高海拔地區(qū)永凍地層鉆探工程施工方法

宋祥昌，劉海波

（甘肅省地礦局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅酒泉735000）

高海拔地區(qū)永凍地層鉆探工程施工方法

宋祥昌*，劉海波

（甘肅省地礦局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅酒泉735000）

通過對西北高海拔地區(qū)永久凍土層的凍結(jié)因素和巖芯鉆探孔內(nèi)復(fù)雜問題的技術(shù)分析，從鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆進方法的選擇、低溫耐寒聚合物沖洗液的選型和配制等方面探討了在永凍地層鉆探施工預(yù)防孔內(nèi)凍結(jié)事故和由于孔壁巖石吸熱融凍而發(fā)生坍塌縮徑漏失事故等必須解決的關(guān)鍵問題。關(guān)鍵詞：永凍地層；凍結(jié)因素；鉆進工藝；鉆孔結(jié)構(gòu)；沖洗介質(zhì)選型配制

在西北海拔4200～5600m范圍內(nèi)的祁連山、昆侖山等高山地區(qū)，常年處于低溫冰凍季節(jié)，地表覆蓋層以下厚度超過百米的地層終年凍結(jié)不化，故稱之為永久凍土地層。根據(jù)地質(zhì)勘查工作需要，我院自上世紀中葉至本世紀初先后3次在高海拔地區(qū)永凍地層開展鉆探工程施工，前后跨越數(shù)十年。伴隨著我國探礦工程領(lǐng)域科技水平的不斷提高和施工手段的不斷完善，經(jīng)過艱苦探索與創(chuàng)新，我們逐步總結(jié)出一套適宜高山地區(qū)永凍地層的鉆探工程施工方法，無論在工程質(zhì)量還是在鉆探效率上都達到了一個新的水平。

1 巖層凍結(jié)因素和孔內(nèi)復(fù)雜問題技術(shù)分析

西北高海拔永久凍土層地區(qū)，其覆蓋層為第四系坡積物，主要成分為亞粘土、中細砂、礫石、碎塊石；下部基巖主要為變質(zhì)巖類的泥巖、片麻巖、閃長巖等。基巖上部因季節(jié)融凍作用裂隙較發(fā)育，隨深度增加變質(zhì)程度加深，礦物顆粒變細。

該區(qū)一般距地表2m左右為季節(jié)性融凍層，以下為永久凍土層，厚度超過百米。根據(jù)測井資料，該永凍層地區(qū)地層平均溫度一般在-4℃～-5℃范圍內(nèi)（如圖1所示）。

西北地區(qū)永凍地層具有以下基本特征：

（1）高山寒冷的高海拔氣候是地面低溫及產(chǎn)生永久凍土層的重要原因。在海拔4200m以上，地表溫度一般在-2℃以下，鉆孔（地層）溫度隨孔深增加逐漸下降至-4℃～-5℃，之后趨于相對穩(wěn)定或緩慢下降；

（2）地面溫度受季節(jié)影響較為明顯，夏季（7～8月份）隨氣溫升高，地面溫度最高可增加至6℃，表層凍土（深度2m左右）開始融凍，下部永凍地層溫度有所升高，這一時段孔內(nèi)地層凍結(jié)程度最低，是鉆探工程最佳施工期；

圖1 典型鉆孔地溫變化圖

（3）在同一海拔地區(qū)，施工鉆孔地勢越陡，比高越大，則永凍地層越厚，凍結(jié)程度越嚴重；

（4）在陡峻山坡鉆孔施工時，永凍地層凍結(jié)厚度和鉆孔孔身水平出露地面（坡底）的距離基本相同；

（5）巖層松散破碎、裂隙發(fā)育、漏失嚴重的鉆孔凍結(jié)程度遠比完整巖層嚴重。

在前期鉆探施工階段，用常規(guī)鉆探手段（硬質(zhì)合金鉆進，普通細分散型泥漿做為沖洗液）遇到諸多難以解決的問題，其主要表現(xiàn)為：

（1）永凍地層孔段由于受巖層冰點以下低溫影響，沖洗液在循環(huán)過程中溫度逐漸降低，導(dǎo)致孔壁緩慢結(jié)冰縮徑，鉆進回次終了提鉆受阻；

（2）施工中因孔內(nèi)事故或機械事故停鉆時，鉆孔內(nèi)沖洗液自孔壁開始凍結(jié)直至將鉆孔封凍密實，導(dǎo)致沖洗液循環(huán)中斷，整套鉆具凍結(jié)于孔內(nèi)；

（3）在地表溫度相對較高的季節(jié)施工時，進入鉆桿柱內(nèi)的沖洗液溫度大于0℃，在循環(huán)過程中通過外環(huán)狀間隙返流的沖洗液與周圍地層巖石處于不斷的熱交換中，導(dǎo)致部分孔段溫度升高，巖石融凍，在松散破碎和裂隙發(fā)育部位發(fā)生坍塌掉塊或漏失現(xiàn)象；

