摘要
盐湖浅部覆盖地层具有水溶性强、胶结性差、裂隙孔隙发育等特点，钻孔易发生缩径、坍塌、溶蚀剥落、漏失等问题，进而引起卡钻、埋钻、憋泵等孔内事故，因此需要改进钻探技术以提升工程施工质效。结合矿区实际，探索了短钻具+侧喷PDC钻头+饱和卤水冲洗液+PVC管护壁组合式绳索取心钻进工艺，通过开展试验研究，优化钻进参数、改善饱和卤水冲洗液、优选取心钻头，因地制宜改造绳索取心绞车，设计研发分层抽水试验装置的单双动接头，这些技术措施在盐湖浅层钻探施工生产中取得成功应用，保障了钻探工程高质高效实施。
钾盐矿已被列入我国急缺的矿种之一，青海柴达木盆地被誉为中国“聚宝盆”，盐湖遍布、得天独厚，蕴藏着极为丰富的钾盐矿产资
钾盐矿床主要有碎屑岩系型和盐湖
图1 矿区内主要地层
（1）开孔口径≮Ø150 mm，终孔口径≮Ø130 mm，不同孔径的具体深度以达到地质目的，经甲方技术人员现场确定后为准；（2）岩矿心采取：要求全孔取心，平均采取率≮80%，获取的岩心直径≮Ø85 mm；（3）钻孔弯曲测量：每100 m钻孔顶角偏斜≯2°，每钻进50 m或终孔后必须测斜；（4）孔深误差测量与校正：每钻进100 m或终孔后必须测量和校正孔深，钻具丈量孔深误差率≯1‰，孔深误差率>1‰时需要修正报表；（5）简易水文观测：每班至少观测水位2~3回次；（6）禁止采用淡水和非卤水冲洗液钻进；（7）抽水钻孔需要探孔，确保抽水试验设备安全顺利下入钻孔工作深度，并开展简易抽水和分层分段抽水取样。
（1）钻孔护壁困难。现代盐湖均属水溶性、水敏性地
（2）岩心采取困难。钾盐矿是可溶性盐类矿的一种，易吸水引发岩（矿）心溶蚀，钾盐地层硬度低，可钻性好（低），但易发生丢心，钻进取心取样质量难以保证。
（3）石盐层以结晶多面体岩块为主，孔隙、裂隙通道非常发育（见
图2 石盐地层中的孔隙（裂隙）
（4）冲洗液使用严格，卤水钻探必须选用能确保固体含钾矿心不被溶蚀和卤水钾矿不受污染的冲洗液进行钻进。
（5）卤水钻探工作辅助工时多，频繁进行止水、抽水、取样等水文地质工作（或试验）的时间占比大，严重影响工程项目整体进度。
（6）施工生产和生活保障难度大，钻孔布设间距大，设备搬迁频繁，道路凹凸不平，车辆通行条件差，生产、生活用水及其所需物资供应困难，工作、生活的环境艰苦。
钻探设备选择主要考虑矿区地层、设计孔深以及质量要求，同时结合项目实际和矿区保障条件等确定钻进工艺，科学合理选用钻探设备。因钻孔分布间距大（勘探线间距4 km，钻孔间距2 km），钻孔设计深度均为120 m以浅，且钻孔数量较多，为提高施工效率，快速转场搬迁，按期完成任务，项目设立3个钻探施工机台，选用的地质岩心钻探装备配备情况见
| 作业机台 | 设备名称 | 型号 | 数量 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 机台1 | 履带式钻机 | XY-4-3A | 1套 | 配套钻塔 |
| 绳索取心绞车 | JS-1000 | 1台 | ||
| 泥浆泵 | BW-250/6 | 1台 | 配柴油机动力 | |
| 发电机组 | 100 kW | 1台 | ||
| 机台2 | 车载钻机 | DPP-300 | 1套 | 配套泥浆泵 |
| 绳索取心绞车 | JS-1000 | 1台 | 配柴油机动力 | |
| 机台3 | 履带式塔机一体钻机 | HXY-44TL | 1套 | 配套泥浆泵和取心绞车 |
| 通用装备 | 测斜仪 | KXP-2D | 1套 | |
| 抽水泵 | Y90QJ6-115/22 | 2台 | ||
