罗布莎科学钻探工程技术及应用

2022-07-09张英传王鲁朝宋世杰翟育峰

西部探矿工程 2022年6期

张英传，王鲁朝，宋世杰，翟育峰

（山东省第三地质矿产勘察院，山东烟台 264004）

自20 世纪六七十年代地学革命以来，地球深部探测一直引领世界地球科学的发展，代表着一个国家地球科学水平。科学超深孔钻探是在现有技术水平所能达到的最大深度条件下，采用最先进、最安全的钻探技术方法，获取尽可能多的地下信息，以满足科学目标的要求。大陆科学钻探总体目标是围绕中国大陆动力学基础地质研究的重大关键问题——板块汇聚边界的深部动力学、矿产资源集聚区的成矿背景、成矿条件和成矿前景、盆山结合带对油气资源制约以及火山地质灾害预防等方面开展地质、地球物理的预研究、大比例尺地质调查填图和科学选址。罗布莎大陆科学钻探，设计了LSD-1 和LSD-2 两个钻孔，设计所钻地层将从“特提斯喜马拉雅带”穿过“雅鲁藏布江缝合带”，直达“冈底斯岩浆带”，为揭示印度板块与亚洲板块碰撞边界和过程等一系列重大地质科学问题的研究提供实物资料，进而为该区铬铁矿深部找矿突破提供重要的理论依据。但是，在实际施工中，特殊孔段存在钻进难、孔底坍塌碎石及堆积岩粉打捞难、地层破碎造成钻杆断裂等难题。

对罗布莎地区钻孔井身结构、钻井设备、冲洗液等钻探工艺进行合理组合和改进，同时针对实际勘探过程中的存在难题，创造性地探索出适合本地区钻探的新工艺、新技术。该钻探工程累计进尺3865.77m，最大孔深1 853.79m，取出岩芯3486.26m，取芯率90.18%，为以后高海拔复杂地层超深孔钻探提供了宝贵经验，同时也为小口径岩芯钻探技术的发展做出贡献。

1 罗布莎区地层概况

罗布莎地区位于喜马拉雅隆块与冈底斯隆块之间的雅鲁藏布江东段，铬铁矿储量巨大[1-2]，成为国内外众多学者重点研究区域。钻孔钻遇地层自上而下有：第四系残积坡积层、上三叠统地层、岩浆岩、第三系罗布莎群等。第四系残积坡积层以超基性岩角砾或砾石、砂质粘土、碳酸盐等混杂堆积，由基岩剥蚀风化而成。上三叠统地层为一套浅海相类复理石建造，其主要岩性为长石石英砂岩、砂质泥板岩、砂板岩、千枚岩及少量透镜状灰岩。岩浆岩为燕山晚期至喜山早期的岩石，超基性、基性、中性到酸性岩体在工区均有出露。第三系罗布莎群地层呈东宽西窄的狭长带状分布，北界沉积在不整合在酸性岩体之上，南界为断层接触，上三叠统、上白垩统地层和罗布莎超基性岩体逆掩而上，受雅江断裂带的制约，以山麓堆积、河床相为主，在罗布莎一带出现湖泊、沼泽相，其主要岩性为：砾岩、砾砂岩、含砾中粗砂岩、中粗砂岩、粉细砂岩等。

2 钻井工程概况

2.1 井身结构

通常，对钻孔结构的设计需考虑钻孔区的地层结构、终孔深度、设备和钻具能力等情况。对罗布莎地区而言，地层岩性以较完整的超基性岩体为主；由于该孔是在该区域施工的第一个深孔，地层资料少，预测性差。因此，钻孔结构的设计应该充分考虑地层因素，使用S95绳索取芯钻至1000m；采用S75绳索取芯钻进至终孔位置（图1）。

图1 钻孔结构初始设计图（单位：mm）

上述初始设计的钻孔结构，在实际施工中出现问题。首先对地层条件判断出现了失误，罗布莎岩体蛇纹石化强烈、节理面多、揉皱现象严重；其次绳索取芯口径过小；最后对以往施工的资料收集不足，钻孔的结构过于简单化、理想化。

