西藏甲玛3000 米科学深钻施工技术

田志超，翟育峰*，林 彬，刘振新，马云超，王 超

（1.山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004；2.山东省地矿局钻探工程技术研究中心，山东 烟台 264004；3.中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037）

0 引言

“西藏自治区甲玛铜多金属矿床3000 米科学深钻”为国家重点研发项目“甲玛-驱龙铜多金属资源基地深部勘查与增储示范”下设的子课题，项目设计孔深3000 m，实际终孔孔深3003.33 m，终孔孔径98 mm，累计采取岩心2984.67 m，岩心采取率99.38%。钻 孔 于2019 年6 月 开 孔，2020 年10 月 终 孔，历 时488 天，创造了青藏高原小口径固矿勘查领域孔深纪录，为国家深部资源勘查开采提供了技术支撑，实现了深部资源勘查增储示范效果，为完善陆陆碰撞造山背景下斑岩铜矿勘查模型及成矿理论创新提供了坚实的实物资料。

1 工作区及地质概况

1.1 工作区基本情况

钻孔位于甲玛铜多金属矿区内，属拉萨市墨竹工卡县甲玛乡管辖。从工作区后山沿简易公路北行21 km 到318 国道，西行23 km 至墨竹工卡县城，西行68 km 到拉萨市。

钻孔在冈底斯山脉东段郭喀拉日居山主峰果沙如则东北部，属高山深切割区，海拔5200 m。坡度大、海拔高、相对高差大是本区地形3 大特点，见图1。

图1 工作区地形地貌Fig.1 Terrain at drilling site

1.2 地质概况

工作区的地层主要赋存于下白垩统林布宗组与上侏罗统多底沟组部位。林布宗组岩性主要为灰黑色、浅灰绿色或灰绿色角岩、矽卡岩化角岩；多底沟组岩性主要为矽卡岩或矽卡岩化大理岩。第四系在区内主要沿坡麓沟谷分布。

科学深钻目的层揭示的岩浆岩主要为中酸性的侵入体，包括花岗闪长斑岩、二长花岗斑岩、石英闪长玢岩以及少量的细粒花岗岩和角砾岩［1-5］。

从钻遇岩石来看，0～650 m 以角岩为主，夹杂花岗闪长斑岩、石英闪长玢岩等，650～1100 m 以矽卡岩、矽卡岩化大理岩为主，1100 m 以深主要以二长花岗斑岩为主，夹杂花岗闪长斑岩、石英闪长玢岩。钻遇岩石级别较高，岩石可钻性等级较高，统计效率较低（参见图2、表1）。

表1 钻遇岩石可钻性等级Table 1 Rock drillability

图2 钻遇地层剖面Fig.2 Lithology encountered in drilling

2 钻孔技术要求及施工难点

2.1 钻孔技术要求

（1）钻孔设计深度3000 m，终孔直径≮95 mm，岩心直径≮60 mm。

（2）全孔岩心采取率≮85%，含矿段采取率≮90%。

（3）钻孔设计顶角3°，方位角240°。

（4）顶角每百米偏斜不超过2°，方位角总体偏斜不超过20°。

2.2 施工难点

（1）钻孔海拔5100 m，工区地形崎岖、道路险峻。钻探设备选型要求易维修、易操作、劳动强度低、占地少、施工工艺绿色环保。

（2）钻孔设计要求终孔口径≮95 mm，岩心直径≮60 mm，对钻孔结构设计及钻探管材强度提出了更高的要求。

（3）工区内采矿巷道四通八达，为避免钻入矿区巷道，施工过程要严格控制钻孔轨迹。

（4）工区上部地层较破碎，部分地层水敏性强，存在较多孔隙和裂缝，渗透性强，易发生漏失，深部地层存在高地应力，地层条件十分复杂。

（5）钻孔位置属于青藏高原高寒植被分布区域，高原生态环境脆弱，环保要求十分严格，要求采用对环境无害的环保冲洗液材料［6-11］。

3 钻孔施工概况

3.1 钻孔结构

钻孔设计结构主要根据项目总体要求，结合终孔孔深和口径以及地层情况等因素，采用充分施工法，进行了五开的设计。实际施工的钻孔结构也是按照设计结构，进行了五开施工，实际钻孔结构见图3。

