西藏多才玛矿区钻井工艺技术及钻头寿命研究

刘海声，穆元红，窦 斌，陈建林，刘 鹏，高元宏

(1. 青海省第二地质勘查院，青海 西宁 810028； 2. 青海省岩心钻探工程技术研究中心，青海 西宁 810028; 3. 中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074； 4. 青海省第一地质勘查院，青海 海东 810699)

0 前 言

西藏多才玛矿区环境条件十分恶劣，海拔高、昼夜温差大、冰冻期长、空气稀薄、辐射强烈，被称之为“生命禁区”[1]。2000年3月，青海省人民政府、中国科学院、中国国家林业局联合召开会议，讨论“建设三江源自然保护区”的可行性分析；2000年5月，青海省批准建立“三江源省级自然保护区”；2003年1月，三江源自然保护区由省级晋升为国家级。多才玛矿区位于三江源国家自然保护区内[2]。2004-2010年多才玛矿区完成了预查工作，共完成钻孔35个，累计钻探工作量12 110 m；2011-2015年完成普查工作，共完成钻孔70个，累计钻探工作量31 200 m；2016-2019年为详查阶段，2016年完成钻探工作量13 650 m(其中1 200 m为水文地质两用孔)，2017年完成钻探工作量26 060 m(其中690 m为水文孔)，2018年设计钻探工作量30 000 m。由于前期投入大量人力、物力成本，且勘查成果可观，因此多才玛矿区将作为国家的矿产储备矿区，只勘查不开发。

2014年，田敏等[3]对高寒地区岩石可钻性分析及金刚石钻头类型进行了分析研究，以西昆仑高寒地区为研究对象，采用压入硬度测试等方法分析代表性岩石的可钻性，结果表明：矿区地区地层岩层硬度为中硬及以、研磨性中级以上，金刚石胎体硬度为中软至中硬时钻进效果较好。2017年，高元宏等[4]对青海东昆仑重点成矿带岩石钻进特性及金刚石钻头使用效果进行分析研究，对青海东昆仑重点成矿带典型岩石的可钻性、研磨性进行了测试，测试结果表明：岩石的研磨性主要在5～6级，可钻性为7～8级。在国家级自然保护区“三江源国家自然保护区”内施工，加之近年来自然资源部提出的“绿色勘查”和各级环保部门组织实施的“环保督查”，都将对矿区钻井工艺技术提出了更高的要求。

1 矿区概况

1.1 自然地理

多才玛矿区位于唐古拉山北坡、长江源头的沱沱河一带，西藏那曲安多县境内。地形平坦，地貌上南高北低，最低海拔4 700 m，最高海拔为5 300 m，最大高差为600 m，景观类型属于高原高寒半干旱至干旱沼泽湖泊丘陵。低温干燥、空气稀薄、日照充足、昼夜温差大、气侯变化无常、四季不分明、冰冻期长，属于高原型寒冷半湿润气候带。每年10月至翌年5月为寒冻期。区内年均日照为2 600～2 800 h，太阳辐射时间长。最高气温20℃，最低气温-30℃，年平均气温为-4.9℃[5]。区内年降水量为261.3 mm，多集中在6～9月份。降水量少，表现为该地区空气湿度低。含氧量少，加之太阳辐射强，蒸发量大，致使该地区的河流断流，湿地萎缩、土地荒漠化加剧。区内河流多数为季节性流水，仅有少数河流为常年流水，水源主要靠冰雪融化补给。区内水系主要为长江水源头沱沱河水系，分布较广，河面较宽，水深1 m至数米，最宽处达数百米。野生动物有国家一级保护动物藏羚羊、野驴、野牛、岩羊、黄羊、狼等，湖泊区6～8月有黄鸭等禽类栖息[6]。

1.2 地层特点

矿区内的主要地层主要有分布于扎日根及诺日巴尕日保两地的晚石炭—晚二叠世开心岭群、分布于矿区内中部的晚三叠世结扎群、分布于矿区西侧的中晚侏罗世燕石坪群、分布于矿区中部一带的晚白垩世风火山群、分布于矿区北部较低区域的古—新近纪地层。矿区经历了多期构造活动，地层发育较齐全，建造类型多样，多组断裂及褶皱发育，岩浆岩活动较强烈，期间大地构造环境历经多次变迁，致使成矿作用复杂、成矿类型多样，不同的矿床类型表现出控矿因素的多样性[7]。

1.3 矿区岩石钻进特征

岩石的钻进特征主要由岩石的可钻性、岩石硬度、岩石的研磨性表示[8]。岩石的可钻性又称为岩石的抗钻性，是指在钻井过程中，所钻岩层被钻头等碎岩工具钻进的难易程度，采用压入硬度测试法测试矿区主要岩石的可钻性[9]。莫氏硬度是表示岩石硬度的最常用的标准，1824年由德国矿物学家莫斯(Frederich Mohs)首先提出，按照1～10共10个等级来表示岩石的软硬程度[10]。岩石的研磨性是矿区所钻进地层的岩石磨损碎岩工具钻头的能力，采用钢杆研磨法测试岩石的研磨性[11]。统计结果如表1所示。

