摘要
湘南3000 m科学深钻为湖南首个3000 m地质岩心钻探特深孔，位于复杂褶皱转折带，钻遇了粘土缩径、全孔漏失、水敏性坍塌缩径和垂直节理发育坍塌等多种复杂地层，发生多次孔内事故。针对卡钻和塌孔等主要孔内事故，优化钻孔结构、冲洗液体系和钻具组合，采用侧钻绕障、循环捞砂、成膜冲洗液护壁和水泥浆护壁等多种技术措施，有效应对施工中的各种难题。终孔孔深3008.93 m，平均岩心采取率98.16%，实现了预期目标，为该区深部矿产成矿理论研究及资源勘查，提供了合格的地质钻孔和实物岩心资料。
“深孔钻探验证与探测技术示范——湘南3000 m科学深钻（ZK16508孔）项目”为国家重点研发计划深地资源勘查开采重点专项“钦杭成矿带湘南段铜锡多金属矿产深部探测技术示范”的下设子课题，项目设计孔深3000 m，实际终孔孔深3008.93 m，终孔孔径76 mm，全孔平均岩心采取率98.16%。是湖南省首个3000 m地质岩心钻探特深孔。钻孔自1716.90~2734 m期间恰好位于测水组地层由倒转背斜的倒转翼转为陡倾的向斜翼，直至2734 m左右才穿过石炭系测水组地层。钻探揭露的1716.90 m以深的测水组地层岩性以薄—中厚层状粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主，夹炭质泥岩、钙质泥岩、泥质灰岩及灰岩，岩石中的泥质、粉砂质及钙质含量变化较大，常出现过渡性岩性组合，有时同一岩层出现由泥岩过渡至泥质灰岩的现象，岩性组合极其复杂。该项目创造了在南方深部连续软弱复杂岩层中完成超长钻进的先例，实现了湘南地区深部探测技术示范，为国家深部资源勘查开采提供了技术支撑，实现了铜、锡等国家紧缺资源增储示范效果，取得了找矿重大突破。
ZK16508孔位于坪宝地区，该地区处于耒阳-临武南北向构造带的中段，属马田-临武帚状构造的一部分。平面上为一系列南北向-北北东-北东向的紧密线状褶皱和逆冲断裂组成向北撒开、向南收敛、北宽南窄、向北西微凸的弧形褶断带。同时在东南方侧向挤压应力作用下，伴生了一系列北西-北西西向的横断层。这些大致等距分布的横断层与南北向-北北东向-北东向的逆冲断层相互交织成网格状构造格架。在剖面上，由一系列褶皱与上陡下缓的逆冲断层群组成叠瓦式推覆构造体系。褶皱构造多为紧密的线状斜歪或倒转褶皱，西部褶皱轴向近南北，往东逐渐转为北北东或北东。受走向断层破坏使大多数褶皱不完整。区内主要褶皱自西向东有：（1）斜角岭-中和圩向斜，（2）朝东寨-洞水塘背斜，（3）金子岗-昭金祠复向斜，（4）石碗水-杉山复背斜，（5）桂阳林场-方元复向斜，（6）桂阳-下高头岭复背斜，（7）黄腊塘-神下东复向斜，断裂构造十分发
ZK16508孔揭露的地层有第四系、下石炭统梓门桥组、测水组和石磴子组。其中，第四系地层主要为粘土。下石炭统梓门桥组由浅灰色白云岩、灰—深灰—灰黑色细晶白云岩和碎裂白云岩组成。石磴子组地层的岩性主要由不同组分的碳酸盐岩组成，包括细晶灰岩、泥晶灰岩、碎裂灰岩以及少量的炭质泥岩、白云质灰岩、灰质白云岩等，测水组地层的岩性主要包括炭质泥岩、含粉砂质炭质泥岩、含泥炭质细—粉砂岩和含泥炭质灰岩等。
钻机采用XD-30DB型岩心钻机（见
图1 XD-30DB型顶驱钻机
Fig.1 XD-30DB top‑drive rig
| 序号 | 项目 | 参数项 | 参数值 |
|---|---|---|---|
| 1 | 钻进能力 | Ø89绳索钻杆/m | 3000 |