（4）第四系覆蓋層（主要為季節(jié)性融凍層）及基巖上部松散破碎且裂隙發(fā)育地段是發(fā)生坍塌掉塊和漏失現(xiàn)象的主要部位，在鉆探施工中應(yīng)予以高度重視。

綜上所述，在永凍地層鉆探施工，采用合理有效的施工工藝，選取適宜地層需要的沖洗介質(zhì)和鉆進方法，防止鉆孔凍結(jié)事故以及由于孔壁巖石吸熱融凍而導(dǎo)致坍塌縮徑漏失現(xiàn)象的發(fā)生，這是保證在永凍地層鉆探施工順利進行必須解決的關(guān)鍵問題。

2 永凍地層鉆進工藝

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆進方法的選擇

為了順利穿過第四系覆蓋層（包括季節(jié)性融凍層）和基巖上部破碎且裂隙發(fā)育地層，防止發(fā)生鉆孔漏失和坍塌掉塊事故，為下部施工打下良好基礎(chǔ)，正確合理地選擇鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆進方法尤為重要。

在第四系覆蓋層特別是季節(jié)性融凍層鉆進時，沖洗液在循環(huán)過程中與孔壁巖石發(fā)生熱交換而使孔壁凍土融化，同時相對較高的地表溫度使季節(jié)性融凍層中之地表水對孔壁發(fā)生侵蝕作用（主要集中在融凍層和永凍層的界面處），再者由于鉆孔形成了自由面，而第四系地層的應(yīng)力分布又不均勻，在以上3種因素的綜合作用下，孔壁松散破碎的巖石失去膠結(jié)性，進而發(fā)生嚴重的坍塌事故，這時沖洗液護壁已不起任何作用。

大量工程實例證明，在鉆孔上部復(fù)雜地層鉆進最為有效的施工方法是采用跟管鉆進法，逐次下入護壁套管，從而對鉆孔上部復(fù)雜地層起到有效的隔離保護作用。其工法要點為：

（1）開孔選用?130mm普通合金鉆頭或外出刃加大的?110mm合金肋骨鉆頭鉆進；

（2）鉆進至孔深1.5m后，提出開孔鉆具，下入第一節(jié)下部帶?150mm普通合金鉆頭的?146mm護壁套管，其長度約1m左右；

（3）再次下入開孔鉆具，在原孔深1.5m基礎(chǔ)上鉆進至2.5m，然后提出鉆具，接長?146mm護壁套管跟進下入孔內(nèi)；

（4）按以上跟管鉆進法交替進行，鉆進時護壁套管下部鉆頭距鉆進鉆頭約1.5m，先鉆進約1m，再將護壁套管跟進下入，直至穿過第四系地層（融凍層）將第一級護壁套管經(jīng)回轉(zhuǎn)加壓座實于下部永凍層中相對比較穩(wěn)定的位置上。第一級護壁套管（長度約5～6m）下入后，即可對第四系覆蓋層（融凍層）起到有效的隔離保護作用；

（5）第一級?146mm護壁套管下入孔內(nèi)后，換用?91mm特制肋骨式合金鉆頭（增大外出刃3～5mm）鉆進，并配制使用低溫聚合物沖洗液，穿過永凍層中基巖上部松散破碎且裂隙發(fā)育地層至穩(wěn)定層位后，下入第二級?108mm護壁套管。鉆進過程中如發(fā)生坍塌漏失事故而使鉆進無法正常進行時，亦可采用跟管鉆進法。第二級護壁套管（長度視地層情況不同而有差異，一般情況下30～50mm）下入后對基巖上部松散破碎且裂隙發(fā)育地層即可起到有效的隔離保護作用；

（6）第二級?108mm護壁套管下入孔內(nèi)后，經(jīng)清（磨）孔后換用?76mm金剛石鉆頭（普通雙管）鉆進至終孔。中深孔鉆進時為提高鉆探效率，亦可采用S75繩索取芯鉆進成孔；

（7）在鉆進方法和鉆探工具的選擇上，根據(jù)不同的地層條件，硬質(zhì)合金鉆進和金剛石鉆進可以互換使用。實踐證明,采用硬質(zhì)合金鉆進時，宜使用肋骨式鉆頭或外出刃大的鉆頭；采用金剛石鉆進時，應(yīng)對常規(guī)形式鉆頭結(jié)構(gòu)進行改進，增加水口數(shù)量，調(diào)整水口排列，鉆頭側(cè)面設(shè)計成肋條式，以減小鉆頭阻力，改善鉆頭冷卻條件；

（8）無論采用何種鉆進方法和沖洗介質(zhì)，在一般情況下均不宜采用“干鉆”法施工，因為“干鉆”不但機械鉆速低，破壞了巖芯的原始結(jié)構(gòu)，而且極易發(fā)生孔內(nèi)燒鉆、糊鉆等事故。

