摘要
川西甲基卡锂矿3000 m科学深钻位于青藏高原中北部的松潘甘孜造山带，采用绳索取心钻进和绳索取心液动冲击回转钻进、硬岩地层金刚石钻头优选、加长型内涂层内管和改进型打捞器、环保型无固相聚合物冲洗液技术等关键技术，终孔孔深3211.21 m，创造了高原地区小口径固体矿产勘查孔深新纪录和当时全国同类型钻孔施工效率纪录。对甲基卡伟晶岩锂矿成矿模式、成矿机制的理论创新，具有重要的科学意义，也为高原地区深部钻探施工提供了借鉴。
近年来，随着锂电池、新能源汽车、可控核聚变等领域快速发展和不断突破，锂的战略地位不断提升，被誉为“21世纪的能源金属”。青藏高原是中国大陆关键性矿产资源的重要集结地，其中位于青藏高原中北部的松潘甘孜造山带有中生代花岗岩侵位以及含锂伟晶岩脉的富
甲基卡是亚洲目前最大的伟晶岩型锂辉石矿区，川西甲基卡锂矿3000 m科学深钻（以下简称“JSD”）隶属于南京大学卓越研究计划“川西伟晶岩型锂矿科学钻探”项
JSD位于四川省甘孜藏族自治州雅江县木绒乡新卫村附近（参见
图1 JSD钻孔位置
Fig.1 The position of borehole
甲基卡和马尔康片麻岩穹隆是松潘-甘孜造山带中研究程度较高、锂矿成矿前景最佳的两个矿集区，甲基卡共发现花岗伟晶岩脉509
（1）全孔岩心采取率平均不低于90%，含矿段（伟晶岩）采取率≮95%，终孔直径≮95 mm。岩矿心洗净后按次序装箱，长度>10 cm的岩心编号，按钻进回次填写岩心牌，对岩心箱进行编号并标明孔深。
（2）孔斜满足规范要求，终孔顶角偏斜≯15°。
（3）每钻进100 m、终孔后用钢尺进行孔深测量，误差>1‰时要修正孔深。
（4）钻孔施工期间，按照规范要求完成简易水文观测记录。
（5）原始班报表真实、准确、整洁，交接班班长和机长要亲笔签字，终孔后按统一格式装订成册。
（6）施工结束后，协助下入光
（7）钻孔施工期间，需要按国内深钻施工质量要求，完成全井段测井，包括电阻率、自然电位、激发极化测井、密度测井、自然伽马、声速测井、磁化率测井、井温、井径、井斜等，之后又增加了超声成像测井。
（1）钻孔位置海拔4500 m，高寒缺氧、紫外线强烈，另外该地区七、八月份多雷电天气，造成柴油机动力减弱、油耗增加；高原地区气压低，易出现“开锅”现象；橡胶管件、密封件老化快，设备故障率高。
（2）施工区域在藏民牧区范围内，高原生态环境脆弱，环保要求高，前期进场手续审批严格。
（3）前期施工采用发电机组发电满足生产、生活用电需求，需从59 km外的新都桥镇购买、运输柴油，藏区购买柴油需在当地政府备案，每次均要公安部门开具相关证明，后勤保障较困难。
（4）该地区附近无施工过的深孔可供参考，同时钻孔靠近鲜水河、龙门山断裂带，施工中要考虑地层破碎以及可能发生地震带来的影响。
（5）设计孔深3000 m，孔径98 mm，对管材材质、强度要求高。
考虑钻遇地层情况、终孔孔径和孔深、矿区施工经验、设备和钻具能力、钻头（钻杆）直径与套管内外直径的配合、孔内试验测试仪器等因
图2 钻孔结构
Fig.2 Borehole structure
孔口管：采用Ø175 mm单动双管提钻取心工艺钻进至13.60 m，然后采用Ø225 mm钻头扩孔至13.60 m，下Ø219 mm套管，下深13.60 m。
一开：采用Ø175 mm单动双管提钻取心工艺钻进至64.58 m，下入Ø168 mm套管，下深64.58 m。
二开：采用Ø150 mm/122 mm“钻扩一体”金刚石绳索取心钻进工艺钻进至151.30 m，下入Ø140 mm套管，下深151.30 m。
三开：采用Ø122 mm绳索取心钻进工艺钻进至1244.60 m，下入Ø114 mm钻杆作为套管使用，下深1244.60 m。
四开：Ø98 mm孔段采用了两种钻进方法。1244.60~1310.75 m孔段采用了Ø98 mm金刚石绳索取心钻进工艺，1310.75~3211.21 m采用了Ø98 mm液动冲击回转钻进工艺。
金刚石钻进中，采用高转速为主的钻进规程，发挥金刚石钻进的特点；泵量选择，要求足以冷却金刚石钻头、排除孔内岩粉，泵量均匀连续。具体钻进参数见
| 孔段/m | 孔径/mm | 钻压/kN | 转速/（r·mi | 泵量/(L·mi | 泵压/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 0~13.60 | 225 | 10~20 | 119 | 235 | 0~0.5 |
