西藏甲瑪3000 m 科學深鉆經濟技術指標統計與分析

楊 芳，翟育峰*，田志超，劉振新，王魯朝，王勇軍

（1.山東省第三地質礦產勘查院，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與回灌工程技術研究中心， 山東 德州 253072）

0 引言

“西藏自治區甲瑪銅多金屬礦床3000 m 科學深鉆”是國家重點研發項目“甲瑪—驅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，由中國地質科學院礦產資源研究組織實施，山東省第三地質礦產勘查院負責鉆探施工。項目要求在甲瑪礦區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調查領域首個3000 m 科學鉆探項目，主要目的是系統揭示甲瑪超大型斑巖成礦體系3000 m 以淺的地質信息［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］。

青藏高原地區具有獨特的地理環境與地質條件。與內陸相比，高原鉆探施工交通不便，條件惡劣，作業環境危險系數大，地質調查工作程度低，地質條件復雜，中深孔施工難度更大。青藏高原地區是國土資源大調查的重點地區之一，鉆探施工難度大是制約該區地質調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。

1 鉆探施工簡介

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］。

鉆孔為五開結構，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。

2 經濟技術指標統計

2.1 時間利用

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%。

鉆進時間統計見表1 所示。

表1 JMKZ-1 孔鉆進時間統計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，包括孔內事故處理時間及機械事故兩部分。其中，孔內事故處理時間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、礦區生產避炮等時間，共計122.7 h，占臺月時間的1.34%。

圖1 為JMKZ-1 孔臺月時間統計。

圖1 JMKZ-1 孔臺月時間統計Fig.1 Rig?month time of JMKZ-1 hole

表1 及圖1 顯示，與常規地質巖心鉆探相比，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，施工環境惡劣導致的勞動效率降低是主要的。二是孔內事故處理時間和機械故障時間較長，分別占比11.18%、9.75%［5］。

2.2 鉆探效率

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。

2.3 勞動生產率

勞動生產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，創造產值1300 余萬元，年人均產值近60 萬元，經濟效益良好。

3 影響因素與措施分析

3.1 環境及地層因素

3.1.1 高海拔環境

高海拔環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的鉆探施工人員來說，為適應缺氧和低氣壓環境，人的機體可能會發生一系列復雜變化，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 的海拔區域逐步適應外，工作時必須采用“慢節奏”，尤其對于提下鉆、下套管等重體力勞動，必須給機體充分調整時間，鉆探輔助時間明顯較低海拔地區多。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

鉆孔深度大，地質條件相對復雜，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，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。糾斜穩斜過程中需要嚴格控制鉆進參數，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。同時現場使用的偏心鉆頭的壽命較低，平均壽命為35.21 m，比常規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、避炮等社會環境因素。

項目工區位于礦區內，生產需要定期放炮。為了安全，需要躲避。避炮等產生的停待時間影響臺月效率。項目因天氣、避炮等社會環境因素產生的停待時間近100 h，對總體施工進度產生一定影響，雖然影響不大，但往往不可控。

3.2 設備機具

受高原環境影響，鉆探設備技術性能下降。有資料顯示，與平原地區相比，海拔高度每升高1000 m，內燃機功率和扭矩性能指標下降8～12%。當海拔超過4500 m，發動機功率損失超過50%。因此，高原施工若采用柴油機發電，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新改進，自動化程度高，對高海拔施工有效降低勞動強度優勢明顯。該鉆機處于試驗應用階段，且受高海拔環境影響，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

傳統繩索取心鉆桿深孔鉆進明顯強度不足，出現斷鉆桿的概率很大，還容易引發一系列孔內事故。據不完全統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，施工全過程未發生鉆桿相關問題，有利于提高生產效率。3.2.3 優選鉆頭、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 工藝方法

3.3.1 鉆孔結構設計

合理的鉆孔結構設計對保障順利施工具有重要意義。在既有施工經驗、技術儲備基礎上，科學組織鉆探設計，制定可行的系統工藝過程，擬定合理的鉆孔結構，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構與設計鉆孔結構開次、孔徑基本一致，只根據地層實際情況，調整了設計套管下深［11-13］。

3.3.2 鉆進方法

針對孔內實際情況，結合以往經驗，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，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保型沖洗液，護壁效果好，降低了孔內事故率［16］。

3.3.3 提高回次進尺有效提高臺月效率

根據統計，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尺長度統計見表3 和圖4。

圖4 JMKZ-1 孔不同孔段回次長度占比統計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。

3.4 孔內事故預防與處理

根據統計，JMKZ-1 鉆孔事故時間為1022.3 h。二開三開施工未發生孔內事故，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生巖心脫落孔內事故，隨著孔深的增加，相對淺孔，每次簡單事故的發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，在取心結束投放內管總成過程中，由于在上拉過程中鉆柱上部沖洗液被內管總成帶出，造成一定距離的空區，投放內管時，內管總成自由落體，下落速度較快，在接觸鉆柱內沖洗液液面時，沖擊力較大，卡簧被上頂出卡簧座至內管內，造成卡簧離開本應該所處的位子，導致了所謂“頂卡簧”的現象，使得鉆進過程中巖心沒能進入卡簧，出現了鉆進取心過程巖心脫落事故。本次事故后，在投放內管總成前，將鉆桿內空區用沖洗液灌滿，該類型事故未重復發生。

3.5 施工組織管理

加強現場人員組織管理，保證鉆探生產規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境的不適應性，另一方面是要避免因不當違規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劃及后期有效的施工組織，如前期策劃、后勤保障、醫療衛生保障、安全及應急管理等，盡量降低高原環境的不良影響，達到有序、高效的鉆探施工。

4 技術方法拓展應用

利用西藏甲瑪3000 m 科學深鉆鉆探施工經驗方法，山東省第三地質礦產勘查院于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%，打破了本項目創造的青藏高原小口徑固體礦產勘查領域孔深紀錄。項目在甲瑪3000 m 科學深鉆鉆探施工經驗方法基礎上，通過采用環保型沖洗液技術、加長型內涂層內管和改進型打撈器，優選金剛石鉆頭，并根據地層情況，采用了沖擊回轉鉆進技術，全孔未發生孔內事故，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，創造了當時同類型鉆孔全國效率紀錄［20］。

5 結論

（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?？陀^因素如地層條件、環境條件等，一般不易改變。實際生產中，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）高原地區環境因素對鉆探施工影響很大，個別施工地甚至地處無人區，對人員、動力與物資供應、后勤保障等要求均較平原地區高，且交通不便，受季節影響較大。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，注意避免孔內風險，做好孔內事故預防。

（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。