表1 多才玛矿区主要岩石钻进特征统计

由表1可知：多才玛矿区岩石压入硬度介于2 970～4 320 MPa之间，岩石可钻性级别介于7～10级之间；岩石莫氏硬度介于5～8之间；岩石钢杆研磨性指标介于40.525～62.050之间，岩石研磨性等级介于5～7级之间。总的来说，多才玛矿区岩石破碎难度大；硬度高、研磨性强，施工难度大。

2 钻井工艺技术

2.1 所用主要钻井设备

根据矿区地层条件和地质方的要求，在保证钻井质量和安全的前提下，选择的主要钻探设备如表2所示。

表2 主要钻探设备

2.2 钻头的选用

在整个钻井工艺过程中，钻头是碎岩的主要工具，井身结构就是由钻头破碎岩石后形成的。影响钻探效率、成本的因素除了与所钻地层岩石的特征有关外，主要由钻头本身的性能和钻头与地层的匹配程度决定[12]。通过近年来的施工经验总结，根据不同地层和岩石，多才玛矿区钻头选用如表3所示。

2.3 钻井液的配制

钻井液被称为钻井的血液，除了携带钻进过程中产生的岩屑外，还具有护壁、冷却钻头、润滑、平衡地层压力等功能[13]。针对多才玛矿区地层和岩石类型以及前几年现场实际使用的基础上，配制钻井液。采用“EP-B型极压润滑仪”测试钻井液的摩阻系数并根据电流表读书计算润滑系数；采用“ZNN-D6六速旋转粘度计”测量θ600和θ300，根据测量结果计算表观粘度、塑性粘度、动切力、流性指数；采用“1002型泥浆比重秤”测定钻井液比重；采用PH试纸测定钻井液PH值。通过现场应用后反馈的信息来看，该泥浆体系在携带岩屑、护壁、润滑性能等方面表现良好，能够很好地满足现场施工的要求。配方及性能见表4所示。

表3 多才玛矿区钻头选用

表4 多才玛矿区钻井液配方及性能

2.4 钻进参数的选取

钻进参数是指为了提高钻进效率、降低施工成本、保证钻孔质量，在现场钻进过程中可控的参数组合，主要包括钻压、转速、泵量[14]。多才玛矿区钻进过程中用到的3种公称口径分别为“PQ”、“HQ”、“NQ”。根据多年来的施工经验，适用于多才玛矿区的钻进参数见表5所示。

表5 多才玛矿区钻进参数

3 影响钻头寿命的因素分析

通过统计分析多才玛矿区主要岩石的参数、钻头的参数、钻进过程中选用的参数，发现这些参数和钻头的寿命有一定的相关性。在多才玛矿区选取孔深大于500 m的4个钻孔进行跟踪调研，收集、统计相关参数。跟踪调研的4个钻孔和设计孔深分别为：ZK1208孔，设计孔深655 m；ZK1801，设计孔深530 m；ZK1603孔，设计孔深510 m；ZK1404孔，设计孔深560 m。以现场采集及实验所得数据为依据，建立数学模型，采用多元回归分析法[15]，进一步分析钻头寿命与这些参数之间的关系。

3.1 模型的建立

在确定影响钻头寿命的参数时，剔除存在明显相关性的参数，最终选择孔深、胎体硬度、可钻性分级、钻压、泵量、转速、泵压共7个变量作为影响钻头寿命的因素，影响因素及数据统计如表6所示。

表6 影响钻头寿命的因素及数据统计

运用多元回归分析模型对影响钻头寿命的因素进行分析，建立的模型如下：

y=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+a6x6+

a7x7

(1)

式(1)中，因变量y为钻头寿命；自变量x1代表孔深、x2代表HRC(胎体硬度)、x3代表可钻性分级、x4代表钻压、x5代表泵量、x6代表钻速、x7代表泵压，a0为常数项，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7分别为对应自变量的系数。

建立模型的目的:①通过自变量回归系数的正负，确定影响因素和钻头寿命呈正相关还是负相关性；②通过自变量回归系数的大小，确定影响因素对钻头寿命的影响程度。

3.2 模型的多元回归分析统计

用Microsoft Excel软件，就因变量y对所有自变量x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7进行回归分析计算[16]。模型回归统计值见表7所示。

表7 模型回归分析统计值

由表7可知，模型的相关系数R=0.994，表明钻头的寿命与孔深、胎体硬度、可钻性分级、钻压、泵量、转速、泵压之间存在很强的相关性，修正后的相关系数R2=90.9%，表明钻头寿命y的90.9%受上述7个自变量影响，而钻头寿命y的9.1%受除上述7个自变量外的其他因素影响。

