蓋志鵬，羅 剛，賈宏福，王 磊，付兆友

(新疆地質礦產勘查開發(fā)局第六地質大隊，新疆哈密839000)

1 概況

新疆坡北礦區(qū)ZK2－6孔屬深部找礦項目，設計孔深1650 m，設計傾角90°，終孔口徑≮75 mm，巖礦心采取率≮80%。于2011年由A機臺進行第一次施工，期間在施工至839 m，因孔壁嚴重剝落超徑而發(fā)生斷鉆桿事故，找不到事故頭而失敗。2012年由B機臺進行第二次施工，在施工至890 m時，因沖洗液性能的突變，導致孔壁失穩(wěn)，發(fā)生斷鉆桿事故，處理無果，以失敗告終。同年由我單位進行第三次施工，以95 mm口徑施工，采用凈化水進行沖洗液的配制，大大提高了沖洗液的性能，成功穿過強蝕變帶，在893 m下入91 mm套管，換77 mm口徑繼續(xù)施工。在施工至1074 m時，在937 m處鉆桿折斷，在處理斷鉆桿事故的過程中，因操作問題，發(fā)生卡鉆事故，處理失敗。2013年我單位用XY－6B型鉆機對ZK2－6孔重新施工，通過優(yōu)化鉆孔結構，采用多功能復合劑MBM和抗鹽GTQ沖洗液體系等技術措施，于2014年10月完成了該孔的施工。

2 環(huán)境概況與礦區(qū)地質

2．1 環(huán)境概況

工作區(qū)地處歐亞大陸腹地，屬典型的大陸性極端干旱氣候。氣溫四季及晝夜溫差極大，年平均氣溫5～6℃。春、秋季風沙大，對工作有一定影響，風力一般3～4級，最大可達7級。夏季酷熱干旱，6～9月份最高氣溫可達50～60℃，月平均氣溫28～31℃。冬季嚴寒，最低氣溫在12月至翌年2月，最低氣溫－30℃，月平均氣溫－13～25℃。每年4～10月為最佳野外工作時間。

2．2 礦區(qū)地質

工區(qū)超基性巖體地表大部分被第四系沖洪積砂礫石層覆蓋，局部偶見有超基性巖零星露頭。礦化帶內巖石蝕變較強，蝕變類型主要有:蛇紋石化、纖閃石化、伊丁石化、滑石化、透閃石化、綠泥石化;該蝕變帶的巖石松軟、疏脆，膠結性差，吸水易膨脹剝落，孔壁極不穩(wěn)定，鉆進過程中常出現孔壁剝落，坍塌、超徑等現象，是導致無法加桿、埋鉆、鉆桿折斷等事故的主要因素。

工區(qū)經歷了多次的構造變動，褶皺和斷裂極為發(fā)育。褶皺以區(qū)域性緊密線狀褶皺為主，斷裂構造主要呈北東向、北東東向，區(qū)域性深大斷裂為該區(qū)主要構造格架，控制著區(qū)內地層、構造、巖漿巖的分布。

3 礦區(qū)鉆進難點

(1)地層局部蝕變強烈，遇水剝落，超徑嚴重，易發(fā)生斷鉆桿事故。深部孔段會鉆遇強烈蝕變帶，由于蝕變地層頻繁出現，連續(xù)不斷，層厚0．5～30 m。蝕變層易受沖蝕剝離形成“超徑”，如果沖洗液使用不當，會出現孔壁坍塌及剝落現象，護壁極其困難。鉆進蝕變破碎時，回次進尺短(每回次40～60 cm)，取心次數頻繁，鉆進效率低，不利于孔壁穩(wěn)定。超徑嚴重孔段易發(fā)生斷鉆桿事故。

(2)沖洗液性能維護困難。因受地下水(鹵水)的侵蝕，常見沖洗液材料配制的沖洗液性能極不穩(wěn)定。主要表現為新沖洗液循環(huán)不久后，粘度降低、失水量增大、攜帶巖粉能力變差等。沖洗液中的固相材料絮凝沉淀、粘度降低易造成孔壁不穩(wěn)，發(fā)生埋鉆事故。失水量增大加劇了蝕變地層(水敏性地層)失穩(wěn)。采用增加重晶石用量提高沖洗液密度護壁的方法則又造成泵壓增高，水泵工作負荷大，沖洗液性能亦不能保持穩(wěn)定。

(3)蝕變地層巖粉顆粒粗，排出困難，鉆頭壽命短。施工過程中發(fā)現，強蝕變地層遇水會發(fā)生一定的徑向膨脹，經鉆具回轉后剝落在沖洗液中，造成沖洗液中巖粉多，從而導致泵壓高，造成施工效率低。蝕變地層中產生的大顆粒巖粉(見圖1)多懸浮在深部孔段以及沉淀在孔底，不能被沖洗液攜帶出孔內，形成“二次磨損”，加之孔壁不穩(wěn)定，提鉆后會發(fā)生掉塊，每次下鉆都要掃孔，造成鉆頭壽命過短;在掃孔過程中，易發(fā)生鉆桿折斷和埋鉆事故。

