摘要
在南方丘陵地区实施系列地质岩心钻探项目过程中，遇到了多项技术难题，包括岩溶空腔区的溶洞穿越、孔底失返层的安全钻进、松散泥砂砾石层的取心难题、水敏地层的钻进困难、强造斜地层的稳斜钻进以及深切割区的搬迁困难等问题。针对以上难点，分别采取以下技术措施：（1）“双套管+半填充”的方式穿越溶洞；（2）“顶漏+封堵+润滑钻具”的综合技术措施以保证安全钻进；（3）采用了超前取心跟管钻进工艺以及多级套管护壁技术，创新应用了光圈收敛式特种取样钻具和伸缩式漏液接头，显著提高了岩心采取率；（4）采用了低固相抑制性防塌冲洗液，并通过加强固相控制、降低转速、减少回次进尺、套管快速支护响应等综合手段，保障了孔壁的安全；（5）采用了基于连续梁绳索取心钻具力学模型的计算方法，配合“低压吊打”和钻机地基加固、提升同心度等措施，达到了防斜打直的目的；（6）探讨了无人机高效搬迁方案。本文成果为类似环境和复杂地质条件下的钻探施工提供了重要的参考。
我国在战略性矿产资源方面面临着对外依存度较高的风险，自主保障能力相对不足，供应安全风险较
在这一背景下，中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心（以下简称“长沙中心”）作为钻探工作的重要技术力量，承担了局属专业中心东南片区部分岩心钻探工作，旨在支持战略性矿产资源调查、区块优选评价以及靶区查证等关键任务。在实施钻探支撑项目的过程中，遇到了许多南方丘陵地区特有的、具有代表性的钻探施工难题，例如岩溶区溶蚀洞隙发育，地形切割剧烈导致搬迁困难，地下水疏干区大段孔底失返，洞庭湖区第四系厚覆盖层施工难题等。
2024年度，长沙中心全年承担的岩心钻探工作量为16450 m。，包括东部地区战略性矿产靶区查证技术支撑（长沙中心）项目，承担13000 m的地质岩心钻探工作量，主要支持中国地质调查局南京地质调查中心（以下简称“南京中心”）、中国地质科学院矿产资源研究所（以下简称“资源所”）、中国地质调查局武汉地质调查中心（以下简称“武汉中心”）3个局属单位的10个矿产调查项目的地质岩心钻探工作，项目分布在湖南、湖北、江西、浙江、广西5个省（区）的10个工作区。另外，长沙中心其他项目设计地质岩心钻探工作量3450 m，这些工作量分布在湖南、广东两个省的8个工作区。
在执行以上项目的过程中，根据每个项目的地质设计和技术要求，结合当地的地形条件和钻孔地质条件，采用履带式全液压钻机或便携式全液压钻机进行施
| 序号 | 名 称 | 型 号 | 数量/台 | 性 能 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 全液压岩心钻机 | CSD1800X | 1 | 施工深度1700 m（N口径） |
| 2 | 全液压岩心钻机 | CSD1300G | 1 | 施工深度1000 m（N口径） |
| 3 | 便携式液压钻机 | MD800 | 2 | 施工深度600 m（N口径） |
| 4 | 便携式液压钻机 | MD1000 | 2 | 施工深度800 m（N口径） |
| 5 | 钻井液离心机 | TGLW220 | 2 | 钻井液处理量1.5 m³/h |
| 6 | 钻井液离心机 | TGLW350 | 1 | 钻井液处理量6 m³/h |
| 7 | 电子多点测斜仪 | RTE-II | 6 | 工作温度-10~+125 ℃ |
| 8 | 小型发电机 | KAMA | 6 | 7.5~10 kW |
| 9 | 液压拔管机 | 1 | 起拔力1000 kN |
截至2024年11月，使用便携式钻机完成钻孔34个，全液压钻机完成钻孔12个，两种类型设备在施工效率、处理复杂能力、能耗方面各有利弊。便携式钻机采用薄壁系列钻杆钻