模型的回归参数见表8所示。

表8 模型回归参数表

由表8可知：第2列“回归系数”为常数项a0和自变量系数a1～a7的值。代入方程(1)可得：

y=-5.986+0.393x1-1.797x2-10.834x3-3.201x4-0.251x5+0.148x6+5.905x7

(2)

第3列为 “回归系数”的“标准误差”。数值越小，表示对应自变量的精度越高。

第4列为“统计量t值”。t值是第2列“回归系数”与第3列“标准误差”的比值，取绝对值后数值越大，表明在调查范围内对应的自变量对钻头寿命的影响越显著。

第5列为“P”值，数值越小，表明在调查范围内对应的自变量对钻头寿命的影响越显著。t值与P值在模型自变量对因变量的影响显著程度的检验方面是等价的。

3.3 回归模型的结果分析

通过对模型的回归分析得到，在调查范围内孔深、胎体硬度、可钻性分级、钻压、泵量、转速、泵压均影响钻头的寿命。孔深、转速和泵压的回归系数为正，表明和钻头寿命呈正相关性；胎体硬度、可钻性分级、钻压、泵量的回归系数为负，表明和钻头寿命呈负相关性。胎体硬度、可钻性分级、钻压、泵量的回归系数绝对值较大，表明对钻头寿命的影响程度大，孔深、泵量、转速的回归系数绝对值较小，表明对钻头寿命的影响程度小。

在调查范围内，随着孔深的增加，钻头寿命增加，但影响程度小。分析其原因有以下几点：①孔深主要表现为所代表的地层和岩性不同，对钻头寿命的影响不同，而不是直接影响钻头寿命。随着胎体硬度的增加，钻头寿命减小；②在调查范围内岩石可钻性级别高、研磨性强，应该选用胎体硬度低的钻头。随着可钻性分级的增加，钻头寿命锐减；③可钻性级别越高，岩层越难被钻进，钻头越低。随着钻压的增加，钻头寿命减小，影响程度较大；④在其他条件一定的情况下，钻压增加，存在钻头重复磨损和烧钻的问题，导致钻头寿命大幅下降。随着泵量的增加，钻头寿命微弱下降。⑤在绳索取心钻进中，钻具与孔壁间隙很小，钻井液流经钻具与孔壁间隙时会产生一个环空泵压，产生一个反向作用力，形成“活塞效应”[17]，在泵量满足钻进需求的前提下，泵量的增加造成水力损失，进而影响钻头寿命。随着转速的增加，钻头寿命微弱增加；⑥在转速满足钻进需求的前提下，钻速增加，钻头碎岩过程更充分，利用程度更高，钻头寿命增加。随着泵压的增大，钻头寿命明显增加。⑦在钻进过程中可以利用钻井液水力碎岩，泵压增大，钻井液参与水力碎岩的幅度增大，一定程度上分担了钻头的碎岩负担，因此随着泵压的增大，钻头寿命增幅明显。

4 存在的问题

1)现场采集的数据和真实数据之间有误差。多才玛矿区平均海拔超过5 000 m，高海拔地区采集的钻机、泥浆泵等仪器设备的参数和仪器设备的正常参数有出入。

2)现场跟踪调研了4个钻孔，共采集9组数据，采集的钻进参数数据量较少。由于在施工过程中要采集钻进参数，势必要求钻机频繁的停钻、起下钻，这样会影响施工进度，而且频繁的提下钻会产生“抽吸作用”，影响孔壁安全。

3)钻头寿命的影响因素已剔除存在明显相关性的因素，如金刚石粒度、岩石的研磨性等。但还存在一些无法统计量化的因素，如操作者的技术水平等。

4)在研究范围内孔深、胎体硬度等7个影响因素可以影响钻头寿命的90.9%，受其他因素影响的钻头寿命的9.1%还待进一步研究。

5 结 论

1)多才玛矿区主要岩石的钻进特征表现为：岩石可钻性级别介于7～10级之间；岩石莫氏硬度介于5～8之间；岩石研磨性等级介于5～7级之间。

2)根据以往的施工经验，总结出一套适用于多才玛矿区的钻头选用参数钻进参数。

3)适合多才玛矿区的泥浆配方为：0.5%HV-CMC(高粘纤维素)+0.5%PAM(聚丙烯酰胺)+1%磺化沥青+1.5%液体润滑剂+0.1% NaOH(火碱)。

4) 通过对模型的回归分析，在调查范围内，孔深、转速和泵压和钻头寿命呈正相关性；胎体硬度、可钻性分级、钻压、泵量和钻头寿命呈负相关性。胎体硬度、可钻性分级、钻压、泵量对钻头寿命的影响程度大；孔深、泵量、转速对钻头寿命的影响程度小。