为解决上述问题，及时调整了钻孔结构。LSD-1孔调整为∅150mm钻头开孔，下面加入三级套管隔离，用S75 钻进至1477.80m，孔内出现坍塌，难以处理，下部地层也难预测，故将LSD-1 作为施工预导孔终孔（图2a）。

图2 LSD-1预导孔结构图以及LSD-2钻孔结构图（单位：mm）

根据LSD-1预导孔地层的地质状况，重新制定可行的施工方案，即LSD-2 钻孔（图2b）。LSD-2 孔采用“充分施工法”，即一级孔径只要条件允许，就尽量向深处钻进。为加大95 口径钻进的施工深度，S95 钻进完成后，采用S75-95特制钻头钻进，钻进至1468.17m，下入∅89mm 套管，因故障，仅至1302.94m，下部约167m 裸孔。当换用S75 钻进至1533m，上部裸孔段开始坍塌，最终孔孔深1853.79m，预备口径∅56mm。

2.2 钻井设备

钻探设备主要包括钻机、泥浆泵、动力机、钻塔及附属设备等。钻探设备类型选择取决于施工钻孔的目的、施工的环境、钻探方法、钻孔深度等。

罗布莎科钻工程施工中，考虑到钻探目标的深度（2000～2500m）、国产设备质量的检验、钻探区岩性地层强度等多因素，选取连云港黄海机械厂HXY-8型岩芯钻机作为施工钻机。从现场施工情况来看，HXY-8型岩芯钻机动力配置大，钻进、提升能力强，未出现动力不足的问题；双联齿轮油泵组合供油，钻进效率高；配有水刹车装置，调节钻具下降速度，平稳安全。同时，该钻机配套了BW160/10、BW300/16 型两台泥浆泵，解决了深孔使用聚乙烯醇冲洗液泵压过高的难题。

2.3 冲洗液

冲洗液在钻探施工中起着非常重要的作用，任何一种钻探方法都离不开冲洗液。冲洗液的主要功能是携带岩粉、冷却润滑钻具、保护孔壁稳定、平衡地层压力等[3-5]。在罗布莎科钻施工中，主要试验了聚乙烯醇无固相和LBM等不同性质的冲洗液。

2.3.1 聚乙烯醇无固相冲洗液

聚乙烯醇（PVA）是一种无毒、无味、可降解、无污染的高分子聚合物，有很好的流动性和很强的胶结性，能够渗入破碎地层中，胶结岩块、岩屑，防止坍塌及稳定孔壁，故在钻探生产中广泛应用。在罗布莎科钻施工过程中，使用PVA 作冲洗液施工的孔段最多，约2400m，占总进尺的60%。

在罗布莎科钻施工中，主要配制了以下三种类型的冲洗液：

（1）PVA+CMC+PHP：该配方冲洗液应用在整个施工过程中，加入CMC 主要是为了提高冲洗液的粘度、动切力，携带岩粉，并对水敏性破碎地层有一定的抑制作用；PHP的作用是絮凝和润滑，各种材料加量分别为PVA（1%）、CMC（0.2%）、PHP（0.01%）。

（2）PVA+PAC141：此配比主要应用在LSD-2 钻孔1533m 以后的S56 绳索取芯钻进工艺中。PAC141的作用同CMC 相似，但润滑作用更加明显且加量小，为0.05%。

（3）PVA+CMC：钻探实践证明PHP 和PVA 混合使用，当增大PHP 时，会影响PVA 的护壁效果，而PHP 对提高冲洗液的携粉能力，低于CMC，因此为提高冲洗液动切力，只加入CMC，为0.2%～0.5%。

2.3.2 LBM泥浆

新型低粘增效粉LBM，是由三元共聚物LPA和膨润土经化学升级改造而成的高级造浆材料，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，兼有抗盐、抗钙镁、抗高温性能，性能见表1。

