楊 芳,翟育峰*,田志超,劉振新,王魯朝,王勇軍
(1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 煙臺 264004; 2.山東省地礦局鉆探工程技術研究中心,山東 煙臺 264004;3.山東省地熱清潔能源探測開發(fā)與回灌工程技術研究中心, 山東 德州 253072)
“西藏自治區(qū)甲瑪銅多金屬礦床3000 m 科學深鉆”是國家重點研發(fā)項目“甲瑪—驅(qū)龍銅多金屬資源基地深部勘查與增儲示范”項目中的鉆探工程部分,由中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究組織實施,山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院負責鉆探施工。項目要求在甲瑪?shù)V區(qū)完成完成一個科學鉆探孔JMKZ-1 孔,設計深度3000 m,是青藏高原固體礦產(chǎn)調(diào)查領域首個3000 m 科學鉆探項目,主要目的是系統(tǒng)揭示甲瑪超大型斑巖成礦體系3000 m 以淺的地質(zhì)信息[1-2]。鉆孔位于海拔5200 m 的高原地帶,地層復雜,施工難度很大。項目于2019 年6 月22 日正式啟動,2019 年7 月3 日開鉆,2020 年10 月20 日鉆至3003.33 m 終孔,歷時488 d,累計采取巖心2984.67 m,巖心采取率99.38%,順利完成施工任務。創(chuàng)造了青藏高原5200m 海拔條件下小口徑固礦勘查領域孔深紀錄[3]。
青藏高原地區(qū)具有獨特的地理環(huán)境與地質(zhì)條件。與內(nèi)陸相比,高原鉆探施工交通不便,條件惡劣,作業(yè)環(huán)境危險系數(shù)大,地質(zhì)調(diào)查工作程度低,地質(zhì)條件復雜,中深孔施工難度更大。青藏高原地區(qū)是國土資源大調(diào)查的重點地區(qū)之一,鉆探施工難度大是制約該區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作的重要因素之一。如何選用合理的鉆探裝備、技術,提高高原鉆探施工效率,是地質(zhì)工作首要解決的問題之一。筆者通過甲瑪3000 m 科學深鉆鉆探效率統(tǒng)計分析,從鉆孔設計、鉆探設備配置、鉆進工藝方法選擇等入手,為提高高原深孔鉆探施工效率提供技術參考。
JMKZ-1 孔初步設計為定向孔,天頂角3°,設計孔深3000 m,終孔直徑≮75 mm,全孔取心,巖心采取率平均≮85%,含礦段≮90%。頂角每百米偏斜≯2°,方位角總體偏斜≯20°[3-4]。
鉆孔為五開結(jié)構(gòu),各項指標完成情況良好。
一開:2019 年7 月3—6 日,歷時4 d。采用? 220 mm 金剛石單管提鉆取心工藝鉆進至孔深6.50 m,并用?240 mm 肋骨鉆頭擴孔,下?219 mm 套管,固井。
二開:2019 年7 月7—17 日,歷時11 d。采用? 175 mm 單管金剛石鉆頭提鉆取心工藝,鉆進至孔深57.49 m,下?168 mm 套管。
三開:2019 年7 月18 日—8 月3 日,歷時17 d。采用?150/122 mm(鉆擴一體)金剛石繩索取心工藝,鉆進至孔深224.50 m,下?140 mm 套管。
四開:2019 年8 月4 日—11 月27 日,歷時116 d。采用?122 mm 繩索取心鉆進工藝,鉆進至孔深1075.22 m,下?114 mm 套管。
五開:2019 年11 月28 日—2020 年10 月20 日,歷時330 d。采用?98 mm 繩索取心鉆進工藝,鉆進至孔深3003.33 m 終孔,順利完成鉆探取心任務。
