青海大场地区冻土地层钻探施工经验浅谈——以大场矿区ZK9711钻孔施工为例

马维明，王振东，罗永统，马　英

（青海省地质调查局，青海西宁810001）

青海大场地区冻土地层钻探施工经验浅谈
——以大场矿区ZK9711钻孔施工为例

马维明*，王振东，罗永统，马英

（青海省地质调查局，青海西宁810001）

通过分析研究大场地区冻土地层特点、矿区低温对钻探生产影响的主要方式，阐述了大场永冻层地区钻孔ZK0001钻探施工工艺，为进一步开展相关地区永冻地层的钻探施工提供借鉴。

钻探工程；永冻层；绳索取芯；钻井液

大场矿区位于青海省玉树藏族自治州曲麻莱县境内，海拔4500～4700m，周边最高在4800m以上，气候寒冷，年平均气温0℃以下，霜冻期长，地表为冻土层，第四系以下属永冻地层，部分永冻地层最深可达180m，永冻地层温度自-1.9℃～12℃不等。每年5月至9月份上旬期间为暖季，10月至翌年4月为寒冻期，因此，5月至9月为野外地质工作最佳时间。

矿区地表覆盖层冻土包括季节性冻土和多年冻土，第四系冻土层的主要成分是冰水堆碛物、冰水沉积物、风积物、冲积物、洪积物及冲洪积物等，第四系以下的基岩主要为泥质板岩、砂岩等。

1　矿区低温对钻探生产的影响

在冻土地层中钻探，严重影响施工进度，经现场调查分析总结，大场矿区低温环境对钻探生产影响的主要方式有：

（1）低温对钻井液的冰冻和产生流凌，钻井液在低温环境中容易发生絮凝、粘度增加、流动性下降等现象，泥浆材料不能更好地溶于水中，固相颗粒容易聚结，冲洗液性能不稳定甚至被破坏，地表循环系统易冻结和流凌淤积以及送水困难等。

（2）钻进过程中由于孔壁间隙小停钻取芯的过程中极易发生冻钻事故，而泥质板岩则容易在地温泥浆循环热交换后易发生热融性的缩径和坍塌，从而引起提下钻受阻、提取岩芯困难、钻具冻结和经热交换的含水永冻层引起的钻井液粘度下降、形成埋钻事故等。

因此，系统分析和解决上述这些问题对有效预防永冻层中的孔内事故、实现正常钻进、提高钻探施工效益具有十分重要的意义。

2　钻孔结构设计

根据矿区地层多年冻土层的特征，同时考虑钻孔孔径、孔深、倾角等因素，以及绳索取芯钻进、钻具高转速、防止钻杆折断的要求，采用的钻孔结构如图1所示。

图1　大场矿区ZK9711钻孔结构示意图

为预防低温泥质永冻层的热融膨胀，简单有效的方法是跟管护壁。为保证高粘、低失水低温钻井液的正常循环，可通过适当加大环空间隙的方法，降低钻井液紊流状态时对永冻层孔壁的冲蚀。

大场矿区ZK9711钻孔结构采用了“多级少开”的原则，即多梯次换径少量下套管的方法。施工中采用了Ø130mm钻具开孔6m后下Ø127mm孔口管，换Ø110mm钻具钻进11m后下Ø108mm套管，再换Ø95mm绳索取芯钻具钻进至78m（已至完整地层）下Ø89mm套管，最后换Ø76mm绳索取芯钻具钻进至终孔212.5m。

实践证明，该方法大幅度减少了孔段裸露时间，较好地保持了孔壁的完整稳定性，为顺利有效下套管争得了主动，大大减少了套管用量，提高了开孔及钻进效率。

3　设备选择

（1）钻机选择。该矿区整体地质控制程度较低，钻孔设计孔深一般不超过500m，ZK9711孔钻探施工设备选用了北京天和众邦勘探技术股份有限公司生产的CSD500C型全液压钻机，钻机由7个模块组成（包括泥浆泵），各独立单元仅用高压油管连接，且不用组装为整体，最大单元质量280kg（为方便运输科可进行拆解），该钻机作业能力为500m以内，钻孔倾角适应范围在45°～90°，动力头给进行程1800mm，通孔直径Ø97mm，能适用于Ø56mm、Ø76mm、Ø96mm绳索取芯钻进，该钻机结构简单实用，结合灵活快捷，方便检查维修，使用性能可能，更适用于高原山区作业，对搬迁路线和地盘要求不高，最高的施工效率可达到423m/月。