图3 JMKZ-1 钻孔结构Fig.3 Drilling structure of JMKZ-1

3.2 施工工艺

一开（0～6.5 m），本孔段为松散角砾、填方覆盖层，地层破碎漏失，投黄泥球堵漏护孔，采用低固相冲洗液，采用Ø220 mm 金刚石单管提钻取心钻进工艺钻进至6.50 m，使用Ø240 mm 肋骨钻头扩孔，下入Ø219 mm 套管，固井，水泥返至地表。

二开（6.50～57.49 m），本孔段主要岩性为角岩等，地层局部破碎，采用无固相冲洗液。采用Ø175 mm 单管金刚石钻头钻进至57.49 m，下Ø168 mm套管，孔口加固，严格控制钻进参数，以小钻压钻进，控制孔身轨迹。

三开（57.49～224.50 m），该孔段主要岩性为角岩等，地层局部破碎松散，采用Ø150 mm/122 mm“钻扩一体”金刚石绳索取心钻进工艺钻进至224.50 m，下入Ø140 mm 套管，使用无固相泥浆，控制孔身轨迹是施工重点［12］。

四开（224.50～1075.22 m），本孔段主要岩性为角岩、矽卡岩、花岗岩等，为施工重点地层，地层局部破碎、蚀变、漏失，采用S122 mm 金刚石绳索取心钻进工艺钻进至1075.22 m，下Ø114 mm 绳索取心钻杆做为套管，该孔段重点是孔身轨迹控制。在设计孔深600～660 m 处，有多层采矿巷存在，轨迹控制不好，易钻入巷道，通过采用偏心防斜钻头，防斜纠偏钻具等施工工艺，孔身轨迹得到了较好的控制。

五开（1075.22～3003.33 m），采用S98 mm 绳索取心钻进工艺，钻进至终孔。随着钻孔的加深，地应力增大，岩心变得不规则易脱落，预防孔内岩心脱落残留是重点［13-15］。

3.3 钻探指标完成情况

JMKZ-1 钻孔设计孔深3000 m，设计顶角3°，实际终孔孔深3003.33 m，终孔孔径98 mm，累计采取岩心2984.67 m，岩心采取率99.38%，平均矿心采取率97.83%，钻孔钻探技术要求及完成情况见表2［16-21］。

表2 钻探指标完成情况Table 2 Drilling specifications and drilling results

4 JMKZ-1 孔采用的关键技术

4.1 改进型HXY-8VB 型变频钻机的应用

为了适应高原深孔钻探及满足施工技术要求，山东省第三地质矿产勘查院联合生产厂家在原来的HXY-8 型钻机的基础上进行了改造升级，HXY-8VB 型钻机（见图4）为立轴式手自两动钻机，自动化程度高，操作人员劳动强度低，适合高海拔深孔钻探施工。

图4 HXY-8VB 型钻机操作室Fig.4 Operator’s cab of HXY-8VB drill rig

HXY-8VB 型钻机对钻压、立轴转速、扭矩、称重等多参数进行监测，可视化较高，对司钻操作精细化有较大帮助；改进的变频系统，在钻机各挡位上可实现无级调速，可以在更大的范围内调整钻进参数，提高钻进效率；配套安装的送钻系统，大大减轻了司钻的劳动强度，更加安全可靠，实现钻探参数控制由经验化向科学化转变。

4.2 加强型深孔绳索取心钻杆的应用

近年来，山东省第三地质矿产勘查院多次打破绳索取心钻探全国孔深纪录，但是随着钻孔深度加深，钻杆受自重及孔内回转阻力的影响，强度达不到要求，断钻杆、跑钻事故成为深孔绳索取心钻探面对的主要困难。以山东省第三地质矿产勘查院施工的中国岩金第一深钻4000 m 钻探及吴一村3000 m 科学深钻为例，钻孔施工到一定孔深，只能通过采取上部用Ø60 mm 高强度石油钻杆，下部用NQ 钻杆的“复合钻杆”形式来解决钻杆强度问题［22-23］。

西藏甲玛3000 米科学深钻设计孔深3000 m，终孔孔径98 mm，国内目前生产的绳索取心钻杆的强度及工艺已不能满足施工需求，为此，无锡钻探工具有限公司针对施工中存在的难题，从绳索取心钻杆的管材选择、热处理方法、螺纹结构设计以及加工制造方法等多方面进行研究，研发了H 口径绳索取心钻杆，在现场进行了应用试验，使用效果良好，施工全过程未发生钻杆相关问题。