JMKZ-1 鉆孔施工計入鉆月臺時為11698.8 h(487.5 d),其中臺月時間為9142.8 h(381 d),占鉆月時間的78.2%,春節(jié)放假及受新冠疫情影響停工時間2556.0 h(106.5 d),占鉆月時間的21.8%。
臺月時間中,純鉆時間2712.5 h,占臺月時間的29.67%;輔助時間4394.1 h(包含下套管、固井65h),占臺月時間的48.06%,事故及停待時間2036.2 h,占臺時時間的22.27%。
鉆進時間統(tǒng)計見表1 所示。
表1 JMKZ-1 孔鉆進時間統(tǒng)計Table 1 Drilling time of JMKZ-1 hole
事故及停待時間中,事故時間共計1913.5 h,包括孔內(nèi)事故處理時間及機械事故兩部分。其中,孔內(nèi)事故處理時間1022.3 h,占全部事故時間的53.43%,占臺月時間的11.18%;機械故障時間891.2h,占全部事故時間的46.57%,占臺月時間的9.75%。
停待時間包含惡劣天氣、礦區(qū)生產(chǎn)避炮等時間,共計122.7 h,占臺月時間的1.34%。
圖1 為JMKZ-1 孔臺月時間統(tǒng)計。
圖1 JMKZ-1 孔臺月時間統(tǒng)計Fig.1 Rig?month time of JMKZ-1 hole
表1 及圖1 顯示,與常規(guī)地質(zhì)巖心鉆探相比,該孔施工時間的主要特點一是輔助時間占比較大,達到了48.06%,除孔深因素外,施工環(huán)境惡劣導致的勞動效率降低是主要的。二是孔內(nèi)事故處理時間和機械故障時間較長,分別占比11.18%、9.75%[5]。
不同孔段的臺月效率和機械鉆速如表2 所示。
表2 JMKZ-1 孔鉆探效率Table 2 Drilling efficiency of JMKZ-1 hole
JMKZ-1 鉆孔全孔機械鉆速為1.11 m/h,臺月效率236.48 m/臺月。從表2 可以看出,一開、二開孔段效率較低,但由于工作量很小,對整個施工效率的影響并不大。三開孔段臺月效率最高,為294.72 m/臺月,五開孔段機械鉆速最高,為1.40 m/h,五開臺月效率較四開高,僅比三開稍低。
勞動生產(chǎn)率指標是指直接參與鉆探工程施工人員的人均工作量(或產(chǎn)值),該指標能反應鉆探施工機械化程度及工人整體綜合技術水平[6]。本項目直接參與人員共計22 人,創(chuàng)造產(chǎn)值1300 余萬元,年人均產(chǎn)值近60 萬元,經(jīng)濟效益良好。
3.1.1 高海拔環(huán)境
高海拔環(huán)境施工是導致輔助時間占比大和施工效率低的主要因素之一。鉆孔地處海拔5200 m 的青藏高原,對從低海拔到高海拔地區(qū)的鉆探施工人員來說,為適應缺氧和低氣壓環(huán)境,人的機體可能會發(fā)生一系列復雜變化,對人的身心健康、勞動能力等均有很大影響。施工人員進駐工地時,除了必須在3000~4000 m 的海拔區(qū)域逐步適應外,工作時必須采用“慢節(jié)奏”,尤其對于提下鉆、下套管等重體力勞動,必須給機體充分調(diào)整時間,鉆探輔助時間明顯較低海拔地區(qū)多。此外,高原氣候惡劣多變,如暴風雨雪、雷電、嚴寒、強輻射等,除了影響鉆探施工人員的工作,也對生活條件、物資供應等產(chǎn)生較大影響,有時還需停待[7]。
3.1.2 地層復雜并伴有采空區(qū)
鉆孔深度大,地質(zhì)條件相對復雜,局部地層存在嚴重破碎、漏失、坍塌、超強地應力等復雜情況。一開第四系地層較松軟,存在孔壁坍塌的風險,采用投黃泥球堵漏并套管護壁的方式護壁,由于孔深較淺,對鉆孔總體效率影響不大。二開至三開地層主要為角巖,相對較完整穩(wěn)定,雖然其平均時效不高,但三開臺月效率為294.72 m,為全孔最高。