| Ø114绳索钻杆/m | 2200 | ||
| 2 | 钻塔 | 井架型式 | K型 |
| 钻塔高度/m | 29 | ||
| 钻塔载荷/kN | 900 | ||
| 3 | 顶驱 | 驱动型式 | 交流变频直驱 |
| 电机额定功率/kW | 2×55 | ||
|
转速/(r·mi | 0~650 | ||
| 最大扭矩/(kN·m) | 8 | ||
| 通孔直径/mm | 445 | ||
| 4 | 主绞车 | 最大输入功率/kW | 160 |
| 单绳最大拉力/kN | 125 | ||
| 5 |
泥浆泵 （备用一台） | 驱动型式 | 交流变频 |
| 型号规格 | BW300/16B型 | ||
|
最大流量/（L·mi | 300 | ||
| 最高压力/MPa | 16 |
ZK16508孔于2019年9月7日开钻，2022年4月15日终孔，孔深为3008.93 m。钻孔施工期间在孔深0~1716.90 m之间遇多层全孔漏失、坍塌掉块、缩径卡钻的岩层，下4层套管隔离。钻进到1716.90 m之后一直在测水组（C1c）薄层状角岩化泥质粉砂岩、角岩化含炭含粉砂泥岩、绢云母（二云母）角岩夹灰岩透镜体等岩性地层中钻进，垂直节理发育，水敏性缩径坍塌，卡钻、埋钻事故频发，严重影响施工效率，先后5次侧钻作业，采用复合钻进工艺方法终
图2 ZK16508孔钻孔结构
Fig.2 Drilling structure of ZK16508
2020年5月3日，Ø98 mm绳索取心钻具（Ø98 mm绳索取心钻头+下扩孔器+Ø91 mm绳索取心外管总成+上扩孔器+Ø89 mm绳索取心钻杆）钻进至孔深1928.32 m，钻具悬重195 kN，白班接班取心后，慢速扫孔（转速40~50 r/min）至孔深1928.12 m，扭矩激增至4 kN·m（正常钻进约1.2 kN·m），憋泵，停泵卸压后，边回转边上提钻具，距离孔底约1.0 m遇阻，上下活动、旋转无效后，强拉至300 kN，钻杆在1772.62 m处反开（丝扣无损坏）。经判断，钻具已经卡死，如果再次下钻对扣，拉动的可能性不大，而且有再次反开的风险。因此，决定下水力割刀割断钻杆，逐步打捞孔内钻杆。
（1）地层原因：从孔深1720 m开始，地层以灰岩、泥岩为主，垂直节理发育，孔壁岩石应力释放及受到孔内冲洗液的“激动”压力容易块状剥落，从1812m开始，每回次钻进需扫孔4~5 m才能到底，地层的不稳定是导致卡钻的主要原因。地层岩心见
图3 孔深1770~1820 m垂直节理裂隙发育地层岩心
Fig.3 Cores from vertical joint and fracture developed formation at depth of 1770m to 1820m
（2）疫情影响：由于疫情影响，2020年1—3月，钻孔在孔深1812 m处停待近3个月，孔内冲洗液无法正常循环，起不到很好的护壁效果，导致1720~1812 m破碎地层更加不稳定。
（1）在该事故发生前，在孔深1812 m以深，连续发生几次掉块卡钻事故，冲洗液泵泄压后，通过强拉硬扭能够解卡，为了追求进度，冒险继续钻进造成本次卡钻事故。
（2）未及时采用水泥灌浆技术封孔来维护孔壁稳定。
（3）冲洗液性能未能达到预期（见
