制動(dòng)，沒有零件損耗和噪聲污染；②變頻驅(qū)動(dòng)的卓越的節(jié)能降耗特性，大幅度降低鉆探總成本；③變頻驅(qū)動(dòng)的精確檢測控制性能，有效提高鉆探工藝的適應(yīng)性；④執(zhí)行單元的獨(dú)立、模塊化、輕量化設(shè)計(jì)，便于安裝、拆卸、運(yùn)輸；⑤數(shù)字化、遠(yuǎn)程可視、集中操控、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人員配備，提高操控精度，提高操作安全性。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是針對礦區(qū)地層特點(diǎn)，選擇合適的鉆進(jìn)工藝方法對安全、高效鉆進(jìn)施工至關(guān)重要。一般情況下，鉆進(jìn)工藝方法包括鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)方法、鉆具組合、金剛石鉆頭、泥漿、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)等。在鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，鉆孔結(jié)構(gòu)指鉆孔縱剖面形狀，包括開孔終孔直徑、套管層數(shù)（換徑次數(shù)）各孔段的直徑與深度。其中套管層數(shù)越多，導(dǎo)致鉆孔結(jié)構(gòu)也就越復(fù)雜。鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)條件、施工要求以及鉆進(jìn)工藝等方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以提高鉆進(jìn)效率。一般而言，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)的確定要以設(shè)計(jì)終孔直徑為標(biāo)準(zhǔn)，由上至下逐段設(shè)計(jì)各層套管下入深度和鉆孔孔徑。

（2）盡可能簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，減少換徑次數(shù)，即減少施工成本又避免施工事故隱患。

（3）預(yù)防孔內(nèi)復(fù)雜情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)需預(yù)留一級備用孔徑，用來補(bǔ)下套管。

（4）深孔鉆探，開孔孔徑應(yīng)適當(dāng)加大，為深部孔段復(fù)雜地層留下擴(kuò)孔空間。

（5）當(dāng)出現(xiàn)不穩(wěn)定地層，很難用泥漿解決并且水泥封孔處理無效情況，或是隔離涌水地層，以及地層存在坍塌縮徑問題時(shí)必須下入套管處理。

總之，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)、鉆孔設(shè)計(jì)要求、前期的施工經(jīng)驗(yàn)以及特殊復(fù)雜地層孔段情況，柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目鉆孔可設(shè)計(jì)采用二級鉆孔結(jié)構(gòu)并預(yù)留二級。以φ252mm開孔，穿過覆蓋層下入φ219mm套管，然后采用φ102mm口徑繩索取心鉆進(jìn)，當(dāng)遇到復(fù)雜地層普通方法無法處理，可擴(kuò)備用孔徑φ152mm，下入φ127mm套管，設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 團(tuán)M-1鉆孔結(jié)構(gòu)圖

4 施工中出現(xiàn)的問題及處理方法

柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目施工中出現(xiàn)的問題主要包括燃鉆、卡鉆、復(fù)雜地層泥漿護(hù)壁難題等。以復(fù)雜地層泥漿護(hù)壁為例分析可知，鉆孔過程中出現(xiàn)掉塊及坍塌情況時(shí)，該孔地層巖性以含礫粉砂質(zhì)粘土為主，碎塊粒度較大，膠結(jié)較差，在鉆進(jìn)過程中由于地層狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致壓力失衡，易發(fā)生掉塊甚至坍塌現(xiàn)象。其次，鉆機(jī)運(yùn)行過程中還可能存在鉆具擺動(dòng)，一般是因該孔采用繩索取心工藝，采用的繩索取心鉆具為加強(qiáng)型鉆具，鉆具外徑φ91mm，接骨外徑φ94mm，采用φ102繩索取心鉆頭，環(huán)空間隙8mm，在鉆具旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生擺動(dòng)，擾動(dòng)孔壁巖石，發(fā)生掉塊甚至坍塌現(xiàn)象[4]。最后，泥漿原因也可能導(dǎo)致鉆機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障，一般是采用的泥漿性能達(dá)不到要求，不能滿足護(hù)壁及維護(hù)地層壓力，會導(dǎo)致地層掉塊甚至坍塌現(xiàn)象，該孔前期采用無固相泥漿，其性能不能滿足該地層護(hù)壁要求。