四開孔段地層主要為角巖、矽卡巖、花崗巖等,局部破碎、蝕變、漏失,易造斜。同時在600~660 m孔深處存在多層采礦巷道,對孔身軌跡有很高要求,鉆孔頂角在600 m 孔深時須控制在7°以內(nèi),否則容易貫通巷道。項目開孔頂角3°,鉆進至450 m 時,測斜頂角7.6°,為此采用偏心糾斜鉆頭降頂角鉆進措施至700 m,頂角6.7°,順利避開了巷道。糾斜穩(wěn)斜過程中需要嚴格控制鉆進參數(shù),降低鉆壓,控制進尺速度,大大影響鉆進效率。使用偏心糾斜鉆頭的臺月效率為190.63 m,機械鉆速為0.73 m/h,遠遠低于正常鉆進。同時現(xiàn)場使用的偏心鉆頭的壽命較低,平均壽命為35.21 m,比常規(guī)繩索取心金剛石鉆頭壽命低近50%。四開機械鉆速為0.98 m/h,與該孔段的施工有較大的關系[3]。
五開主要以花崗巖為主,巖石研磨性低、可鉆性高,地層較為完整,部分孔段地應力較為集中,局部破碎,采用金剛石繩索取心鉆進工藝,無固相沖洗液體系,破碎層段,采用聚乙烯醇護壁。
3.1.3 天氣、避炮等社會環(huán)境因素。
項目工區(qū)位于礦區(qū)內(nèi),生產(chǎn)需要定期放炮。為了安全,需要躲避。避炮等產(chǎn)生的停待時間影響臺月效率。項目因天氣、避炮等社會環(huán)境因素產(chǎn)生的停待時間近100 h,對總體施工進度產(chǎn)生一定影響,雖然影響不大,但往往不可控。
受高原環(huán)境影響,鉆探設備技術性能下降。有資料顯示,與平原地區(qū)相比,海拔高度每升高1000 m,內(nèi)燃機功率和扭矩性能指標下降8~12%。當海拔超過4500 m,發(fā)動機功率損失超過50%。因此,高原施工若采用柴油機發(fā)電,必須考慮功率損耗問題[7-8]。因此,本項目在充分考慮高海拔對柴油動力功率損耗較大的前提下,加大了柴油動力機功率及設備器具能力,采用了HXY-8VB 鉆機、BW300/16型泥漿泵。實踐證明,動力及設備器具配置能夠滿足高海拔地區(qū)深孔鉆探施工[9]。
3.2.1 鉆機
采用衡陽探礦機械廠改進的國產(chǎn)HXY-8VB 型巖心鉆機(見圖2、圖3)。HXY-8VB 型巖心鉆機是在原來的HXY-8 型鉆機的基礎上進行了創(chuàng)新改進,自動化程度高,對高海拔施工有效降低勞動強度優(yōu)勢明顯。該鉆機處于試驗應用階段,且受高海拔環(huán)境影響,所以障率較高。在處理設備事故的891.2 h中,鉆機事故約占600 h,明顯比平原地區(qū)事故率高。因此,高原深孔施工時,必須保證鉆機施工能力,最好“大馬拉小車”,鉆機能力建議按實際孔深、孔徑的1.3~1.5 倍選擇,降低鉆機事故率。
圖2 改進的HXY-8VB 鉆機Fig.2 Improved HXY-8VB drilling rig
圖3 改進的HXY-8VB 鉆機操作室Fig.3 Improved control room of the HXY-8VB drilling rig
3.2.2 加強型深孔繩索取心鉆桿
傳統(tǒng)繩索取心鉆桿深孔鉆進明顯強度不足,出現(xiàn)斷鉆桿的概率很大,還容易引發(fā)一系列孔內(nèi)事故。據(jù)不完全統(tǒng)計和分析近年來的鉆探資料可知∶斷(脫)鉆桿(具)事故占總事故的30%左右,隨著孔深增加,這一比例增大[10]。本次施工采用加強型深孔繩索取心鉆桿,施工全過程未發(fā)生鉆桿相關問題,有利于提高生產(chǎn)效率。3.2.3 優(yōu)選鉆頭、鉆具
合理選擇鉆頭、鉆具,是提高鉆探效率的重要途徑。淺孔段提鉆取心一般采用硬質(zhì)合金鉆頭,深部多采用金剛石鉆頭鉆進。本項目施工主要采用P 口徑、H 口徑繩索取心熱壓孕鑲金剛石鉆頭,在相同胎體硬度條件下,鉆頭唇面雙圓階梯較同心圓尖齒壽命長。此外,針對特殊防斜要求,采用偏心糾斜鉆頭、半周期自修正防彎鉆具等防斜糾偏措施,雖然臺月效率較繩索取心低,但有效預防了孔內(nèi)事故,避免了因鉆孔軌跡控制不當引起的鉆穿巷道等風險。