| 冲洗液体系 | 冲洗液配方 | pH值 | 马氏漏斗粘度/s | 相对密度 | API滤失量/mL | 泥皮厚度/mm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 低固相聚合物体系 | 水+0.05%~0.1%烧碱+2%~4%膨润土+1%~2%褐煤树脂+2%~5%防塌剂+0.1%~0.2%增粘剂+0.1%~0.2%包被剂 | 9~11 | 35~45 | 1.04~1.06 | 8~15 | 0.3~2 |
2020年7月16日，Ø98 mm绳索取心钻具钻进至孔深1937 m，钻具悬重195 kN，白班回次进尺结束上提钻具，上提过程扭矩不稳，逐渐增加至4 kN·m（从1914 m开始，正常钻进扭矩从1.2 kN·m增加至1.4 kN·m）。钻具上提至离孔底1 m泵压激增，停泵后，泵压不降，扭矩不降。泄压后上下活动钻具，回转钻具无效，强拉至350 kN仍无法解卡，经判断，钻具已经卡死，决定采取先拉紧钻具反开，再采用水力割刀处理孔内剩余钻具。
上次绕钻后，1783~1865 m孔段采用了水泥灌浆封孔，稳定住地层，但是从1865 m以后地层垂直节理裂隙发育加重，回次进尺岩心管上部有上部地层掉块（无水泥块）。从1932 m开始岩心中的泥质含量增高，又极易缩径造成卡钻事故。
事故发生以后，钻杆在孔深1814 m反开，孔内剩余事故钻杆及钻具123 m，采用水力割刀配合打探矛2次取出70 m事故钻杆（见
图4 水力割刀割断的事故钻杆
Fig.4 Drill pipe section cut by the hydraulic cutter
钻孔从1720 m以后出现垂直节理裂隙，1720~1920 m未见完整地层，施工中经常发生掉块卡钻，每回次进尺取心后，需扫孔才能到底，扭矩比回次钻进结束有所增加，孔内坍塌严重，沉渣多且密度大（现场测试密度≥3.59 g/c
图5 捞取的孔底沉渣
Fig.5 Settlements from the bottom of the hole
从孔深1922 m开始采用异径钻具（Ø75 mm/Ø98 mm钻头+变丝扩孔器+Ø75 mm绳索取心钻具总成+Ø71 mm绳索取心钻杆90 m+Ø71 mm/Ø89 mm钻杆变丝+Ø89 mm绳索取心钻杆）钻进，同时优化冲洗液性能，采用水泥封孔、干烧等多种措施坚持施工至孔深1947 m，地层更加破碎，岩心水敏性增强，极易缩径，孔内沉渣愈发严重，正常钻进取心后无法扫到孔底，离孔底4.5 m就别车、憋泵严重，坚持钻进至1955 m岩心仍为粉末状（见
图6 孔深1947~1955 m岩心照片
Fig.6 Cores from 1947m to 1955m
1962 m发生塌孔事故后，在1916 m进行第三次绕钻，采用全面钻进工艺，钻进至2141 m，下入Ø91 mm套管
下Ø91 mm套管隔离上部复杂地层后，采用Ø76 mm绳索取心钻进工艺，钻进至2200 m，再次出现破碎地层，孔内掉块卡钻、别车憋泵。其中2201~2209 m孔段钻遇严重破碎带，别车、憋泵，每次提钻后需在该孔段扫孔，坚持钻进至2236 m（其中在2214、2236 m发生两次断钻杆事故，打捞事故钻具需上划眼）。处理完断钻杆事故后，在2201 m下钻下不去，在该孔段采用多级扩孔器钻具、取粉钻具、绳索取心反循环、单管局部反循环、干烧、封孔等措施，均无法通过，最终进行第五次侧钻，在2171 m处侧钻成功后换全面钻进工艺钻进至终孔。
（1）复杂的地层条件是发生塌孔事故的主要原因，地层水敏性强、胶结差，是造成塌孔事故的直接原因。
（2）钻遇易塌孔孔段，冲洗液的失水量、密度、流变性满足不了要求，无法平衡地层压力，是造成塌孔的外因。