圖1 蝕變地層大顆粒巖粉

(5)安全隱患多。施工至深部孔段后，孔內阻力大、鉆具質量大，致使設備動力不足，器具強度保險系數降低;泵壓高，導致水泵高壓部分、鉆桿連接薄弱處損壞幾率變大，施工中發(fā)生過水泵泵頭、三通以及多處鉆桿接手被高壓水流損壞的情形，給施工安全帶來了諸多挑戰(zhàn)。

4 鉆進工藝

4．1 鉆孔結構

ZK2－6孔鉆孔結構設計，在不超過鉆機扭矩和提升力時，P系列盡量達到最深孔，以保證后期施工的順利。另外考慮到深孔施工泵壓可能偏高會抵消鉆頭上單位鉆壓，同時為保證一定的環(huán)狀間隙利于巖粉排出，以及避免因泵壓過高導致水泵損壞，終孔口徑增大到77、78 mm。最終采用的鉆孔結構如圖2所示。

圖2 ZK2－6孔鉆孔結構設計

4．2 鉆進方法

該孔各階段鉆進方法如下。

4．3 鉆進技術參數(見表1)

表1 ZK2－6孔鉆進技術參數表

隨著孔深的增加，適當減小壓力，在強蝕變層施工時，轉速不宜太快，一般采用260～360 r/min。轉速太快，易發(fā)生堵心。泵量宜小，避免泵壓過高無法鉆進，還防止泵量過大在孔壁超徑孔段形成渦流沖刷孔壁。

轉速是影響金剛石鉆頭鉆速的重要因素。在一定條件下，轉速越快，鉆速也越高。由于鉆機性能、鉆桿質量、孔內阻力和鉆孔軌跡等因素影響，隨著孔深的增加，轉速應逐步下降。

4．4 沖洗液

4．5．1 沖洗液性能要求與選型

在蝕變破碎地層鉆進時，沖洗液都必須具有良好的護壁、攜帶與清除巖粉的能力，且性能要保持穩(wěn)定。以避免巖粉在下部孔段以及孔底的積蓄，避免鉆頭的過度磨損以及預防泵壓高和埋鉆事故的發(fā)生。用一般的泥漿材料配制沖洗液，受鹵水影響，沖洗液性能很難保持穩(wěn)定，攜帶巖屑能力差。為了保證沖洗液的性能穩(wěn)定，需要抗鹵水侵的沖洗液材料。經過對各種沖洗液材料的多次實驗，最后選用MBM—GTQ材料與鹵水配制沖洗液，該沖洗液能滿足施工要求，沖洗液在處理斷鉆桿事故的過程中，孔壁無剝落，給事故處理提供了優(yōu)越的條件。

4．5．2 沖洗液配制

(1)建立泥漿站。為保證沖洗液性能，我們在坡北工區(qū)建設了泥漿站。以XY－4型鉆機為沖洗液攪拌機，攪拌轉速100～200 r/min，一次攪拌量可達10 m3。站內配備沖洗液測試儀器，以保證沖洗液性能穩(wěn)定。

(2)MBM－GTQ沖洗液的攪拌泥漿站建立以后，進行了試攪拌，材料量由少到多并記錄沖洗液性能，以驗證試驗配方并優(yōu)選出最佳配方。試驗數據如表2所示。

表2 MBM鹵水泥漿體系室內試驗

4．5．3 沖洗液配方及性能

最終使用的MBM－GTQ沖洗液基本配方:1 m3鹵水+2～3 kg純堿+40～50 kg多功能劑MBM+2．5 kg抗鹽共聚物GTQ。

泥漿性能:失水量14 mL/30 min，漏斗粘度35 s，pH 值 9，密度 1．07 g/cm3。

為了防止孔壁剝落過快，巖粉過多，可以適當提高沖洗液密度，其目的是提高液柱壓力，平衡地層壓力，預防并避免壓力失衡;若沖洗液粘度過高導致泵壓過高無法鉆進則使用稀釋劑降低粘度。若需要提高粘度，加入適量抗鹽共聚物;若要加大沖洗液密度，可加入重晶石粉。

4．5．4 沖洗液使用與維護

(1)性能測試。由技術人員或機長做好對沖洗液性能的測定，每班至少測定2次(鉆遇復雜地層則增加測定次數)，結合地層變化情況，對沖洗液性能進行調整。

(2)性能調整。根據地表沖洗液性能指標情況、施工地層的變化，補充新液或更換新漿，禁止直接在沖洗液中加入清水。原則上孔內需要什么就補什么，保留有效固相去除無效固相。

(3)巖粉清除。按照現場地形盡量增大沖洗液循環(huán)系統(tǒng)的容積。循環(huán)槽長度≮20 m、沉淀池容積≮1 m3、泥漿池容積≮3 m3。沉淀池設置在循環(huán)槽拐彎處，保證沖洗液更好地凈化，及時清除有害固相。