2.2 沖洗液的選型及配制方法

在永凍地層鉆探施工，我們曾先后試用過以下幾種類型的沖洗液：

（1）普通細分散型泥漿或清水——事故多，效率低；

（2）將沖洗液地表預(yù)熱后送入孔內(nèi)——只在鉆進狀態(tài)下有效，但增大了發(fā)生孔內(nèi)事故的頻率；

（3）孔內(nèi)注入柴油或煤油——短時間有效，但易形成油垢糊在鉆桿柱上，甚至造成沖洗液循環(huán)中斷而發(fā)生燒鉆事故；

（4）添加各種類型的有機抗凍劑——成本高，效果亦不理想；

（5）不同類型和濃度的無機鹽類沖洗液——效果明顯。

近年來我們在永凍地層配制和使用不同類型和濃度的無機鹽類沖洗液，有效地解決了鉆進中孔內(nèi)凍結(jié)事故和坍塌縮徑及漏失事故頻繁發(fā)生的問題，大大提高了鉆探效率，降低了鉆探成本。

西北地區(qū)凍土鉆探有關(guān)野外生產(chǎn)試驗證明，為了使永凍地層鉆探施工順利進行，必須保證送入孔內(nèi)的沖洗液溫度保持在0℃～-2.5℃范圍內(nèi)并盡量接近所鉆地層巖石的溫度。這是因為沖洗液在循環(huán)過程中向孔壁巖石傳遞的熱量不僅使巖石的自然負溫度升高到0℃以上，而且可使巖石中的冰態(tài)膠結(jié)物逐漸由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，失去巖石的聚集性，孔壁巖石開始解凍，進而發(fā)生坍塌縮徑事故。故此，保證冰凍膠接的巖石不融解的必要條件是tmax≤0℃，即在孔壁任意點位的沖洗液溫度不得大于0℃，這是保證孔壁安全穩(wěn)定、不發(fā)生孔內(nèi)坍塌縮徑事故的先決條件。

為了達到上述目的，必須采取有效措施，降低沖洗液的冰點，制備低溫聚合物沖洗液。在凍土巖石中鉆進時，傳熱系數(shù)小、失水量低、粘度大的沖洗液最為有效。為了降低沖洗液冰點，可以使用NaCl、KCl、CaCl2、Na2CO3等無機鹽類添加劑制成鹽水泥漿（沖洗液），同時加入適量有機添加劑做為穩(wěn)定劑，制成低溫耐寒聚合物泥漿（沖洗液）。

我們在實際施工中根據(jù)礦區(qū)不同地質(zhì)條件和現(xiàn)場施工條件，選擇和配制如下沖洗液類型：

（1）第四系覆蓋層和松散破碎、裂隙發(fā)育地層。這類地層在施工中極易發(fā)生坍塌、縮徑及漏失現(xiàn)象，宜選用以優(yōu)質(zhì)膨潤土作為固相含量、以工業(yè)純堿Na2CO3做為防凍添加劑、以羧甲基纖維素作為聚合物穩(wěn)定劑的低溫耐寒聚合物泥漿，此類型泥漿對凍結(jié)礫石層和泥巖層鉆進尤為有效。其配合比及主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 低溫耐寒聚合物泥漿配合比及性能參數(shù)表

表1中列出冰點在-1.8℃～-7℃范圍內(nèi)5組泥漿配合比及主要性能參數(shù)，施工中可根據(jù)所鉆巖石溫度及地層變化情況靈活調(diào)整使用。

（2）巖層完整或相對穩(wěn)定地層。在該類地層鉆進時，孔內(nèi)發(fā)生坍塌、縮徑或漏失情況的概率相對較小，故應(yīng)以防止巖石融凍、提高鉆探效率為主而進行沖洗液的配制。在實際施工中宜選用以工業(yè)用鹽NaCl（根據(jù)原料情況亦可選用KCl或CaCl2）作為防凍添加劑、以聚丙烯酰胺作為聚合物穩(wěn)定劑的無固相低溫耐寒聚合物沖洗液。其配和比及主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 無固相低溫耐寒聚合物沖洗液配合比及性能參數(shù)表

表2中列出冰點在-2.3℃～-7.2℃范圍內(nèi)5組沖洗液配合比及主要性能參數(shù)，供實際施工中參考使用。

西北高海拔地區(qū)凍土帶相對廣闊，蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源。我們在永久凍土層開展鉆探施工雖然積累了一定的經(jīng)驗，但需要解決的問題仍然很多，特別是沖洗液的組成成分、配合比的改進和性能的提高，以及探索研究和開發(fā)適宜永凍地層鉆探施工的新型沖洗介質(zhì)（如泡沫、冷卻空氣等），將是今后在永凍地層開展鉆探工程工作的重點和努力方向。

[1]劉廣志.金剛石鉆探手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，1991.

[2]李世忠.鉆探工藝學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1989.

[3]石立明.復(fù)雜地層巖心鉆探綜合治理技術(shù)[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）,2008,35（2）.

TE254.3

B

1004-5716(2015)06-0007-04

2014-07-30

宋祥昌（1971-），男（漢族），甘肅臨澤人，工程師，現(xiàn)從事探礦工程技術(shù)與管理工作。