針對上述問題，在柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目工作區(qū)內(nèi)可采取如下做法：考慮該孔前期未預(yù)見地層復(fù)雜性，結(jié)合繩索取心工藝，上部采用無固相泥漿，前期進(jìn)場較快，200m以前進(jìn)尺為40m/d，直至孔深200m發(fā)生坍塌。結(jié)合取出巖心情況，及地層情況，考慮泥漿性能與地層情況不適宜，調(diào)整泥漿性能，考慮到固相泥漿在高速旋轉(zhuǎn)情況下鉆桿內(nèi)部會產(chǎn)生泥皮，導(dǎo)致打撈矛無法順利下入孔內(nèi)，不能實(shí)現(xiàn)不提鉆取心技術(shù)，初步加入2%的粘土含量。換漿完成繼續(xù)鉆進(jìn)，未出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。前期施工轉(zhuǎn)速較高，一般采用320r/min，在換漿完成后使用該轉(zhuǎn)速，鉆桿內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)泥皮現(xiàn)象，打撈矛難以下入鉆具內(nèi)進(jìn)行取心，考慮轉(zhuǎn)速過高，逐步降低轉(zhuǎn)速，解決鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮現(xiàn)象，最后得出轉(zhuǎn)速在不超過250r/min時(shí)，鉆桿內(nèi)壁基本沒結(jié)泥皮現(xiàn)象，打撈矛取心順利，為達(dá)到最大鉆效，選擇參數(shù)為250r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行施工。施工至260m時(shí)，上部又出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，考慮泥漿性能仍不能滿足該地層要求，不能實(shí)現(xiàn)較好護(hù)壁效果，決定增加固相含量，增加為4%粘土含量，增加后的泥漿施工中能滿足護(hù)壁要求，繼續(xù)使用250r/min，出現(xiàn)鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮現(xiàn)象，根據(jù)前面經(jīng)驗(yàn)，逐步降低轉(zhuǎn)速，降低至轉(zhuǎn)速不超過200r/min，鉆桿內(nèi)壁基本不出現(xiàn)結(jié)泥皮現(xiàn)象，能實(shí)現(xiàn)打撈矛正常打撈巖心，實(shí)現(xiàn)繩索取心鉆進(jìn)。

5 質(zhì)量控制措施

首先，開孔前設(shè)備安裝要穩(wěn)固，“天車、立軸、孔口”三點(diǎn)在一條直線上。嚴(yán)禁使用曠動(dòng)的立軸導(dǎo)管。嚴(yán)把開孔關(guān)，堅(jiān)持開孔驗(yàn)收制度，開鉆前必須由甲方項(xiàng)目組和己方項(xiàng)目部相關(guān)人員現(xiàn)場檢查驗(yàn)收簽字后，下達(dá)開孔通知書后，方可開鉆。鉆進(jìn)中操作要穩(wěn)，參數(shù)選擇合理。淺井鉆井增加測斜間隔，每間隔50m測量一次井斜，確保上部井斜很小，并采用在取心總成上部增加液動(dòng)錘和扶正器鉆井，減少或預(yù)防井斜。再者，正常鉆進(jìn)中采用單點(diǎn)測斜儀進(jìn)行井身質(zhì)量監(jiān)控，要求每鉆進(jìn)100m測量一次井斜，若出現(xiàn)井斜超標(biāo)趨勢，立即采取減少鉆壓吊打或者螺桿復(fù)合鉆方法進(jìn)行糾斜。取心鉆具擴(kuò)孔扶正器規(guī)格和鉆頭外徑規(guī)格應(yīng)配套，盡量減少鉆具與孔壁之間的環(huán)狀間隙（簡稱環(huán)隙），增加鉆具穩(wěn)定性，提高轉(zhuǎn)速、增加鉆速，減少金剛石消耗、避免異常磨損、減少鉆桿折斷，必須合理選擇鉆具級配。