| 钻孔分层抽水系统 | Ø128 | 1套 | ||
| 堰箱 | 1 m×1.2 m×1.5 m | 2个 | ||
| 发电机组 | 50 kW | 1台 | 抽水试验装置供电 | |
| 水车 |
20 | 2台 | ||
| 挖掘机 | 现代55-7 | 1台 |
根据钻探质量要求，终孔口径≮Ø130 mm，分层抽水试验孔段口径≮Ø150 mm。结合施工作业实际，钻孔结构设计为Ø200 mm-Ø150 mm-Ø130 mm三级口径。Ø200 mm口径为潜水层以上孔段，为防止该段地层遇水溶蚀，需下入套管保护孔壁地层的稳定；Ø150 mm口径为潜水层以下至分层抽水试验设备下入最深位置的孔段。
主要采用无泵单管钻进与绳索取心钻进相结合的方法进行钻探施工。
一开（潜水层水位以上）：开孔采用Ø200 mm复合片单管取心钻头+Ø196 mm单管钻具+Ø50 mm钻杆的钻具组合，无泵单管“干钻”法取心钻进，钻进施工完毕后下入Ø200 mm PVC管保护孔壁。
二开（潜水层水位以下至试验孔深）：采用Ø130 mm复合片取心钻头+扩孔器+P口径绳索取心钻具+Ø114 mm绳索钻杆的钻具组合，绳索取心钻进，饱和卤水冲洗液排粉、护壁，钻进至抽水试验设计孔深，采用Ø150 mm三翼刮刀钻头+Ø50 mm钻杆钻具组合进行扩孔钻进，饱和卤水冲洗液排粉、护壁。
三开（试验孔深至终孔孔深）：采用Ø130 mm复合片取心钻头+扩孔器+P口径绳索取心钻具+Ø114 mm绳索钻杆的钻具组合，绳索取心钻进，饱和卤水冲洗液排粉、护壁，钻进至设计孔深。
潜水层水位以上地层采用无泵单管钻进，钻压控制在5~15 kN，转速控制在100~200 r/min，无泵干钻需严格控制钻压和回转速度，防止钻具变形或发生烧钻，回次进尺一般不得超过0.5 m，以保证岩心采取质量；潜水层水位以下地层采用绳索取心钻进，钻压控制在5~10 kN，转速控制在300~500 r/min，泵量控制在90~145 L/min。
在钻探施工过程中，加强对钻进参数的探索研究，以提升钻速和岩心采取质量。影响绳索取心钻探质效的主要参数为转速和泵量，在较低转速（100~200 r/min）情况下，钻进进尺较慢，钻速偏低，岩心采取率低，还可能发生丢心情况；在较小泵量（35~60 L/min）情况下，经常发生岩心管与钻具外管抱死以及卡（夹）钻事故（见
图3 岩粉造成岩心管与钻具外管间隙堵塞
潜水层水位以下地层钻进可采用冲洗液钻进，根据质量要求不能使用淡水配置冲洗液以及其他可污染卤水钾矿的添加剂，为解决冲洗液使用问题，选用矿区内的饱和卤水作为冲洗液进行钻探施
图4 饱和卤水冲洗液应用情况
为解决冲洗液使用中存在的以上问题，同时考虑到矿区地表饱和卤水与钻孔内卤水成分的差异性，避免冲洗液污染施工钻孔的钾矿卤水和岩心，采取就近打井取水作为冲洗液，即在距离取心钻孔约10 m的位置打井取水（卤水），并对施工的全部钻孔进行取样，测定钻孔卤水密度范围为1.2~1.25 g/c
目前，国内浅层卤水矿常用钻进方法有冲击贯入钻进、无泵单管钻进（套管钻进
通过工程试点，成功应用绳索取心钻进工艺，探索出了卤水地层短钻具+侧喷PDC钻头+饱和卤水冲洗液+PVC管护壁组合式绳索取心钻进工艺。采用短钻具（1.5 m）有效解决了钻进过程中岩粉造成岩心管与钻具外管抱死的问题，还可确保岩心采取质量，控制回次钻进时间，降低岩心磨耗缺失。采用P口径加大钻头可有效改善钻杆与钻孔的环空间