（3）地质岩心钻探钻孔环空间隙小，为了平衡地层压力，势必提高冲洗液密度，造成冲洗液流变性能变差，正常钻进泵压高，停泵以后“激动”压力大也是造成塌孔的外因。
（4）频繁提下钻，钻具对孔壁的抽吸作用，也是造成钻孔塌孔的外
塌孔事故处理主要从3方面着手，一是减少孔壁坍塌，二是处理孔底坍塌后的沉渣，三是下套管或水泥灌浆护孔。采取的技术措施主要有：
（1）优化冲洗液性能，减少孔壁坍塌。
针对1720~1920 m孔段出现的垂直节理裂隙坍塌地层，主要采用低固相聚合物冲洗液体系，加大冲洗液密度平衡地层应力，同时加大封堵材料、防塌材料用量，降低孔壁掉块风险，采用该冲洗液体系，孔内掉块情况明显减少。
针对1947~1955 m孔段出现破碎严重的水敏性地层，主要采用成膜体系冲洗液，该类型冲洗液对于破碎严重地层能有效形成硬膜（见
图7 成膜体系冲洗液浸泡的岩样
Fig.7 Rock samples soaked by low solid film‑forming drilling fluid
| 冲洗液体系 | 冲洗液配方 | pH值 | 马氏漏斗粘度/s | 相对密度 | API滤失量/mL | 动切力/Pa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 低固相聚合物体系 | 水+0.05%~0.1%烧碱+2%~5%膨润土+2%~3%降失水剂+2%~5%防塌剂+2%~5%封堵剂+0~2%随钻堵漏剂+0.1%~0.2%增粘剂+2%~5%超细碳酸钙+0.1%~0.2%包被剂 | 10~12 | 40~50 | 1.08~1.18 | 8~12 | 3~6 |
| 成膜体系 | 水+0.1%~0.2%烧碱+2%~5%成膜A剂+2%~5%成膜B剂+0~5%封堵剂+0~2%随钻堵漏剂+2%~3%降失水剂+0.2%~0.4%增粘剂+0.1%~0.2%包被剂+0.05%~0.1%黄原胶+2%~5%超细碳酸钙 | 11~13 | 34~45 | 1.10~1.18 | 5~8 | 5~12 |
（2）通过取粉管、取粉钻具、干烧等方式处理孔底沉渣。
小口径钻探受钻孔环状间隙限制，许多大颗粒岩屑无法通过环状间隙返出，大量岩屑在孔底堆积，造成泵压升高、扭矩增大，更加严重的情况出现别车、憋泵，无法正常钻进。因此，在1944~1949 m、2201~2220 m等孔段多次采用取粉管、取粉钻具、干烧捞渣的方式清理孔底。
（3）优化深孔水泥灌浆封孔工艺，提高封孔质量。
深部塌孔地层，处理掉孔底沉渣后，采用G级油井水泥，添加水泥外加剂、精确控制替浆水量等方式提高水泥强度，形成人造孔壁。
（4）当地层已经发生大规模坍塌，上述措施效果不理想的情况下，采用螺杆钻具进行侧钻作业、绕过坍塌地层。
针对施工过程中遇到的复杂情况，现场多次召开钻探技术研讨会，从钻孔结构、冲洗液体系、钻进工艺等方面采取相应的应对措
根据提供的地质资料，钻探设计采用五开钻孔结构，但是在三开316 m处发生卡钻断钻杆事故，孔内情况复杂，为了上部钻孔安全及为下部钻孔施工留有套管余地，在该开次增加Ø150 mm口径，钻孔结构由五开增加到六开，来保障下部施工。
针对1720~1920 m孔段出现的垂直节理裂隙地层，主要采用低固相聚合物冲洗液体系，针对1947~1955 m出现破碎严重的水敏性地层，主要采用成膜体系冲洗液，同时现场建立简易冲洗液测试台，及时测试冲洗液性能并进行调整，同时配备了离心机，做好冲洗液净化工作（见