从表1中可以看出，LBM泥浆具有以下三个特点：①良好的流变性能，其粘度、动塑比都很小，有利于降压护壁；②LBM 泥浆的滤失量较低，可防止过多自由水或滤液进入地层孔隙、微裂隙、节理之中，造成孔壁机械强度降低；③对保护水敏性地层非常有利。

表1 不同加量LBM泥浆性能测试

在实际施工中，LBM 泥浆主要应用在LSD-2 钻孔960m处，依靠LBM泥浆的携粉能力，把孔内坍塌大颗粒带出，解决憋车、憋泵现象。

2.4 科钻工程取芯技术

3 钻探新技术、新工艺的应用

3.1 特种钻头设计与应用

罗布莎科钻孔地质环境复杂，地层破碎严重，对小口径钻探施工是非常困难的，故根据现场实际情况，在复杂地层特殊孔段及事故处理时候，自制若干合适的特种钻头。

3.1.1 孕镶金刚石扩孔取芯钻头

在 LSD-1 孔 465～742.10m 孔段和 LSD-2 孔197.68～1469.17m孔段，由于地层复杂松软易缩径，钻进时环状间隙过小，钻杆、钻具与孔壁摩擦严重，易诱发孔内事故，所以需要扩孔钻进（∅75mm 取芯→∅95mm扩孔），但是如此钻进会加长周期，故现场加工∅95mm超前扩孔钻头（①号钻头，如图3a）。∅95mm钻头在孔内比∅75mm 超前进尺，对外形成扩孔，减少钻具钻杆与孔壁的接触摩擦；对内形成保护层，重新修正钻取。实践证明其钻进效率明显提高，但是钻头、冲洗液对岩芯的破坏增强，造成取芯率过低（30%左右）。

为提高岩芯采取率，将①号钻头改装加工为∅75mm超前特制扩孔钻头（简称②号钻头，如图3b）。②号钻头岩芯采取率基本上达到100%，但在使用过程中发现同心度不好，主要是因为∅95mm 取芯钻头内径与∅75mm取芯钻头的钢体外径吻合度不好，现场的焊接工艺也有限，致使钻头在孔内偏心公转，导致钻杆偏心公转，冲击孔壁，引发孔内护壁失效，出现塌孔、掉块等危险。

将其做成一体，解决同心度不高的问题，设计出③号钻头，即∅95.5mm/46特制扩孔取芯钻头（如图3c），原理与普通取芯钻头一样，增大了钻头钢体外径与胎体外径之间的环状间隙，避免了②号钻头同心度不好的缺点。在实际钻进过程中，增大环状间隙，扩孔取芯同时进行；配合特制扩孔器（图3d），扶正效果好；钻进时效和岩芯采取率均达到要求。

图3 罗布莎钻探工程中自主设计的特种钻头

3.1.2 “玉米穗”钻头

在钻至800m 时钻孔偏斜，下入偏心楔子进行纠正。由于岩层松软易破碎，用常规钻头极易对偏心楔子造成破坏，且常规钻头过于锋利，易偏斜形成“狗腿”，造成钻杆断裂，对下步的施工带来隐患，故需要一个不是很锋利，且造斜时较为缓和不会形成“狗腿”的钻头，即“玉米穗”钻头(图3e)。它是由一个短锥加焊一些硬质合金构成，在遇到偏心楔子时由于尖端带弧很容易偏斜且不易对偏心楔子造成破坏，偏斜出去之后由于尖端圆润带有一定的导向作用，不会形成“狗腿”，达到预期效果。

3.1.3 推磨事故钻杆头特质钻头

3.5.2 局部麻药和放射线的应用口腔治疗采用的麻醉一般都是局部麻醉，使用的麻药是利多卡因或阿替卡因，且用量较小，不会导致胎儿畸形，孕妇可以放心使用。研究表明，电离辐射剂量<5 mrad时不会对胎儿造成危害。拍摄一张普通牙片的辐射剂量仅为0.1 mrad，所以为了协助诊断，必要时孕妇佩戴颈围和铅放射服可以拍摄牙片。

