摘要
小秦岭国家级整装勘查区综合物探科研钻探专项，旨在查清小秦岭地区深部地质结构及隐伏矿体的储存特征，因勘查区内没有施工过深孔，深部地质资料缺乏，施工未知因素较多，综合该钻探专项基本情况、地层岩性、钻孔深度及终孔直径，选择一套实用的钻探设备和以绳索取心钻进、LBM冲洗液体系为主要钻进工艺来满足施工需要；在施工过程中，遇到上部地层取心率低、涌水、吸附卡钻、掉块卡钻、孔内漏失、片麻岩地层防斜、起拔套管困难等技术问题，针对出现的技术问题，制定了切实可行的解决方案，对今后该矿区或类似地层钻探施工具有一定的借鉴意义。同时总结、形成了一套针对破碎、胶结性差地层的泥浆体系，在维护孔壁方面取得了良好的效果，有效预防深孔重大孔内事故，提高了施工效率，节约了钻探施工成本。
小秦岭整装勘查区深部地质结构及隐伏矿体综合物探普查项目，为陕西省地质勘查基金项目（项目编号：61201707319），由陕西地矿第六地质队有限公司承担，其钻探专项“小秦岭国家级整装勘查区综合物探科研第一钻”由山东省第三地质矿产勘查院负责施工，旨在查清小秦岭地区深部地质结构及隐伏矿体的基本情况，钻孔主要技术要求是：
（1）设计孔深2000 m。
（2）终孔直径≮75 mm。
（3）全孔取心，矿心及顶底板采取率≮80%，全孔采取率≮75%。
（4）钻孔弯曲度：≯1°/100 m。
该钻孔于2021年11月7日正式开钻，2022年8月17日完钻，终孔孔深2338.21 m，为目前陕西省固体矿产地质钻探领域第一深孔。施工现场见
图1 施工现场
Fig.1 Construction site
钻孔位于陕西省商洛市境内，地处秦岭南麓，因处在巡马道断裂带上，区域地质条件复杂，构造发育，岩层破碎、裂隙发育，存在钻孔坍塌、漏失、缩径、掉块等钻探难
钻孔采用四开结构。
孔口管：采用Ø172 mm孔径，钻进至8.00 m，下Ø168 mm套管，下深8.10 m。
一开：采用Ø150 mm单管、S150/122 mm绳索取心钻进至231.50 m，下入Ø140 mm套管，下深231.60 m。
二开：采用S122 mm绳索取心钻进工艺钻进至471.43 m，下入Ø114 mm套管，下深471.53 m。
三开：采用S98 mm绳索取心钻进工艺钻进至2020.20 m，下入Ø91 mm套管，下深2020.30 m。
四开：采用S76 mm绳索取心钻进工艺钻进至2338.21 m，终孔。
实际钻孔结构见
图2 钻孔结构示意
Fig.2 Drilling structure of the hole
根据钻孔基本情况、地层岩性、钻孔深度及终孔直径
开孔采用Ø172 mm单管钻具，取心钻进；一开采用Ø150 mm单管和S150/122 mm绳索取心钻进两种钻进方法，二开采用S122 mm绳索取心钻进钻进，三开采用S98 mm绳索取心钻进，四开采用S76 mm绳索取心钻进至2338.21 mm。
开孔由于钻进段浅，采用Ø172 mm钻头+Ø164 mm钻具+Ø114 mm绳索取心钻杆的简单钻具组合形式。
一开主要采用S150/122 mm绳索取心钻进，S150/122 mm绳索取心钻具是一种钻头加大的特种绳索取心钻具。即钻头外径采用Ø150 mm，而钻头内径、绳索取心钻杆柱及内管配套机具，均采用S122 mm绳索取心钻具的规格，为了钻具扶正和提高强度，钻具外管（包括扩孔器、弹卡室、弹卡挡头等）采用特种厚壁外管。钻具结构如
图3 S150/122 mm绳索取心钻具结构示意
Fig.3 Structural diagram of S150/122mm wire‑line coring tool
采用加大一级口径的优点是：首先可提高绳索取心钻杆的适用范围，实现一种钻杆满足两级口径的需要，同时还增大环空间隙，改善绳索取心钻进的水压力平衡条件。其次使套管增大一个口径级别，为施工储备一级口径。
二开、三开、四开分别采用S122、S98和S76 mm绳索取心钻具，均为常规的绳索取心钻具型式。
施工过程中钻进参数见
| 开次 | 口径/ mm | 钻压/ kN | 转速/ (r·mi | 泵量/ (L·mi |
|---|---|---|---|---|
| 孔口管 | 172 | 3~5 | 175 | 72 |
| 一开 | 150 | 3~10 | 175 | 72 |
| 二开 | 125 | 5~10 | 264 | 72 |
| 三开 | 98 | 10~15 | 264 | 42 |
| 四开 | 76 | 10~15 | 264 | 42 |
根据对地层的分析，为了保障护壁效果和满足绳索取心钻进，现场使用了LBM为主的冲洗液体系。LBM冲洗液配
0~610.00 m孔段，地层松散、破碎，胶结性差且岩石硬度低，部分孔段涌
610.00~2020.20 m孔段，地层虽破碎，但相对完整，冲洗液粘度保持在40~45 s较为合适，密度1.10~1.15 g/c
2020.20~2338.21 m孔段，由于上部套管内径较小，S76 mm钻杆环状间隙小，冲洗液流动阻力大，泵压高，一直处于漏失状态。冲洗液粘度只能保持在35 s左右，密度1.03~1.05 g/c
注意事项：