3.3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設計
合理的鉆孔結(jié)構(gòu)設計對保障順利施工具有重要意義。在既有施工經(jīng)驗、技術儲備基礎上,科學組織鉆探設計,制定可行的系統(tǒng)工藝過程,擬定合理的鉆孔結(jié)構(gòu),采用大徑開孔,為深部未知地層留有余地,對深孔施工十分有利。本鉆孔施工的實際鉆孔結(jié)構(gòu)與設計鉆孔結(jié)構(gòu)開次、孔徑基本一致,只根據(jù)地層實際情況,調(diào)整了設計套管下深[11-13]。
3.3.2 鉆進方法
針對孔內(nèi)實際情況,結(jié)合以往經(jīng)驗,上部采用? 150/122 mm(鉆擴一體)金剛石繩索取心工藝,在保障巖心采取率的前提下,減少了提下鉆次數(shù),降低了施工風險,其臺月效率明顯較提鉆取心高。下部花崗巖地層,采用傳統(tǒng)金剛石繩索取心鉆進工藝,配合無固相沖洗液體系,有效解決了部分孔段地應力集中造成局部破碎的問題[14-15]。同時,在第四系、破碎地層、水敏性蝕變地層使用了環(huán)保型沖洗液,護壁效果好,降低了孔內(nèi)事故率[16]。
3.3.3 提高回次進尺有效提高臺月效率
根據(jù)統(tǒng)計,鉆孔共計1139 個回次,平均回次進尺2.64 m。一開至四開采用常規(guī)取心鉆具,回次進尺最大長度3.00 m;五開鉆進中,采用了加長鉆具,回次最大進尺為4.50 m,平均回次進尺3.70 m?;卮芜M尺長度統(tǒng)計見表3 和圖4。
圖4 JMKZ-1 孔不同孔段回次長度占比統(tǒng)計Fig.4 Round trip meterage proportion statistics in different hole sections of JMKZ-1 hole
表3 JMKZ-1 孔回次進尺長度統(tǒng)計Table 2 Statistics of round trip meterage of JMKZ-1 hole
由圖4 和表3 可以看出:繩索取心鉆進平均回次進尺長度、臺月效率(參見表2)均比提鉆取心鉆進略高,完整地層中鉆進時施工效率更高,其回次進尺長度明顯高于復雜地層。四開孔段平均回次進尺長度明顯低于其他孔段,主要是因為采用偏心糾斜鉆頭、防斜糾偏鉆具防斜糾偏時,為控制鉆孔軌跡,嚴格控制鉆壓及進尺速度,機械效率及臺月效率均明顯低于正常鉆進水平。五開鉆進中,采用了4.5 m長巖心管取心,明顯提高了回次進尺長度,減少了取心輔助時間,鉆進效率明顯提升[17]。
回次進尺長度直接影響臺月效率,平均回次進尺長度較長的孔段,臺月效率明顯較高。因此,在深部鉆進時,要想提高鉆探效率,應盡量提高回次進尺長度。在深部鉆探時,采用加長取心鉆具,可以明顯提高回次進尺長度,臺月效率明顯提升。在保證鉆具同心度的前提下,盡量采用加長取心鉆具,可以明顯減少取心時間,提高鉆探效率。防斜糾偏鉆進時,使用偏斜鉆頭、防斜鉆具等鉆進工藝,防斜糾偏效果好,但回次進尺長度小,臺月效率較正常鉆進低。
根據(jù)統(tǒng)計,JMKZ-1 鉆孔事故時間為1022.3 h。二開三開施工未發(fā)生孔內(nèi)事故,這也是三開臺月效率最高的重要原因之一。五開事故時間為923.5 h,占鉆孔總事故時間的90%,這也是五開雖然時效達到1.4 m/h,但臺月效率不是最高的關鍵因素之一。