| 序号 | 钻机类型 | 钻机型号 | 平均设计孔深/m | 平均台月效率/m | 平均钻月实进尺/m | 平均油耗/（L· |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 全液压岩心钻机 | CSD1800X、CSD1300G | 434.62 | 739.33 | 355.41 | 9.55 |
| 2 | 便携式液压钻机 | MD1000、MD800 | 288.97 | 838.23 | 446.43 | 4.59 |
注： 经统计，支撑类项目停待周期长，台月利用率仅为52.92%。
ZK7103钻孔位于广西百色靖西市湖润镇，施工区为典型喀斯特岩溶地区（见
图 1 ZK7103钻孔附近地形地貌
Fig.1 Topography and landform near Well ZK7103
图 2 岩心上的溶隙
Fig.2 Solution crack on the core
该钻孔施工的主要难点在于：
（1）溶洞腔高度过大，且钻孔为斜孔，套管下置过程中管柱无孔壁支撑，受重力影响自然下垂，容易形成较大的拐点，示意图如
图 3 溶洞引起的钻孔弯曲示意
Fig.3 Borehole bending caused by karst caves
（2）下套管后，考虑后期套管起拔问题，不使用水泥固井。
根据钻孔实际情况，决定采用“双套管+半填充”的技术方案处理溶洞，即采用2层套管对溶洞进行封隔，在第一层套管底部及两层套管环空使用黏土球（见
图 4 黏土球堵漏材料
Fig.4 Plugging material of clay balls
该技术的优点是：
（1）使用大直径钻杆作为第一层套管封隔溶洞，利用其刚度尽量减少套管重力作用下发生的弯
（2）使用小一径钻杆作为第二层套管封隔溶洞，一方面进一步减少钻孔弯曲，另一方面减小施工钻杆与套管环空，有效控制钻杆在套管间的活动空间，提高施工钻柱的稳定性。
（3）“半填充”式固井，一方面能够达到固定套管、封堵漏失的效果，另一方面保证了后期套管能够顺利拔出。
具体操作如下：
（1）采用Ø150 mm钻头低转速顶漏扩孔至孔深67 m，将Ø146 mm管柱作为套管，确保管柱底端进入稳定地层，管柱受力稳定。
（2）采用Ø122 mm钻头低转速顶漏取心钻进至孔深84 m，然后在孔内填入黏土球堵漏材料。
（3）下入Ø114 mm钻杆并干钻扫穿孔内黏土球堵漏材料作为套管，此时Ø114 mm钻杆与Ø146 mm管柱环空中挤满堵漏材料，完成双层套管降低狗腿度和溶洞堵漏操作。
经过上述技术措施处理后，测斜显示整个溶洞段钻孔偏斜3.2°，钻孔偏斜及狗腿度在钻具安全范围内，满足要求。使用Ø98 mm绳索取心钻头钻进时冲洗液返出孔口，采用高速挡，管柱旋转稳定，进尺较好，钻至883.16 m终孔，顺利完成钻探任务。
ZK2001钻孔位于湖北大冶市金山店镇，设计为斜孔，开孔倾角75°，设计孔深900 m。施工地层钙质含量高，岩溶较发育（见
图 5 ZK2001裂隙发育段岩心
Fig.5 Core from the fracture development section of ZK2001
该孔钻进难点为：
（1）因冲洗液在孔底直接全部漏失，且漏失速度大于泵速，钻杆内冲洗液不连续，无法有效起到冷却钻头的作用，极易发生烧钻事故，钻头非正常损耗严重（见
图 6 孔底失返非正常损耗的钻头
Fig.6 Abnormal wear bits due to loss circulation at the bottom hole
（2）钻孔周边8 km内无河水等水源，施工只能使用自来水，供水水量小，无法满足钻孔漏失情况下施工需求，停钻等水时间长，且用水成本高。
（3）冲洗液漏失时，钻具与孔壁之间无润滑剂，钻具直接摩擦孔壁导致钻杆磨损大。