H 口径绳索取心钻杆基本参数见表3。

表3 H 口径绳索取心钻杆基本参数Table 3 Basic parameters of“H”size wireline drill rods

4.3 Ø150 mm/122 mm 特制绳索取心“钻扩一体”钻头的使用

针对JMKZ-1 钻孔上部复杂地层取心难的问题，设计了Ø150 mm/122 mm 绳索取心“钻扩一体”钻进工艺，通过加大环状间隙，可以更好的携带粗颗粒岩屑，降低泥浆循环压降，减少破碎地层卡钻风险，也避免了下一步单独扩孔钻进可能存在的孔内风险，钻头如图5 所示。

图5 Ø150 mm/122 mm“钻扩一体”钻头Fig.5 Ø150mm/122mm“drilling and reaming”drill bit

钻具组合：Ø150 mm/Ø122 mm 特制取心钻头+Ø150 mm 扩孔器+绳索取心钻具总成+扩孔器+Ø146 mm 薄壁钻铤+Ø127 mm 过渡钻杆+Ø 114 mm 绳索取心钻杆。

钻进参数：钻压15～20 kN，转速220～360 r/min，泵量115 L/min。

进尺情况统计见表4。

表4 Ø150 mm/122 mm 特制绳索取心钻头进尺情况Table 4 Footage of Ø150/122mm special wire coring drill bit

同传统的提钻取心钻进工艺相比，Ø150 mm/122 mm 特制绳索取心钻进工艺具有以下优点：

（1）具有较高的岩心采取率，能够满足科学钻探对岩心的原状性及采取率的特殊要求。

（2）减少了频繁提钻次数，降低了工人劳动强度，降低了高原作业风险。

（3）总体台月效率明显高于传统的提钻取心钻进工艺。

（4）省去了下一步扩孔钻进工序，减少了作业时间，消除了扩孔作业可能存在的孔内风险。

4.4 钻孔防斜纠偏技术

4.4.1 Ø122 mm 偏心纠斜钻头的应用

偏心钻头即轴心线周围的钢体或胎体呈不对称分布，使钻头重心偏离轴心线的钻头。当钻头回转时，产生侧向力（离心力），当钻孔产生顶角的时候，由于重力作用的存在，使钻头所在位置孔壁底部产生的离心力明显大于孔壁顶部造成的离心力，使钻头产生向下钻进的趋势，进而实现降斜及稳斜钻进，可以在倾斜地层中克服较大的地层力而达到纠斜的目的。

JMKZ-1 钻孔开孔顶角3°，钻进至450 m，测斜顶角7.6°，在钻孔质量要求范围内。但是由于钻孔在600 m 左右可能存在巷道，根据计算推导，要想成功的避开巷道，钻孔顶角在600 m 之前建议控制在7°以内，因此，采用偏心纠斜钻头正常钻进（需控制钻压及进尺速度），钻孔在700 m，顶角6.7°，顺利避开了巷道。偏心纠斜钻头见图6，应用效果见表5。

图6 Ø122 mm 偏心纠斜钻头Fig.6 Ø122mm eccentric deviation correction drill bit

从表5 中可以看出，钻孔从450 m 开始使用偏心纠斜钻头，一直到700 m，顶角从7.6°降到了6.7°，纠斜稳斜效果显著。但是偏心纠斜钻头应用存在以下不足：

表5 JMKZ-1 钻孔测斜数据Table 5 Inclination survey data of JMKZ-1

（1）需要严格控制钻进参数，降低钻压，控制进尺速度，大大影响了钻进效率。使用偏心纠斜钻头的台月效率为190.63 m，远远低于正常钻进台月效率。机械钻速为0.73 m/h，也远远低于正常钻进机械钻速。

（2）偏心钻头的寿命较低，现场使用的偏心钻头平均寿命为35.21 m，比正常绳索取心钻头寿命低近50%。

（3）由于钻头偏心，使局部岩心的同心度变差，易导致岩心脱落，造成打捞岩心失败。

4.4.2 半周期自修正防弯钻具的应用

该钻具外壁对向分布有3 个偏心体，正常情况下，钻孔没有弯曲呈直线钻进时，钻具只受到压力及扭矩作用，钻具以自身轴线为中心旋转，钻头正常向下钻进。当钻进过程中遇到造斜地层，基于钻具的特殊构造，钻具在旋转一周内，其受力是不同的，如图7 所示，当偏心高点G顶在弯曲钻孔的孔壁上，钻具相当于一个杠杆，F1是杠杆的动力，支点是G，钻具旋转的每一个周期内，都有半周期产生自修正的杠杆作用力F2，该作用力的方向与造成钻孔弯曲趋势的偏斜力方向相反，使其不断地修正钻孔弯曲，起到防弯的效果。