五開施工過程中多次發(fā)生巖心脫落孔內(nèi)事故,隨著孔深的增加,相對淺孔,每次簡單事故的發(fā)生都將占用大量時間處理,風險性增大。其中處理時間最長的一次事故是在鉆進至2577.66 m 時,發(fā)生“頂卡簧”,巖心脫落事故,下普通?98 mm 金剛石鉆頭掃取脫落巖心過程中,鉆頭胎體剝落,連續(xù)損壞3 個鉆頭,采用異徑鉆具配?75 mm 金剛石鉆頭透孔至孔底,采用?98 mm 金剛石鉆頭掃孔后,恢復正常鉆進。分析事故原因,在取心結(jié)束投放內(nèi)管總成過程中,由于在上拉過程中鉆柱上部沖洗液被內(nèi)管總成帶出,造成一定距離的空區(qū),投放內(nèi)管時,內(nèi)管總成自由落體,下落速度較快,在接觸鉆柱內(nèi)沖洗液液面時,沖擊力較大,卡簧被上頂出卡簧座至內(nèi)管內(nèi),造成卡簧離開本應該所處的位子,導致了所謂“頂卡簧”的現(xiàn)象,使得鉆進過程中巖心沒能進入卡簧,出現(xiàn)了鉆進取心過程巖心脫落事故。本次事故后,在投放內(nèi)管總成前,將鉆桿內(nèi)空區(qū)用沖洗液灌滿,該類型事故未重復發(fā)生。
加強現(xiàn)場人員組織管理,保證鉆探生產(chǎn)規(guī)范化是影響深部鉆探效率的重要因素之一。加強組織管理,一方面是要克服施工人員對高原環(huán)境的不適應性,另一方面是要避免因不當違規(guī)操作引起的多種問題,如倒桿時因操作不當造成巖心堵塞等[18-19]。組織管理一般可采用直線型項目管理形式,設立項目管理部,實行項目經(jīng)理負責制、崗位責任制。高海拔施工不確定因素較多,施工前必須進行合理的施工規(guī)劃及后期有效的施工組織,如前期策劃、后勤保障、醫(yī)療衛(wèi)生保障、安全及應急管理等,盡量降低高原環(huán)境的不良影響,達到有序、高效的鉆探施工。
利用西藏甲瑪3000 m 科學深鉆鉆探施工經(jīng)驗方法,山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院于2020 年6 月至2021 年1 月,在青藏高原中北部的松潘甘孜造山帶實施了川西甲基卡鋰礦3000 m 科學深鉆(海拔4500 m),歷時232 d,終孔孔深3211.21 m,終孔孔徑98 mm,累計采取巖心3202.25 m,巖心采取率99.72%,打破了本項目創(chuàng)造的青藏高原小口徑固體礦產(chǎn)勘查領域孔深紀錄。項目在甲瑪3000 m 科學深鉆鉆探施工經(jīng)驗方法基礎上,通過采用環(huán)保型沖洗液技術、加長型內(nèi)涂層內(nèi)管和改進型打撈器,優(yōu)選金剛石鉆頭,并根據(jù)地層情況,采用了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術,全孔未發(fā)生孔內(nèi)事故,輔助時間占比較少,臺月效率415.24 m,平均機械鉆速1.46 m/h,創(chuàng)造了當時同類型鉆孔全國效率紀錄[20]。
(1)深孔鉆探項目施工周期長,提高鉆探效率是有效降低成本的重要途徑。影響鉆探效率的因素既有客觀因素,也有主觀因素。客觀因素如地層條件、環(huán)境條件等,一般不易改變。實際生產(chǎn)中,主要是從主觀因素如鉆孔設計、鉆探設備配置、鉆井工藝方法選擇、孔內(nèi)事故預防、新技術新方法應用、施工組織等因素著手來提高鉆探效率。
(2)高原地區(qū)環(huán)境因素對鉆探施工影響很大,個別施工地甚至地處無人區(qū),對人員、動力與物資供應、后勤保障等要求均較平原地區(qū)高,且交通不便,受季節(jié)影響較大。施工前,必須做好各類施工預案,減少非必要的停待時間。
(3)提高深孔鉆探效率要綜合考慮鉆孔各項指標,不能一味追求機械鉆速、臺月效率等指標。在保障鉆進速度的同時,注意避免孔內(nèi)風險,做好孔內(nèi)事故預防。
(4)采用新技術、新方法是有效提高鉆進效率的途徑之一,在條件允許的前提下,可采用加長鉆具、高效沖洗液等,可有效提高鉆進效率,條件允許時,可嘗試采用繩索取心液動錘鉆進技術等。