| 13.60~64.58 | 175 | 10~25 | 484 | 235 | 1.0~2.0 |
| 64.58~151.30 | 150 | 12~20 | 484 | 235 | 1.0~2.0 |
| 151.30~1244.60 | 122 | 10~20 | 484、333 | 235 | 2.0~5.0 |
| 1244.60~1310.75 | 98 | 10~15 | 333、234 | 95 | 3.0~5.0 |
| 1310.75~3211.21 | 98 | 10~15 | 333、234 | 95、72 | 6.5~9.0 |
与常规回转钻进方法相比，冲击回转钻进具有机械钻速高、回次进尺长、钻探质量好等优点。在坚硬、致密的“打滑”岩层应用液动冲击回转钻进，可缓解金刚石钻头打滑问
JSD施工过程中，S98 mm绳索取心钻进（1244.60~3211.21 m）主要钻遇伟晶岩、角岩、花岗岩等地层，可钻性等级约为7~10级，1244.60~1310.75 m部分孔段出现了钻头打滑、回次进尺较低的问题，为此使用了金刚石绳索取心液动锤钻进，经统计（见
| 钻进方法 | 孔段/m | 累计进尺/m | 回次数/ 个 | 平均回次进尺/m | 机械钻速/ （m· | 钻压/ kN | 转速/ （r·mi | 泵量/ (L·mi |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 绳索取心 | 1244.60~1310.75 | 66.15 | 24 | 2.76 | 1.26 | 10~15 | 333、234 | 95 |
| 绳索取心液动锤 | 1310.75~3211.21 | 1900.46 | 484 | 3.93 | 1.49 | 10~15 | 333、234 | 95、72 |
岩心与内管内壁间隙较小，钻遇破碎地层易发生岩心堵塞，从而影响回次进尺。在S98 mm口径施工阶段，使用了加长型防堵内管，内管长度4.60 m，内管内壁经过特殊涂层处理，光滑度较好，在不改变钻探工艺前提下，能起到一定减阻作用，岩心堵塞概率降低，增大了回次进尺，提高了施工效率。
S98 mm口径施工阶段，使用了改进型的打捞器（
图3 改进型打捞器
Fig.3 Improved overshot device
选择冲洗液主要考虑因素：护壁性能、润滑性能、携带和悬浮岩粉的能力、温度影响等。除上部第四系地层采用固相泥浆外，主要采用了无固相聚合物冲洗液。全孔地温最高为110.16 ℃，最低为0.03 ℃，地温梯度3.20 ℃/100 m，采用的无固相聚合物冲洗液能够满足孔底高温条
该孔大部分孔段地层完整，岩石较坚硬，使用了无固相聚合物冲洗液；150~250、350~450、849~866、991~1000和1900~1920 m等部分孔段裂隙较发育，孔内阻力较大，钻进时有“憋车”现象，现场熬制聚乙烯醇，每回次取心结束后灌入钻杆内，提高冲洗液护壁性能；在2000~3211.21 m孔段，孔内阻力有所增加，每回次向泥浆池添加一定量乳化油，减小孔内阻力。
冲洗液配方：1 m³水+0.5~1.0 kg烧碱+1.0~2.0 kg纯碱+0.7~1.0 kg水解聚丙烯酰胺（PHP）+10~15 kg降失水剂+10~20 kg润滑剂。
冲洗液配制前，将水解聚丙烯酰胺（PHP）、降失水剂提前水化，按照配方比例配制。正常钻进过程中每班要测量出口处冲洗液常规性能参数，注意参数变化情况。使用过程中，性能参数：密度1.02~1.03 g/c
施工中践行“绿色勘查”理念，现场配备4个水箱作为沉淀池和泥浆池使用，孔口到一级沉淀池的循环槽用PVC管代替，做到了“泥浆不落地”，同时对产生的岩粉进行固化处理，集中存放。
一般情况下金刚石钻头钻进坚硬脆性岩石以压裂、压碎为主，钻进较软岩石时，以剪切、切削为
JSD钻孔施工Ø225、175、150 mm孔段金刚石钻头各使用1个。三开Ø122 mm孔段使用金刚石钻头21个，四开Ø98 mm孔段使用金刚石钻头40个，钻头使用统计情况见
| 口径/mm | 孔段/m | 钻头数量/个 | 最高寿命/m | 最低寿命/m | 平均寿命/m |
|---|---|---|---|---|---|
| 225 | 0~13.60 | 1 | 13.60 | / | 13.60 |