图7 防弯钻具在弯曲孔段的受力分析Fig.7 Force Analysis of the vertical drilling string in the bent hole section

半周期自修正防弯钻具从孔深805.32 m 一直使用至1075.22 m，防弯效果显著。现场应用情况见表6。

从表6 中可以看出，采用常规S122 mm 钻具，为了防止钻孔顶角继续增大，严格控制钻进参数，采用低钻压，这样势必牺牲进尺速度，同时顶角控制效果不显著；采用S122 mm 纠斜钻具，也需要严格控制钻进参数，采用低钻压，高转速，牺牲了进尺速度，但是起到了很好的降低钻孔顶角的效果；采用Ø122 mm 自修正防弯钻具，不需要刻意的控制钻进参数，和正常钻进钻压及转速一样，起到了很好的控制钻孔弯曲的效果。

表6 JMKZ-1 钻孔弯曲参数统计Table 6 Curve data of JMKZ-1

4.5 环保冲洗液体系的应用

针对环保及地层问题，通过对粘土、环保降滤失剂、环保增粘剂、环保抑制剂等处理剂进行实验对比，采用正交实验的极差分析法得到了各项指标所对应的水平的影响大小和优化水平取值，确定了冲洗液的优化配方范围，成功研发了一套耐高温环保型冲洗液体系。

环保冲洗液体系配方：水+3%～4% 钠膨润土+0～0.5% 增粘剂GHCM+1%～2% 降滤失剂GLAC+1%～2% 降滤失剂GSTP+0.2%～0.3%抑制剂GBBJ+1%～2%封堵剂HGPC+1%～2%封堵剂HGFD。

现场应用顺利完成了在极易出现坍塌的第四系、破碎地层、水敏性蚀变地层钻探工作，该冲洗液体系的现场应用表明其具有较强的抑制能力，起到了很好的护壁效果，对环境无害，绿色环保［24］。

4.6 绿色勘查技术

（1）在项目实施过程中，最大限度借用矿区原有道路，减少道路修筑；推行标准化管理，优化现场布置，实行分区化管理，严格对照布置图进行布置，最大程度减少施工占地面积，减少对施工区环境的扰动。同时，在施工前期，在场地修筑挡墙，减小对生态环境的扰动，充分体现了绿色勘查理念。

（2）采用环保冲洗液体系，体系使用对环境无害的环保钻井液材料，对泥浆循环系统进行技术革新，采用箱体式泥浆罐代替传统地表开挖式循环槽、泥浆池，孔内返出泥浆，通过孔口管，循环管路到达泥浆罐，整个泥浆循环系统中的泥浆实现了“不落地循环”，避免了因泥浆渗漏对土壤、植被、地下水的影响。

（3）使用的XY-8VB 型钻机，更加节能，电耗大幅降低，钻机故障率降低，维护工作量减少。

5 结论和建议

（1）HXY-8VB 型钻机，自动化程度高、操作人员劳动强度低、动力足、故障率低、易维修、适合高海拔地区深孔钻探施工。

（2）H 口径绳索取心钻杆，从绳索取心钻杆的管材选择、热处理方法、螺纹结构设计以及加工制造方法等多方面进行研究，大大提升了钻杆的抗拉抗扭等性能，使用效果良好，能够满足深孔钻探施工要求，但相较常规H 口径钻杆，其内径较小，无法配套使用冲击回转钻具。

（3）现场应用的Ø150 mm/122 mm 绳索取心“钻扩一体”钻进工艺，加大了环状间隙，可以更好地携带粗颗粒岩屑离开孔底，降低了泥浆循环压降，取得了很好的应用效果；随着深度增加，后期采用的级配环状间隙减小，循环压降增大，无法采用合理的泵量，冲洗液冷却及携屑能力不足，影响了钻进效率。因此在深孔施工中要适当加大钻头外径，加大环空间隙，有效减小压降，可以更好地选择泵量等钻进参数，提高钻进效率。

（4）偏心纠斜钻头以及半周期自修正防弯钻具等技术方法的使用，有效地控制了钻孔轨迹，顺利钻穿巷道地层，应用效果良好。

（5）施工中加强标准化建设，优选钻探机具，采用环保型冲洗液体系，最大限度地减小了对生态环境的扰动，充分贯彻了绿色勘查理念。