由于矿区地层以湖泊沉积物为主，无砾石、卵石以及基岩等坚硬地层，优选了3种不同水口形式的PDC取心钻头进行试验，即圆形底喷水口、长条形底喷水口和侧喷水口。圆形底喷水口PDC取心钻头（见
图5 优选取心钻头
通过以上钻具、钻头的优化改进，解决了绳索取心钻进工艺在浅层卤水矿区施工的技术难题，在施工效率方面，绳索取心钻进是单管钻进的2倍多（见
图6 绳索钻进工艺与单管钻进工艺施工效率
为解决无人区钻探施工设备用电困难，研究设计了绳索取心绞车的改造方案，把取心绞车的电机驱动改为柴油机驱动（见
图7 绳索取心绞车
分层抽水试验装置主要由地面设备和孔内设备组成，孔内设备包括抽水泵、封隔器和水文传感器，抽水泵由地表电源提供动力，封隔器由地表的高压源提供膨胀力，水文传感器可把孔内获取的实时参数传输给地表数据采集端，地表控制设备与孔内装置通过封隔器气管、抽水泵电缆以及水文传感器信号电缆线连接。下入或提出孔内分层抽水试验装置的过程中需要经常组装和拆卸，这些管线与钻杆（泵管）极易发生缠绕，造成管线张拉断裂或管线被夹持工具挤压破坏，严重影响试验的正常开展。对此，设计研制了一种防缠绕单双动接头（
图8 分层抽水试验装置
（1）临时用地管控。根据选用的钻探设备，严格控制临时占地和物资运输便道的修筑规模，最大程度上减少开挖工程活动造成的地表环境破坏。同时，充分利用荒漠区场地较平整的环境条件，采用便携式蓄水袋存储施工用水（见
图9 便携式蓄水袋
（2）钻探施工场地防护。采用饱和卤水进行钻探工作，防止岩心、地下水以及周围土壤受到污染，同时集中处理掩埋沉淀的岩粉（岩屑）。油料存放区域铺设防渗材料，有效防止了工程现场油料和冲洗液泄露污染周围土壤，废油脂集中存放，用于钻探管材和设备零部件除锈防锈，达到废物有效利用；施工现场产生的固体和生活垃圾分类收集，带回项目驻地集中处理。
（3）环境恢复与治理。施工结束后及时清理钻探现场的垃圾和杂物，矿区为典型的荒漠（盐碱地）景观区，结合实际填埋开挖坑洞，恢复地形地貌即可（见
图10 地形地貌恢复
（1）创新钻进技术工艺取得较好应用成效。首次在卤水地层成功应用了短钻具+侧喷PDC钻头+饱和卤水冲洗液+PVC管护壁组合式绳索取心钻进工艺，结合绳索取心工艺优化钻进参数、改善饱和卤水冲洗液、优选取心钻头，大幅提升了浅层卤水地质勘查孔的钻探施工效率和质量，在浅层盐湖钻探工程示范应用中取得了很好的效果。
（2）因地制宜改造优化钻探装备，可有效提升工程施工质效。结合实际研究改造绳索取心绞车，破解了用电难题，设计分层抽水试验装置的单双动机构，解决了试验装置管线缠绕问题，有力保障了项目在无人区顺利、高效开展钻探施工作业。
（3）探索了荒漠（盐渍）区绿色勘查工作，从钻探施工临时用地、施工现场防护以及环境恢复治理等方面加强绿色勘查工作落实，以便携式蓄水袋代替蓄水坑，严格现场污染物使用管理，注重工后的场地恢复，绿色勘查工作在荒漠景观区试点与探索初见成效。
（4）盐湖型钾盐地层极其不稳定，具有可溶性、胶结差、裂隙孔隙发育等特征，钻进中孔壁极易发生缩径、坍塌、溶蚀剥落、漏失等问题，卡（夹）钻、埋钻、憋泵等钻探事故频发，下一步还需加强绿色环保、低污染卤水护壁冲洗液和优快钻进技术方法研究与攻关。
（5）青海盐湖大多位于荒漠无人区，钻孔勘探间距大，物资设备转场频繁，用水、用电以及材料物资保障困难，且卤水矿具有很强的腐蚀性，建议采用集成度高、机动性好的钻探设备更适于盐湖钻探工程作业，钻探设备上电器、电路等安全隐患部位应采用抗卤水腐蚀、密封性能好的材料进行保护。
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