（4）该孔为斜孔，许多大洞隙堵漏措施（如投水泥球等）无法使用，进一步增加了堵漏工作的难度。
针对上述情况，现场采取如下措施：
（1）顶漏钻进：通过改装绳索取心内管总成到位报信机构，安装定额压力单向阀装
图 7 定额压力单向阀装置结构
Fig.7 Structure of the fixed pressure check valve device
（2）封堵：穿过漏失段后，封堵漏失层后再继续施工。对较大的溶蚀洞隙及裂隙，使用水泥浆无法堵漏时，先使用膨胀性吸水树
图 8 膨胀架桥水泥砂浆封堵效果
Fig.8 Sealing effect of cement mortar with expansion bridging material
（3）润滑钻具：在钻柱外涂抹润滑脂，从孔口滴入润滑剂降低钻柱摩
ZK2001孔上部地层采用上述方式穿越并封堵漏失层6段，长度0.5~9.3 m，均取得了较好的效果。
ZK2401钻孔位于湖南常德市安乡县，是为支撑长沙中心“洞庭湖湿地生态修复综合调查”项目，部署的一口贯穿洞庭湖区第四纪松散泥砂砾石层的标准取样钻孔，要求全孔取心，且岩心能满足年段划分、成分检测及微生物分析要求。洞庭湖区第四系覆盖层主要为砾砂和卵石，少量为粉细砂，夹黏土层，其中砾石粉砂地层成岩性差，结构松散，黏土则水敏性强，易吸水膨胀缩径，同时，岩心及孔壁易被冲洗液冲蚀，常规手段取心难度大，岩心采取率低，取心质量不高。
针对上述情况，本钻孔采取如下技术措施完成了施工任务。
（1）超前取心跟管钻进工
（2）多级套管护壁：为防止套管被松散地层“抱死”导致完钻后套管无法取出，采用Ø197 mm-Ø168 mm-Ø146 mm-Ø114 mm-Ø89 mm多级套管跟管钻进护壁，每级套管原则上≯50 m。
（3）使用光圈收敛式特种取样钻具提升取心率和取心质量：该套钻具具有特制光圈收敛式取心器（见
图 9 光圈收敛式特种取心取样钻具
Fig.9 Coring tool with aperture convergence
图10 侧开水眼钻头
Fig.10 Bit with side water hole
（4）使用伸缩式漏液接头防止抽吸作用：单管或双管取心时，钻具内充满泥质岩心，难以避免出现“提水钻”情况，一方面提钻过程将冲洗液提出造成“抽吸”作用，加剧了孔壁垮塌的风险，另一方面容易造成提钻过程中岩心被压脱出钻具。同时，还使得施工现场泥泞湿滑，不利于施工安全。针对这一问题，自行设计并加工了伸缩式漏液接头（见
图 11 伸缩式漏液接头
Fig.11 Telescopic leakage joint
通过采用上述措施，该孔共取心钻进204.7 m第四系土层，总取心率95%以上，取心质量达到设计技术要求。
“湘南常宁-江华地区锡锂多金属战略性矿产调查评价”和“湘中安化-宁乡地区矿产地质调查”2个项目，部署的6个钻孔均位于南方深切割山区，山体基岩裸露，地形条件复杂，物资倒运点至孔位高差80~460 m，直线距离1.2~2.8 km，无法使用挖机等工程机械修路和运输设备，如采用人工修路运输，费用高、效率低、安全性低，机台搬迁面临极大困难。经过调研论证，该项目采用载重无人机进行机台设备搬
以ZK20101为例，该孔位于湖南安化，设计孔深260 m，孔位距山脚物资倒运点直线距离约1.4 km，高差约90 m，无现有道路通到施工场地，人工搬运需要修建至少1.8 km施工便道（见
图 12 ZK20101人工/无人机搬迁路线
Fig.12 ZK20101 manual/drone relocation route
| 搬迁方式 | 运输总质量/t | 运输距离/km | 运输效率/d | 运输成本/万元 | 生态环境影响 | 其 他 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 人工搬运 | ≈8 | 1.8 | 10 | 6.9 | 需修建便道，破坏沿途植被 | 人员安全风险，青苗补偿协调工作量大 |