4．6 孔內事故的預防及處理

4．6．1 孔內事故的預防

預防孔內事故的關鍵是保證沖洗液的質量及循環(huán)暢通，保持孔內清潔。預防卡、埋、燒鉆事故必須做到以下幾點。

(1)根據巖層特性，正確掌握沖洗液與套管的配合使用。

(2)金剛石鉆頭鉆進，應保證鉆桿絲扣連接密封，水泵要保證良好的工作狀態(tài)，在易坍塌巖層提鉆時要進行鉆孔回灌，預防孔內事故的發(fā)生。要正確操作，隨時注意孔內情況，發(fā)現異常就及時判斷和處理。

(3)開車、磨孔前(掃彈卡、斷頭等)務必輕壓力，緩慢嘗試幾次釋放離合器，確認無反車現象再開始轉動。

(4)每班檢測沖洗液性能參數，適時更換，以保證沖洗液性能的穩(wěn)定。

4．6．2 孔內事故的處理過程

(2)偏斜成功后，在鉆進至866 m時，由于提鉆時操作失誤，粗徑鉆具跑鉆掉入孔內，打撈無效后，在844 m處第二次進行偏斜。

(3)偏斜成功后，鉆進至967 m時，由于831～849 m之間超徑嚴重，發(fā)生鉆桿折斷事故，打撈無效后，在841 m處進行第三次偏斜。

5 施工組織與管理

5．1 生產組織

為了順利完成此次深孔施工任務，單位成立了坡北銅鎳礦鉆探施工項目部，項目部以“三控三管一協(xié)調”為主要內容，負責機臺施工，確保機臺生產任務的全面完成。

5．2 技術管理

施工中，項目部建立了完善的管理體系，重點從鉆探設計編寫、鉆探施工方法選擇、鉆進技術參數確定、泥漿性能檢測與維護使用、鉆孔質量保證措施落實與監(jiān)控、事故預防以及鉆孔施工數據收集、經濟技術指標計算、鉆孔技術資料收集歸檔等方面開展技術管理工作，加強了現場鉆探技術管理，指導了機臺生產，保證了鉆孔順利完工。

技術管理方法和具體措施如下。

(1)技術會議。結合施工過程中出現的問題，由項目部發(fā)起并組織現場技術會議，研究分析問題原因提出技術方案和措施。

(2)技術指導。由鉆探技術人員指導機臺嚴格按照鉆孔設計開展鉆孔施工，明確技術要求。指導施工過程中的鉆頭選擇、鉆進參數選擇、沖洗液配置和維護、事故預防和隱患排查等關鍵環(huán)節(jié)工作，做到技術落實、措施可控。

(3)質量保證措施。由項目部監(jiān)督機臺按照《地質巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227—2010)規(guī)定以及深孔施工技術方案開展工作，保證鉆孔質量達標。

(4)施工數據收集整理與歸檔。由項目部建立鉆孔數據收集要求和具體內容，由現場鉆探技術員負責收集和整理。按照坡北銅鎳礦地質項目組要求，由鉆探施工項目部協(xié)調落實相關部門、人員及時填寫鉆探技術檔案，由鉆探技術員負責具體管理，提交單位檔案室和相關部門歸檔。

6 環(huán)境保護

坡北工區(qū)位于羅布泊腹地，區(qū)內鮮有動植物。環(huán)保工作主要是避免和減少對施工區(qū)和生活區(qū)周圍環(huán)境的破壞。

6．1 現場三廢處理

在工地低矮處挖建廢液池，將現場的機械廢液、循環(huán)系統(tǒng)廢液、生活廢水、廢沖洗液引入廢液池，然后用石灰固化并掩埋處理。

6．2 保護當地的地貌特征

車輛盡量利用已有道路行駛，杜絕車輛在原始地貌(戈壁灘)上隨意碾軋。

6．3 終孔后恢復場地地貌

對生產中產生建筑垃圾，生活垃圾做掩埋處理。

7 結語

鉆探施工是一項涉及地上、地下眾多因素且又隱蔽的工程，只有各個因素有效、協(xié)同發(fā)揮作用才能保證施工順利進行。坡北工區(qū)ZK2－6孔在施工中遇到了諸多困難，但最終得以完工。

坡北工區(qū)ZK2－6鉆孔的終孔，標志著我單位對破碎蝕變地層的施工有了重大突破。我單位在深孔復雜地層施工技術方面取得了階段性的成果。

(1)深孔復雜地層施工技術水平再上一個新臺階，員工操作技術水平趨于成熟。

(2)以MBM—GTQ為主的沖洗液體系，解決了在鹵水條件下配制性能穩(wěn)定的沖洗液的難題、解決了鉆遇強烈蝕變地層保護孔壁的難題。實踐證明，它是一種有效且經濟的方法，它的成功起到了良好的示范作用，值得推廣。

(3)采用技術手段和MBM—GTQ沖洗液體系相結合，完成了210 m的蝕變層鉆進，蝕變層最厚達30 m。為以后在深孔復雜地層鉆進方面積累了寶貴的經驗。

(4)掌握了深孔復雜地層鉆進工藝技術，深孔鉆探事故處理經驗更加豐富，處理水平進一步提高。

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