| 175 | 13.60~64.58 | 1 | 50.98 | / | 50.98 |
| 150/122 | 64.58~151.30 | 1 | 86.72 | / | 86.72 |
| 122 | 151.30~1244.60 | 21 | 153.70 | 5.10 | 52.06 |
| 98 | 1244.60~3211.21 | 40 | 108.69 | 9.21 | 49.17 |
四开Ø98 mm孔段钻头使用过程中，从生产厂家、工作层有效高度、胎体硬度、金刚石浓度、水口形式与数量、底唇面形状等方面进行对比（
| 生产厂家 | 工作层有效高度/mm | 胎体硬度/HRC | 金刚石浓度/% | 水口数量/个 | 底唇面形式 | 机械钻速/（m· |
|---|---|---|---|---|---|---|
| WX | 9 | 30~35 | 80 | 8 | 平底形 | 1.30 |
| 12 | 42~48 | 100 | 10 | 阶梯形 | 1.34 | |
| HN | 9 | 30~35 | 80 | 8 | 平底形 | 1.30 |
| 12 | 42~48 | 100 | 10 | 阶梯形 | 1.36 | |
| ZY | 9 | 30~35 | 80 | 8 | 平底形 | 1.36 |
| 12 | 42~48 | 100 | 10 | 阶梯形 | 1.41 | |
| TS | 9 | 30~35 | 80 | 8 | 平底形 | 1.46 |
| 12 | 42~48 | 100 | 10 | 阶梯形 | 1.50 | |
| BJ | 9 | 30~35 | 80 | 8 | 平底形 | 1.48 |
| 12 | 42~48 | 100 | 10 | 阶梯形 | 1.51 |
（1）全孔钻探进尺3211.21 m，取出岩心长度3202.25 m，岩心采取率99.72%，满足质量要求，各开次采取率见
| 开次 | 孔段/m | 孔段长度/m | 取心长度/m | 岩心采取率/% |
|---|---|---|---|---|
| 孔口管 | 0~13.60 | 13.60 | 8.64 | 63.53 |
| 一开 | 13.60~64.58 | 50.98 | 49.14 | 96.39 |
| 二开 | 64.58~151.30 | 86.72 | 86.52 | 99.77 |
| 三开 | 151.30~1244.60 | 1093.3 | 1092.06 | 99.89 |
| 四开 | 1244.60~3211.21 | 1966.61 | 1965.89 | 99.96 |
| 全孔 | 99.72 | |||
（2）终孔位置顶角10.93°，方位角108.39°，满足设计要求。孔斜曲线见
图4 孔斜曲线
Fig.4 Inclinometer curve
（3）全孔进行了32次丈量钻具，孔深测量结果均在规范规定误差范围内。
（4）全孔部分孔段轻微漏失，水位稳定在11.00~14.00 m范围内。
（5）原始班报表由当班记录员按规定填写，内容真实、准确、清洁、齐全，符合质量要求。
（6）施工结束后，该孔留作后续地震监测，起拔部分套管下入光纤，全孔填砾处理。下入光纤、填砾、测试完成后，在孔口附近建立科学钻探纪念碑。
JSD孔于2020年6月3日开钻，2021年1月21日终孔，用时232天，台月效率415.24 m，平均机械钻速1.46 m/h。时间利用率统计如
图5 时间利用率统计
Fig.5 Time utilization statistics
高原地区特深孔科学钻探是一项系统性工程，JSD孔从钻孔结构、钻探工艺、钻探设备、人员组成、后勤保障、高原地区安全防护等方面进行精心筹备。
采用绳索取心液动锤钻进伟晶岩、花岗岩等坚硬、“打滑”地层，可明显提高施工效率，降低孔斜，与常规绳索取心钻进技术相比，机械钻速提高18.3%。
对于地层不熟悉的矿区进行施工时，尝试使用不同厂家、不同参数的钻头，通过统计分析，优选出适用于甲基卡矿区的金刚石钻头。
JSD孔优质、高效完成，对甲基卡矿区伟晶岩锂矿成矿模式、成矿机制的理论创新，具有重要的科学意义，同时为今后高原地区深部钻探施工提供了借鉴和参考。
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