摘要
藏北无人区海拔高气候恶劣，施工物资运输难度大，在进行地质调查钻探工程施工中发生冻土融冻坍塌、泥岩强造浆缩径、长孔段连续破碎涌水等多种复杂问题。针对钻探施工遇到的难点，优化了钻具组合、冲洗液体系、钻探器具，采用短行程干钻取心、重力加杆、跟管钻进、导流泄压等技术措施，解决部分施工中遇到的问题。在该地区钻探施工积累了一定经验，为该区域能源资源调查提供有效的地质资料和岩心实物资料。
近年来多家单位在藏北无人区开展地质调查工作，无人区地域广阔，调查点位分布间隔距离远，可借鉴的地质资料相对较少。为了调查藏北某区域能源资源情况，依据地质路线以及物探调查的情况，在该区域布设1个地质调查钻孔，目的是掌握该区域地层结构情况，通过钻取岩心同时配合录井、测井等工作手段，分析该区域地质构造以及能源资源的储层、位置、区域等情况，对该区域能源资源情况进行评价。钻孔于2024年7月13日开孔，11月2日终孔，终孔孔深610.37 m。
由于藏北无人区区域位置及地质构造演变过程区别于其他地区，造就了其独特的地质条件，钻探施工钻遇地层复杂。同时海拔较高，一般距离人居地远，且无通信网络，施工保障极其困难。因此，在藏北无人区进行钻探施工难度极大。
本项目施工区域位于西藏自治区北部，深入无人区腹地，地表为沙漠化草地植被，地貌上总体属高原丘陵—低山剥蚀地貌，工区地势总体较为平缓，谷岭相间，平均海拔5100 m左右。水系较为发育，主要湖泊均为咸水湖，湖周发育放射状水系，多为季节性河流。工区内部无公路，只有以前车辆通行自然形成的简易道路，基本能保证施工车辆的通行和相关设备、物资的运输。距离最近县城约350 km，一般通行时间8~10 h。
0~50.5 m为第四系，主要以砂土和黑、灰色碳质黏土为主的冻土，夹杂砾石和漂石，胶结性差，融冻后呈淤泥状坍塌。
50.5~610.37 m为侏罗系雀莫错组，其中：
50.5~298.15 m为紫红色粉砂质泥岩，较为完整，强造浆微缩径；
298.15~498.34 m为紫红、灰色砂岩，粉砂质泥岩夹杂灰岩、石膏等，地层反复变换交替，全段破碎、涌水、透水，最大涌水量达42
498.34~570.1 m为完整砾岩、砂岩，出现3个涌水层，最大涌水量达35
570.1~610.37 m为灰黑色泥岩，钙质泥岩，600.35 m开始破碎出现涌水现象，最大涌水量达26
不同地层岩心及涌水情况见
图1 钻遇地层及涌水情况
Fig.1 Conditions of drilled strata and water gushing
本项目施工区域位于高海拔无人区，交通不便。工区地层分层明显，第四系为冻土，砂、泥岩较厚，破碎层主要为砂岩、泥岩、灰岩交替互层，透水、涌水孔段较长，最大涌水量42
（1）施工保障困难，道路距离远，通行条件差，雨季由于融冻翻浆，极易陷车，设备、材料、生活物资等运输难度大；
（2）高海拔，气候恶劣，人员劳动强度高，医疗卫生保障难度大；
（3）冻土受施工扰动及冲洗液侵蚀，易水融坍塌；
（4）砂、泥岩较厚，造浆缩径严重，易糊钻，下套管后难起拔；
（5）破碎层位较厚而且涌水较大，易造成孔内坍塌掉块，钻具非正常磨损大，影响钻进加接钻杆和投送内管，钻进施工风险
钻孔需要满足测井工作，设计终孔直径≥98 mm，选用HXY-6B型立轴式钻机，该钻机主要应用于2000 m以内岩心钻探工作，整体性能比较稳定，能够满足本项目钻探施工。由于考虑工区无大型起吊设备，A型和K型钻塔无法安装，配备SGX-18型钻塔用于施工，附属设备有BW320型泥浆泵、SJ-2型绳索取心绞车、1PN立式泥浆搅拌机等。钻机及附属设备参数如
| 设备名称及型号 | 主要参数 | |
|---|---|---|
| HXY-6B型钻机 | 钻进深度（N口径）/m | 2000 |
|
转速/(r·mi | 80~1000 | |
| 最大起重/kN | 200 | |
| 动力/kW | 110 | |
| SGX18型钻塔 | 名义高度/m | 18 |
| 天车正常负荷/kN | 160 | |
| 天车最大负荷/kN | 200 | |
| BW320型泥浆泵 | 缸数 | 3 |
|
最大排量/（L·mi | 320 | |
| 最大泵压/MPa | 8 | |
| SJ-2型绳索取心绞车 | 功率/kW | 7.5 |
| 1PN型立式泥浆搅拌机 |
容量/( | 0.3 |