（1）使用LBM冲洗液，岩粉沉降效果一般，建议适当增长循环槽长度、增加小沉淀池数量。每隔一定时间及时清理有害固相，补充新冲洗液；如有条件，建议配备离心机。
（2）使用膨润土时，要提前水化。充分搅拌、浸泡、充分水化后（至少24 h），排队使用，加至搅拌机和其他材料混合使用。严禁将土粉直接加入搅拌机使用。
在施工过程中，遇到上部地层取心率低、涌水、吸附卡钻、掉块卡钻、孔内漏失、起拔套管困难、片麻岩地层防
8.00~231.50 m孔段，由于钻遇地层松散破碎、胶结差，采用S150/122 mm钻具，部分回次取心率低，达不到要求。后采用Ø150 mm单管钻具“干烧”的办法钻进，采取率仍不能满足要求。采用底喷和侧喷钻头（其结构见
图4 底喷钻头
Fig.4 Bottom jecting bit
钻进过程中出现多次涌水孔段，主要的涌水段见
| 序号 | 孔深/m | 涌水量/（ | 判断依据 |
|---|---|---|---|
| 1 | 322.90 | 4.50~5.00 | 泥浆池液面上升 |
| 2 | 410.60 | 5.00~6.00 | 泥浆池液面上升 |
| 3 | 427.51 | 9.00~10.00 | 泥浆池液面上升 |
| 4 | 955.00~957.00 | / | 冲洗液被稀释 |
| 5 | 966.90 | / | 冲洗液被稀释 |
| 6 | 1540.00 | / | 冲洗液被稀释 |
| 7 | 1560.00 | / | 冲洗液被稀释 |
出现涌水后，向冲洗液内添加超细碳酸钙、重晶石粉等加重材料，提高冲洗液密度，并不断循环，达到平衡后再继续施工。
孔壁失稳主要包括2种情况，8.00~610.00 m孔段地层（见
图5 上部孔段岩心
Fig.5 Core of upper hole section
2299.50~2300.72 m孔段，出现蚀变带，岩石软、碎（见
图6 2299.50~2300.72 m孔段岩心
Fig.6 Core samples from 2299.50m to 2300.72m
孔壁坍塌处理办法：
（1）使用LBM冲洗液，适当提高冲洗液粘度、密度，严格控制失水量、泥饼厚度，同时注意观察孔口、循环槽、小沉淀池岩粉沉淀情况，及时清理，最大限度保证泥浆池有害固相含量在合理范围之内。
（2）在坍塌或破碎带地层钻进时，应注意起钻时回灌冲洗液和控制起钻速度，以防压力不平衡及抽吸引起的垮塌。
全孔出现3次吸附卡钻，分别出现在150.80、209.00、1361.40 m位置。
处理办法：前两次，通过多次回转钻具、强力上顶，成功解决；第三次因钻孔较深，且修钻机停待时间较长，上提、下压、回转均不成功，冲洗液能够循环（泵压5.0 MPa），正常钻进时基本无掉块，判断为吸附卡钻，灌入8.0 m³解卡剂，通过不断循环和适当回转钻具后成功解卡，重新搅拌8.0 m³新冲洗液，替换孔内解卡剂。
钻进至1566.70、1725.00、1797.60、1876.90、1907.70、2224.65 m时，均遇到不同程度卡钻。
处理措施：回转、上下活动钻具；每回次加钻杆之前，拉起立根，上提、下放几次，让掉块落入钻孔底部，再进行加钻杆作业。
0~600.00 m孔段，地层破碎、胶结性差，出现轻微漏失现象，进行了冲洗液护壁堵
2020.20~2338.21 m孔段，进行S76 mm绳索取心钻进（Ø76.3 mm钻头，Ø76.3~76.4 mm扩孔器），上一级套管由两部分构成：0~1828.20 m孔段套管内径79.0 mm；1828.20~2020.20 m孔段套管内径76.8 mm。由于下部套管内径较小，造成环空间隙较小，上返压力较大，冲洗液一直处于漏失状态，正常钻进时漏失量1~2 m³/h。处理办法：用膨润土替代低粘增效粉，降低其它原有冲洗液材料的使用，尽可能减少因漏失而产生的冲洗液材料消耗。
钻进结束后，起拔0~2020.20 m孔段Ø91 mm套管，多次回转、上顶失败。后采用自制的水力割刀（见
图7 水力割刀
Fig.7 Hydraulic cutter
钻孔偏斜严重，不仅影响钻进效率，若偏斜超出规
预防措施：
（1）设备安装前，保证钻塔底座地基平整、稳固，确保设备安装水平，天车、立轴和钻孔中心在一条直线上，在钻进过程中要勤检查和校正立轴方向。
（2）严把开孔关，检查开孔钻具、钻杆、主动钻杆，保证弯曲变形在一定限度之
（3）换径钻进时，控制钻压、转速。
（4）每隔50 m进行测斜，测斜之前保证测斜仪器精度在合理范围之内。
（5）尽可能使用长钻具，Ø98 mm口径钻具长5.70 m。
该孔终孔顶角4.70°，片麻岩地层每100 m顶角变化在1°范围内，满足业主要求。
（1）在地质资料掌握不完全区域进行施工时，要优化钻孔结构，施工方法要尽可能充分。
（2）全孔施工过程中，未发生孔壁坍塌等重大孔内事故。事故预防工作，从人员、机具、工艺、冲洗液等方面入手，重视细节。
（3）起拔套管遇阻时，建议使用水力割刀分段切割套管，使用过程中注意保持泵压的稳定。
（4）使用LBM泥浆，对水敏性、破碎地层有很好的护壁效果，能够满足绳索取心钻进需要。
（5）片麻岩地层中钻进，要采取相关技术措施，预防孔斜。
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