图8 现场配备离心机及搭建的简易冲洗液测试台
Fig.8 Centrifuge and the simple mud test bench
provided for site use
采用异径钻具（见
图9 特制异径钻具及钻头
Fig.9 Special small‑diameter drill string and drill bit
钻孔进行第三次侧钻作业后，在1916~2141 m，孔内沉渣变多，异径钻具钻进困难，孔内掉块严重，采用全面钻进工艺（Ø60 mm石油钻杆+Ø98 mm全面钻头钻进）。
钻孔在2171 m处第五次侧钻作业后地层还是以节理发育的泥岩、页岩为主，坍塌严重，回次进尺需扫孔到底，憋车憋泵，进度缓慢。考虑到钻孔安全采用Ø76 mm全面钻头加特制石油钻杆全面钻进工艺，提高环状间隙，增强冲洗液性能，降低卡钻风险。
现场多次组织行业专家进行技术指导，先后进行5次侧钻作业，并最终采用特制的石油钻杆加PDC钻头全面钻进，通过加大环状间隙，顺利完成钻探施工任务。以第三次侧钻作业为例，作业流程为：查看地层情况确定造斜孔段→水泥灌浆制造人工孔底→下螺杆钻具侧钻→下绳索取心钻具取心验证是否侧钻成功。
根据地层情况，确定侧钻孔段控制在1850~1870 m之间，因此加工木头塞子在1870 m架桥，然后采用水泥灌浆封孔1800~1870 m。封孔候凝72 h后下钻透水泥，水泥强度能支撑钻杆柱质量即可，一直透水泥至1850 m。
侧钻钻具组合：Ø98 mm金刚石造斜钻头+5LZ73×7.0×1.5°弯螺杆+Ø89 mm绳索取心钻杆。下钻至孔底0.5~1.0 m开泵冲孔，接触孔底前轻压慢放，在钻具接触孔底开始工作后固定机上钻杆不得回转。从孔深1850 m开始侧钻，泵量控制在120~180 L/min，进尺速度控制在0.2~0.3 m/h。进尺约1 m后，钻具处于悬停状态，磨孔1~2 h啃台，然后再正常钻进。随着侧钻进尺增加，查看孔口循环槽岩屑情况，从岩屑返出情况判断侧钻情况。历时35 h造斜进尺5.0 m，孔深1855 m。提钻后造斜钻头中心有小岩心柱，为了判断侧钻情况，下Ø98 mm绳索取心钻具钻进2.0 m后取心，取出完整岩心，侧钻成功。侧钻采用的螺杆钻具及造斜钻头如
图10 侧钻采用的螺杆钻具及造斜钻头
Fig.10 PDM and the deflecting bit used for sidetracking
（1）深孔钻探施工技术方案要在了解详细的地质情况下进行设计，深部地层情况不明的情况下尽量取得详细的物探资料，如没有详细的物探资料，钻孔结构设计要为深部不可预见地层留有足够的套管程序。
（2）低固相成膜冲洗液具有较好的护壁性、润滑性和流变性，减轻了钻孔测水组地层水敏坍塌掉块，较好地解决了超深孔小口径连续取心钻进的难题。
（3）深部复杂地层钻进，不能过分追求进度，在没有套管硬护壁的前提下，水泥封孔能起到一定的护壁效果，只有牺牲进度来保证孔内安全。
（4）当深孔钻探孔内发生卡钻、坍塌、落物等复杂孔内事故无法处理时，采用螺杆钻具侧钻技术绕过事故孔段是有效的解决方案。
（5）湘南3000 m科学深钻顺利终孔，孔深3008.93 m，创造了湘南地区小口径固体矿产勘查孔深纪录，实现了预期目标，为该区深部矿产成矿理论研究及资源勘查提供了合格的地质钻孔和实物岩心资料。
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