| CAV-1型测斜仪 | 顶角范围与精度/(°) | （0~180）±0.1 |
由于钻孔布设需要根据地质、物探等工作结果进行论证后设计，考虑到施工位置地处高海拔无人区，距离县城远，运输条件差，所以项目钻探物资分两次运输至工区，5月1日钻探设备开始进场，夜晚气温-3~-10 ℃，地表冻土还未融化，钻机以及配套设备运输至工区共耗时7 d，陷车6次。6月份钻探管材进场，由于地表开始融冻，造成陷车16次，从县城把物资运送至工区共耗时10 d。根据其他施工单位以往经验，工区道路通行条件较好的窗口期为10月至次年4月，物资运输时应尽量选择在这段时间。
工区常年气温较低，第四系地层基本为冻土覆盖，周围地表和地下水源主要为盐碱水。该区域无历史钻孔资料可以借鉴，由于首次进入该地区施工，且工程设计前未踏勘，依据收集的有限资料进行设计，未考虑冻土施工。开孔时采用盐水低固相冲洗液，钻具组合采用Ø140 mm绳索取心钻杆+变径接头+Ø168 mm套管+Ø172 mm复合片钻头，正循环单管取心钻进，钻进至孔深5.2 m时，无法正常加钻杆，钻具只能下放到4.5 m，后采用“干烧”法捞取孔内残留岩心和坍塌物，呈黑色淤泥状，再次“干烧”钻进取出的岩心含冰块，判断为冻土，冻土含盐碱程度低，取出的岩心成形，融化后呈淤泥状坍塌。由于盐水冲洗液会加速冻土融化，为保证钻孔孔壁稳定，在钻遇漂石、卵石地层时采用淡水配备细分散冲洗液钻进。遇松散泥沙状地层时干钻取心钻进，钻进时严格控制进尺深度，避免钻进的高温融化岩心和孔壁，提钻取心时需保证孔内冲洗液液面高度，避免压力失衡孔壁坍塌。钻至51.99 m时成功穿过冻土层。施工使用的冲洗液基本情况如
| 孔段/m | 冲洗液类型 | 冲 洗 液 配 方 | 马氏漏斗黏度/s | 应用效果 |
|---|---|---|---|---|
| 0~5.2 | 低固相 |
1 | 38~42 | 钻孔融冻坍塌,钻进至孔深5.2 m时无法加杆 |
| 5.2~51.99 | 细分散 |
1 | 55~60 | 成功穿过冻土层 |
钻进至孔深51.99 m时，取出岩心为雀摸错组紫红色粉砂质泥岩，穿过冻土层，为防止冻土层坍塌，下入Ø168 mm套管换径，使用S口径绳索取心钻进，考虑地层可能变换，继续使用细分散冲洗液，由于地层强造浆，造成冲洗液黏度和密度增大，同时，S口径内总成和3 m岩心总质量>150 kg，造成绞车打捞内管时在抽吸和内管重力双重作用力下负荷超过额定工作负荷，取心打捞内管总成阻力大，绞车行星轮、制带磨损严重。钻进至172.98 m时由于准备的Ø146 mm套管数量不能满足继续钻进的需要，下入套管后换P口径绳索取心钻进，采用低固相冲洗液，在施工时能有效抑制地层造浆，冲洗液浓度及密度降低，钻进口径变小内管质量减轻，打捞内管的辅助时间比S口径节约1/3。根据使用不同冲洗液钻进效率数据对比（见
| 孔段/m | 孔段长度/m | 冲洗液类型 | 冲 洗 液 配 方 | 马氏漏斗黏度/s | 纯钻时间/h | 平均钻速/(m· |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 50.10~172.98 | 122.88 | 细分散 |
1 | 55~60 | 136 | 0.90 |
| 172.98~298.15 | 125.17 | 低固相 |
1 | 32~40 | 77 | 1.62 |
钻至孔深298.15 m时出现明显变层，由较为完整的粉砂质泥岩变成破碎砂岩，钻至孔深300.35 m出现涌水，开始涌水量0.8
为顺利通过涌水地层，采用Ø114 mm钻杆+Ø122 mm管靴做套管跟管，H口径绳索取心钻进，但在钻进至337.64 m时涌水量高达42
图2 第三次跟管钻进Ø122 mm取心钻头入孔前后对比
Fig.2 Comparison before and after the third time using a Ø122mm coring bit casing while drilling
再次配备Ø114 mm钻杆+Ø122 mm管靴进行第四次跟管钻进，在连接处加以焊接，防止管靴脱落，下钻至309 m时无法正常下放后，采用H口径绳索取心钻具内掏扫孔，捞取坍塌岩块，Ø114 mm绳索取心钻杆当套管跟管至原Ø122 mm孔深位置，继续跟管钻进，至380.5 m时有效封隔住300.35~378.9 m段透水涌水破碎孔段，由于地层破碎继续跟管钻进，钻孔在413.45 m开始出现新的涌水层，最大涌水量达30