| 载重无人机搬运 | 1.4 | 2 | 5.2 | 基本无需破坏植被 | 无人员安全风险，无需开展沿途青苗补偿协调工作 | |
| 对比 | 提高500% | 降低24.6% | 更安全、省心 |
（1）人力搬迁方式劳动强度大，且当地地形复杂，多处有较高陡坎，存在人员中暑、摔伤、隐疾复发等安全隐患，同时修建施工便道，增加青苗补偿协商工作，而采用无人机搬迁，则不会产生人员安全问题，无需沿途修路。
（2）搬迁效率方面，机台设备物资总质量约8 t，雇10人运输300趟，预计人工搬运耗时10 d，而采用200 kg级无人机搬迁，飞行运输92次，仅2 d便完成搬运，效率提升5倍；
（3）运输成本方面，采用人力搬迁，雇工100人×天，按市场行情340元/人天计算，费用为3.4万元，同时10天的搬迁过程中还需机台人员进行设备拆解捆绑和通行保障，产生费用约3.5万元，费用共计6.9万元；而采用无人机搬迁，无人机租赁服务费4.5万元，机台人员2 d产生费用0.7万元，共计为5.2万元，成本降低1.7万元。
最终，该项目用2天时间使用无人机完成全部搬迁工作（见
图 13 无人机搬迁照片
Fig.13 Photo of drone relocation
湖南永州市冷水滩区锰锑多金属矿区多个钻孔钻遇炭质、炭泥质松散破碎地层，该套地层节理发育，胶结差，水敏性极强，孔壁易缩径垮塌。通过多个钻孔的探索，施工队伍总结出一套可行的技术措施，成功完成相关钻探任务。具体技术措施如下：
（1）使用低固相抑制性防塌冲洗
（2）控制好冲洗液固相含
（3）低转速钻进，减少回次进尺：因岩心钻探钻机转速较高，当冲洗液中固相含量较高时，会有固相受到离心力作用黏附在钻杆内壁上，致使打捞内管时打捞器下放困难。因此，钻进时应适当降低转速以减少离心力，同时减少回次进尺，由3 m取一次心变为1.5 m取一次心。
（4）及时用套管支护：使用冲洗液可以有效抑制地层垮塌，一般可以把垮塌周期从1 d延缓到7~10 d，但裸眼时间时过长仍可能发生缩径或剥落卡钻甚至埋钻事故，因此应及时使用套管支护。如果短期内能够钻穿水敏地层，则可在钻穿后立即下套管；如果水敏地层厚度大，短期内无法钻穿，则应在进入水敏地层7~10 d内下套管，换径继续钻进。
通过上述综合措施，钻探队伍完成了全部6个钻孔的施工任务，最深孔深491.3 m，平均日进尺高达46.1 m，未发生孔内事故。
支撑武汉中心“鄂东南地区铜铁金多金属战略性矿产调查评价”项目，部署的ZK8001设计孔深900 m，设计方位角229.85°，倾角76.38°。该区域内地层倾角变化大，40°~80°左右，岩石各向异性强，上部出现多段软硬交替的岩层，钻孔易跑斜。根据钻前调研，某临孔终孔孔深800 m，倾角偏斜2°，方位角偏斜>40°（见
图14 临孔钻孔轨迹
Fig.14 Trajectory of a adjacent well
为保证钻孔质量，项目组采取了以下措施。
（1）在施工工艺上，应用了长沙中心取得的专利技术成果“基于连续梁绳索取心钻具力学模型的计算方法
（2）重视钻前工程，一是在钻机动力头底座、液压支撑油缸以及履带等支撑区域下方用混凝土、石块加固，保证钻机基础稳固；二是改进全液压钻机动力头主轴，由分体插接式调整为丝扣整体连接式，提升主轴同心度；三是扩孔钻进时安装导正装置；四是全孔段加密测斜，以便根据孔斜情况调整钻进参数或纠正孔斜。
ZK8001钻孔轨迹数据见
| 孔深/m | 顶角/（°） | 方位角/（°） | 顶角偏斜/（°） | 方位角偏斜/（°） | 顶角偏斜率/[（°)·（100 m | 方位角偏斜率/[（°)·（100 m |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 13.62 | 229.85 | 0 | 0 | ||