其次，開孔鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)選用鋒利的鉆頭；鉆壓不得超過鉆頭所需壓力的80%,轉(zhuǎn)速不得過快，控制在200r/min以內(nèi)，泵量控制在120L/min；回次結(jié)束前，鉆頭切削具已磨鈍時(shí)，嚴(yán)禁加壓強(qiáng)行鉆進(jìn)。應(yīng)選擇合理的鉆具結(jié)構(gòu)與級配。在保證沖洗液暢通及孔內(nèi)安全的情況下，盡量選擇滿眼鉆進(jìn)。力求簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，地層條件允許時(shí)，換徑后可一徑終孔。

最后，換徑時(shí)，應(yīng)采用外導(dǎo)向鉆具，其長度不短于5 m。第一次鉆進(jìn)時(shí)，小徑巖心管要短(不長于1 m)；擴(kuò)孔時(shí)應(yīng)采用內(nèi)導(dǎo)向器，并增加粗徑鉆具長度。應(yīng)保證換徑、擴(kuò)孔鉆具的同心度。嚴(yán)格堅(jiān)持每100m測斜一次（施工現(xiàn)場配備KXP-2B型測斜儀）。根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行測量值對比，孔斜如果超限不大時(shí)，需采取措施合理調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)或調(diào)整鉆具組合；孔斜如果超限較大，需采取糾斜措施。

6 綠色勘查技術(shù)應(yīng)用

柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目，綠色勘查技術(shù)應(yīng)用主要包括生活區(qū)環(huán)境保護(hù)、車輛環(huán)?？刂?、廢氣排放管理、泥漿管理、現(xiàn)場油料管理和鉆孔環(huán)境恢復(fù)等諸多內(nèi)容。就鉆機(jī)平臺及道路環(huán)保管理而言，鉆機(jī)平臺以及道路修筑進(jìn)行實(shí)地踏勘，因地制宜，確定平臺大小、道路寬度、路線等，減少不必要的破壞，應(yīng)該選擇現(xiàn)有道路作為項(xiàng)目后勤保障的主要道路，未經(jīng)甲方許可不得擅自新修施工便道，若不可避免時(shí)，應(yīng)與甲方及時(shí)溝通，并實(shí)地論證，不盲目拓寬，滿足使用要求即可。同時(shí)，邊坡開挖坡度不得超過安全限值，防止超限開挖而破壞邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，開挖后的土方及碎石作為道路堡坎使用，平臺新露巖層上下側(cè)鋪環(huán)保布，防止施工、雨水沖刷對周邊植被的影響，鉆場設(shè)置防護(hù)欄，防止人員、牲畜進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，在保障工作區(qū)域范圍內(nèi)人員安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)環(huán)保管理。

7 結(jié)論

柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目，根據(jù)該礦區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)情況以及區(qū)域完成的鉆孔的施工情況，對柴達(dá)木北緣重點(diǎn)礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)狀況進(jìn)行分析，通過對礦區(qū)深孔巖心鉆探施工中復(fù)雜地層對鉆探施工的影響、礦區(qū)鉆孔孔內(nèi)事故以及鉆孔偏斜控制等詳細(xì)深入的研究，分析了柴達(dá)木北緣重點(diǎn)礦區(qū)地質(zhì)特征、主要地層狀況以及巖層可鉆性，亦分析了礦區(qū)復(fù)雜地層對與鉆探施工的影響，通過優(yōu)化泥漿性能及調(diào)整環(huán)空間隙，制定出適合深孔護(hù)壁的低固相泥漿體系，以提高事故處理效率。總之，本文對柴達(dá)木盆地北緣重點(diǎn)礦區(qū)資源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目礦區(qū)內(nèi)鉆井施工的研究，能為同類型礦區(qū)施工提供充足的經(jīng)驗(yàn)參考。