根据先后4次跟管钻进的数据对比分析（见
| 孔段/m | 取心钻进钻具组合 | 跟管钻具组合 | 跟管方法 | 跟管深度/m | 进尺/m | 施工时间/h | 平均钻速/(m· | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 321.45~337.64 | Ø89 mm钻杆+H规程绳索取心钻具+Ø98 mm金刚石钻头 | Ø114 mm钻杆+Ø122 mm管靴 | Ø114 mm下钻至坍塌处（293 m），Ø122 mm管靴扫孔后，采用H口径绳索内掏进尺 | 8.03 | 16.19 | 144 | 0.112 | |
| 337.64* | Ø114 mm钻杆+Ø118 mm弹卡挡头+Ø122 mm绳索取心钻头 | Ø114 mm下钻至坍塌处（293m），Ø122 mm绳索钻头扫孔至297 m，H口径绳索透Ø122 mm钻头内掏 | 0 | 0 | 120 | 0 | Ø122 mm钻头扫脱 | |
| 337.64~340.64 | Ø114 mm钻杆+Ø118 mm弹卡挡头+Ø122 mm绳索取心钻头 | 钻头接头处焊接，Ø114 mm下钻至坍塌处（300 m），Ø122 mm绳索钻头扫孔至309 m，HQ绳索透Ø122 mm钻头内掏进尺 | 0 | 3 | 168 | 0.017 | Ø122 mm钻头胎体损坏 | |
| 340.64~416.24 | Ø114 mm钻杆+Ø122 mm管靴 | 管靴接头处焊接，Ø114 mm下钻至坍塌处（309 m），H口径绳索内扫孔后，Ø122 mm管靴再跟管，边钻进边跟管 | 86.76 | 75.6 | 245 | 0.308 | 单个管靴有效跟管86.76 m | |
| *337.64 m处钻遇涌水层，造成孔塌，无有效进尺。 | ||||||||
施工至涌水地层时，当涌水量>20
钻孔涌水较大时无法正常接蘑菇头，严重影响提下钻工作。采用在蘑菇头处加一个钻杆公接头，保证接头的提拉强度前提下，在接头周围开1个窗口进行泄压加戴蘑菇头，同时可在开窗处焊接一个球阀，在提下钻时戴上蘑菇头后关闭球阀即封住涌水，可有效防止喷涌水给提下钻带来的影响，开窗蘑菇头如
图3 开窗蘑菇头
Fig.3 Side opening joint adaptor
由于钻孔多段涌水量较大，当跟进完Ø114 mm套管后，Ø114 mm套管与Ø146 mm套管间涌水出来后会与管内冲洗液汇合，造成冲洗液稀释和污染。在现有条件下在Ø114 mm套管接头外端焊接一个S150坐环，在坐环处加一个轮胎内胎制作的密封垫作为内阻水装置，在外Ø146 mm套管接头处开窗焊接一个水管接头内阻外排对涌水和冲洗液进行分流（见
图4 堵水分流接头
Fig.4 Joint for water shutoff and diversion
该地区以往没有深孔钻探经验，参照以往浅钻的经验及相关规
图5 钻孔孔深结构示意
Fig.5 Well configuration
设计要求全孔平均岩心采取率≮80%，实际全孔平均岩心采取率为82.76%；钻孔终孔顶角为1.46º，最大顶角为2.95°。钻孔各项质量指标均符合要求，经验收评定为合格。
（1）在高原高寒地区进行钻探作业时，应充分考虑钻遇冻土地层易融冻坍塌，在钻进时可采用短行程干钻取心，尽量避免冲洗液侵蚀和钻进时扰动地层造成融冻坍塌。
（2）涌水地层一般裂隙发育较强，地层破碎，易造成冲洗液稀释和漏失，钻孔坍塌和掉块。如涌水层较厚采用冲洗液或水泥灌注难以封堵时，建议采用导流泄压、重力加杆等方法顶涌钻进快速穿过涌水地层，并采用套管封隔，或者采用跟管钻进。
（3）在无人区进行工程施工，应充分考虑通信、医疗、救援、保障等困难，尽量选择窗口期进行设备管材进出场运输，备足易坏易损耗材，避免因运输陷车、设备维修待料等停待造成施工期延长，施工成本增加。
（4）在涌水、破碎、漏失等复杂地层钻进时，由于地层复杂，施工效率低，管靴使用寿命有限，跟管距离短。可研究适用复杂地层的绳索打捞或不提钻换钻头孔底动力跟管钻具，以减少提下钻对孔壁的破坏和解决钻头寿命短造成跟管距离有限等问题，进而提高施工效率。
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