| 25 | 14.00 | 230.27 | 0.38 | 0.42 | ||
| 50 | 13.92 | 228.40 | 0.30 | 1.45 | ||
| 100 | 13.82 | 227.98 | 0.20 | 1.87 | 0.200 | 1.8700 |
| 150 | 13.92 | 228.46 | 0.30 | 1.39 | ||
| 200 | 14.10 | 228.20 | 0.48 | 1.65 | 0.2400 | 0.8250 |
| 250 | 14.55 | 229.25 | 0.93 | 0.60 | ||
| 300 | 15.14 | 227.20 | 1.52 | 2.65 | 0.5100 | 0.8800 |
| 350 | 15.51 | 227.22 | 1.89 | 2.63 | ||
| 400 | 16.29 | 227.00 | 2.67 | 2.85 | 0.6675 | 0.7125 |
| 450 | 17.07 | 226.43 | 3.45 | 3.42 | ||
| 500 | 17.64 | 224.17 | 4.02 | 5.68 | 0.8040 | 1.1360 |
| 550 | 17.89 | 221.94 | 4.27 | 7.91 | ||
| 600 | 17.93 | 221.68 | 4.31 | 8.17 | 0.7200 | 1.3600 |
| 650 | 18.64 | 220.08 | 5.02 | 9.77 | ||
| 700 | 18.83 | 217.80 | 5.21 | 12.05 | 0.7400 | 1.7200 |
| 750 | 18.81 | 216.98 | 5.19 | 12.87 | ||
| 800 | 19.32 | 213.50 | 5.70 | 16.35 | 0.7100 | 2.0400 |
| 850 | 19.38 | 212.80 | 5.76 | 17.05 | ||
| 900 | 19.23 | 212.84 | 5.61 | 17.01 | 0.6200 | 1.8900 |
（1）因地制宜采取护壁堵漏措施能更好的提升钻孔施工成功率。钻遇岩溶区易发育溶洞、溶蚀层等失返漏失、孔壁弱支撑层位，宜采用套管、双套管与堵漏材料填充结合的方式处理；钻遇连续性、间歇性破碎失返漏失层段，宜采取一定措施顶漏强钻通过并使用复合材料与水泥砂浆封堵的方式处理。
（2）便携式钻机具有较高的钻进效率，能耗明显低于传统履带式全液压钻机，其模块化设计使得整体结构简单，运输和安装较为便捷，采用载重式无人机搬迁的方式尤其适用于南方植被茂密覆盖丘陵区和深切割山区，可显著提升机台搬迁效率。但是，便携式钻机由于其自身结构特点，应对复杂地层能力偏弱，且只适用于小直径中深孔及浅孔，而深孔和大直径钻孔施工能力不足。
（3）洞庭湖区等第四系土层厚覆盖区开展取心钻探施工，可采用多层套管跟管钻进提升钻孔成功率，使用光圈收敛式特种取心取样钻具能显著提升岩心采取率和取心质量，并应用伸缩式漏液接头避免“提水钻”带来的危害。
（4）对于强水敏地层的施工，需要采用低固相抑制性防塌冲洗液，加强固相控制，降低转速，减少回次进尺，及时用套管支护等综合手段。
（5）应用“基于连续梁绳索取心钻具力学模型的计算方法”专利技术，配合“低压吊打”和地基加固、提升同心度等技术措施，能较好的应对强造斜地层钻孔跑斜问题。
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