在1000～1100m 孔段由于地层破碎造成卡钻，致使钻杆断裂，常规打捞未果，多次商议决定推掉钻杆。由于工期所限，常规的磨孔钻头效率过低，不能满足本孔需求，故设计特制磨孔钻头（图3f），加高胎体、增加直径为3～5mm 的不规则硬质合金颗粒，具有胎体高、耐磨、磨削钻杆快的特点。

在实际的使用过程中，胎体较高且耐磨，大大减少了提下钻的频率，其混入硬质合金胎体配合金刚石，对钻杆进行快速切削，顺利地将1000～1100m 孔内断裂钻杆推磨掉。

3.1.4 “干捞钻头”及其配套的“无水压装置”

在罗布莎科钻实际钻进过程中，由于地层松软，提钻后孔底岩粉、碎石较多，形成堆积，常规取芯无法有效打捞，易引起埋钻、憋泵、烧钻等事故，影响成孔质量及工程进度。为此，设计出一套由“干捞钻头”及配套使用的“无水压装置”组成的干捞装置（图4）。

图4 “干捞钻头”及其配套的“无水压装置”

干捞钻头是由普通钻头在钢体部位钻孔穿上钢丝，形成网状（图4a）。装置组装顺序：干捞钻头→3～5m 钻杆→无水压装置→钻杆（图4b）。启动钻机开始下钻，当干捞装置到达孔底，加压将孔底坍塌的碎石及堆积的岩粉挤压到干捞钻头内，进入钻杆。由于岩粉进入压力增大，造成钢珠上移，把多余的水挤压到钻杆上部，经排水孔排出；由水泵打压进钻杆的水在钢球的阻挡下进不到下部的钻杆，而从排水孔排出，既不会对进入干捞钻头及钻杆内的岩粉碎石造成冲刷，也不会造成提钻时压力失衡，效果显著。

3.2 加大环状间隙钻进技术的应用

压力平衡钻进技术是岩芯钻进中重要方法，其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，并在任何情况下，都小于地层的破裂压力，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[7]。

绳索取芯钻进方法是内管从钻杆内投放和打捞，钻杆内外径比较大，导致环状间隙太小，易造成环中压力的剧烈变化，实现压力平衡钻进相对较难。在罗布莎科钻LSD-02 孔967.50～1469.17m 孔段施工中，采用S75 绳索钻杆配∅95mm 钻头的钻进方法取得良好效果。在钻头外部连接一个S95 钻头用来扩孔，就相当于增大了环状间隙，既实现了绳索取芯，又有利于压力平衡钻进，用此工艺钻进至1469.71m，没有出现任何问题。

3.3 扩孔器设计与应用

在罗布莎科钻具体施工中，由于地层的复杂性，用到很多特制的钻头，常规扩孔器满足不了特殊需求，故为其配备相应的特制扩孔器（图5）。

图5 ∅75mm特制加大扩孔器和扶正扩孔器

3.3.1 ∅75mm特制加大扩孔器

在罗布莎科钻LSD-1 孔465～742.10m 孔段和LSD-2 孔197.68～1469.17m 孔段使用孕镶金刚石扩孔取芯钻头的时候，由于是∅75mm 取芯，∅95mm 扩孔，所用钻具都是∅75mm，所以扩孔器需要是∅75mm的扣型尺寸，扩孔部分需要∅95mm 外径尺寸，所以特制了∅75mm特制加大扩孔器（图5a），在使用过程中起到了很好的效果。

3.3.2 扶正扩孔器

普通扩孔器扩孔带一般都在30mm 左右，扩孔带较窄，在松软地层孔壁对扩孔器的磨损较轻，但是对扩孔器的扶正效果需求较为明显，所以制作扩孔器时将扩孔带加长（图5b），增大了扩孔带与孔壁的接触面积，扶正效果明显。