（2）钻杆及钻头选择。对永冻地层或松散偏软地层，其中夹杂各种砂、砾等大小不等的硬颗粒，孔壁必须有足够大的间隙，以保证带大颗粒和部分带角砾掉块随冲洗液上返时能顺利通过，不至于产生“群砾封门”现象而无法钻进，开孔用普通单管薄壁钻头，正常钻进用绳索取芯钻头，尽可能选择口径比普通金刚石钻头大1～2mm。同时考虑到钻进该地区永冻地层时，为尽可能避免钻杆事故，施工时选择了唐山进食超硬材料公司生产的新型XJS71加厚鐓粗钻杆，该钻杆外径可与原S71普通绳索取芯钻杆配合使用，使用时鐓粗钻杆放下部便于与钻具配套，两部分钻杆用特殊接手连接即可，节约钻杆成本。

4　钻进液

现场随钻调研冻土层在钻进过程的影响形式，低温环境对钻探生产的主要影响，分析永冻层在低温钻井液环境中的融散缩经、坍塌机理、钻进液的双向热交换后的溶蚀机理，钻孔ZK9711施工时自开孔至终孔期间始终采用了该型钻进液：PAM0.2%+SM0.5%（植物胶）。由于夜间气温较低，使得钻井液经循环后基本维持在5℃以内。该钻井液基本性能如下：

温度：3.5℃（返口）；粘度：41s；300r/min：9s；600r/min：17s；比重：1.012g/cm3；滤失量大于50%。

该钻井液随孔深岩屑含量升高较快，同时，随夜间环境温度较低粘度增加，机台因此降低了钻孔液循环深度、时间。当絮凝物大于总体积20%后即弃用，重新搅拌。该孔施工中见地表季节性冻土，全孔地层相对完整，夜间最高气温在0℃以下，该型钻井液基本满足了此孔钻进要求。

5　钻进工艺经验总结

施工经验表明，针对大场矿区碎裂岩化粘土质永冻层的热融缩径问题，需要钻进液的温度接近永冻层温度或低于3℃。在大场矿区施工季节由于昼夜温差大，孔内温度低，通常经昼夜、孔内地表热交换后钻进液温度在最高气温时能维持在10℃以下，此时可以通过提高钻速，降低钻井液对泥质孔壁低温地层的水化时间，可以在钻探生产期间预防其热融膨胀。

维持钻进液在0℃以下正常循环的经验：优质的天然钠基膨润土，水化和膨胀能力强，充分水化膨胀后，可起到延缓水遇冷结冻的效果。在满足如下条件的情况下，5%加量的盐水泥浆可在-10℃环境下的正常循环：

（1）钻杆始终保持转动；

（2）配置钻井液的水用苏打（每立方米水中加2kg）来软化处理，并维持钻井液中具有一定浓度的Cl—，甚至是HCO3—都能对预防钻井液的低温冰冻起到一定的作用；

（3）为防止泥质地层的热融膨胀，维持钻井液的低温，白天作业时可将整个泥浆系统（泥浆坑、泵、罐等）遮盖起来（可以用塑料布或者帐篷等）。

同时还须注意如下几点方法：

（1）一旦决定暂时停钻，一定要及时将钻杆提出孔外；

（2）不关闭水泵，确保泥浆循环，直至钻杆提出；

（3）终孔搬迁期间应当蒋水泵和地表的其他循环系统卸开，放尽其中的残留钻井液。

［1］徐国辉，陈佰辉，王光毅.青海扎日根矿区永冻层钻头技术研究［J］.河北北方学院学报，2011.

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［4］乌效明，胡郁乐，等.钻井液与岩土工程浆液［M］.武汉：中国地质大学出版社，2002.

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1004-5716（2016）01-0015-02

2015-01-08

马维明（1987-），男（回族），青海西宁人，助理工程师，现从事固体矿产勘查工作。