摘要
辽宁丹东3000 m科学深钻项目是国家重点研发计划“辽东/胶东矿集区深部矿产勘查与增储示范”项目下设子课题的核心任务工程。本文介绍了辽宁丹东3000 m科学深钻的施工概况及其应用的多项关键技术。通过采用HXY-8VB改进型变频立轴钻机、加长钻具配套防堵内管及快速打捞矛等新机具，开展高效金刚石取心钻头研究及应用，进行深部地质钻探钻进过程流式大数据分析与动态预处理系统的应用，优质高效的完成了全部钻探施工任务，创造了辽东地区非煤固体矿产勘查第一深孔纪录。为验证该地区成矿条件，评价区域3000 m以浅金资源潜力提供了有力支撑，同时，也为特深孔钻探施工提供了技术借鉴。
辽宁丹东3000 m科学深钻（LDZK001钻孔）为国家重点研发计划“辽东/胶东矿集区深部矿产勘查与增储示范”项目下设子课题的核心任务工程。项目设计孔深3000 m，设计顶角1°，终孔孔深3003.99 m，终孔孔径76 mm，钻进1207个回次，平均机械钻速1.38 m/h，累计采取岩矿心2996.67 m，累计岩矿心采取率99.76%，项目于2021年4月28日正式开钻，2022年6月6日顺利终孔，累计施工405 d。项目应用了HXY-8VB型变频立轴钻机等新机具，开展了高效金刚石取心钻头的研究及应用，进行了提高绳索取心效率的新型取心机具的研究应用工作，克服了施工难度大、条件复杂等难题，顺利完成钻探任务，创造了辽东地区非煤固体矿产勘查第一深孔纪录，为特深孔钻探施工积累了经验。
工作区零星出露古元古界辽河群层状变质岩系，自下而上主要有于家堡子组、浪子山组、大石桥组和盖县组，主要由各类大理岩、片岩、变粒岩组成；震旦纪沉积岩系呈零星残块出露，分布于工作区东南部，岩石组成为石英岩、石英砂岩、泥灰岩、页岩等；局部地段出现晚侏罗纪火山喷发沉积，主要分布在工作区东南部，鸭绿江深大断裂两侧，其主要岩性为紫色砂岩、页岩、泥灰岩；新生代地层主要为第四系的河流相、冲积相的砂砾石及砂质
工作区区域岩浆活动频繁，形成了一系列花岗质岩石，最早的为五龙岩体，岩性主要为中细粒片麻状黑云母二长花岗岩，其后为燕山期的花岗闪长岩-花岗岩系。中细粒片麻状黑云母二长花岗岩出露面积大，是五龙矿区的主要成矿围岩。矿物成分主要为斜长石、钾长石、石英和黑云
工作区区域构造发育，以断裂构造为主，褶皱构造次之。断裂构造主要为北东向和北西向压性断裂，断裂间距分别为2~4 km和4~6 km，延伸均在10 km以上；局部，特别是五龙金矿区，近南北向和北西向断裂发育。褶皱构造仅在区域东南部发育，褶皱轴向总体呈北东向，由下元古界辽河群和震旦系地层组成，延长10 km左右，属营口-草河口-宽甸复向斜中的次级褶皱部
工作区钻遇地层以片麻状中细粒黑云二长花岗岩为主，岩石硬度大、研磨性强，可钻性等级为8~10级，详见
| 序号 | 岩石名称 | 可钻性等级 | 统计效率/（m· |
|---|---|---|---|
| 1 | 黑云母花岗岩 | 8 | 1.50~2.10 |
| 2 | 闪长岩 | 8 | 1.50~2.10 |
| 3 | 黑云二长花岗岩 | 9 | 1.10~1.70 |
| 4 | 斑状花岗闪长岩 | 9 | 1.10~1.70 |
| 5 | 石英岩 | 10 | 0.80~1.20 |
（1）钻孔设计深度3000 m，在该区域施工的深部钻孔较少，深部地层资料缺失，对钻探设备选型、钻孔结构设计及钻探管材强度提出更高要
（2）上部地层存在老旧废弃采矿巷道，位置不明，极易钻入废旧矿区巷道，对施工要求较
（3）地层岩石硬度大、研磨性强，可钻性等级高，如何提高钻进效率是施工的重
（4）局部地层较破碎，存在较多孔隙和裂缝，渗透性强，易发生漏失，地层条件十分复
LDZK001钻孔采用了四开的钻孔结构，主要是根据项目总体要求，结合终孔孔深和口径以及地层情况等因素综合确定。实际钻孔结构见
图1 LDZK001钻孔结构
根据四开次钻孔结构的应用情况分析，实际应用效果不佳。开孔直径小，导致了三开钻穿上部1170.40~1203.60 m孔段复杂地层后，为保证留有更多余地以应对更深部地层可能出现的复杂情况，未下入套管有效封隔复杂孔段，引发了后续严重孔内事故。因此，特深孔施工应尽量采用大直径开孔，浅部复杂地层处理要比深部容易，在无法预知深部地层的情况下预留2~3级套管结
LDZK001钻孔施工中使用的主要机械设备见
| 设备名称 | 型号 | 主要技术参数 |
|---|---|---|
| 钻机 | HXY-8VB型 | 钻进深度4000 m；转速正转95、175、250、363、264、487、695、1011 r/min；转速反转77、215 r/min；单绳最大提升力125 kN；功率90 kW（变频） |
| 泥浆泵 | BW350 |
流量300、235、155、95、52 L/min； 最大额定压力16 Mpa；功率30 kw |
| 钻塔 | A29-90t | 塔高29 m；负荷900 kN；立根18 m |
| 取心绞车 | S4000 | 绳容量（Ø8 mm） 4000 m；功率11 kw |
| 液压钳 | SQ114/8 | 额定扭矩8 kN·m；应用范围Ø57~116.5 mm |
一开（0~45.70 m），为风化层，地层松散破碎，采用低固相冲洗液，Ø150 mm金刚石单管提钻取心钻进工艺钻进至45.70 m，下入Ø146 mm套管，孔口加固，严格控制钻进参数，以小钻压钻进，控制孔身轨迹为本孔段施工重
二开（45.70~382.67 m），主要岩性为黑云二长花岗岩、闪长岩等，地层局部破碎，采用无固相冲洗液，S122 mm金刚石绳索取心钻进工艺钻进至382.67 m，下R-PCS绳索取心钻杆做为套管。在233.20~235.30 m孔段钻遇废弃矿井巷道，漏失严重，冲洗液失返，多次堵漏失败，采用钻杆涂抹油脂顶漏钻进，下R-PCS绳索取心钻杆做为套管封隔，套管下部采用水泥固
三开（382.67~2578.71 m），主要岩性为黑云二长花岗岩、蚀变闪长岩等，为施工重点地层，采用S98 mm金刚石绳索取心钻进工艺，岩石硬度大、研磨性强，可钻性等级为8~10级，地层局部破碎。钻进至1170.40~1203.60 m孔段，地层破碎，坍塌严重，掉块较多，时常卡钻，用水泥封孔护壁。钻进至2561.44 m处，更换钻头下钻至1190 m处遇阻，在1190~1202 m孔段处多次处理孔壁坍塌掉块事故，钻进至2578.71 m。原计划采用S98 mm金刚石绳索取心钻进工艺钻进至终孔，由于上部地层坍塌掉块严重，为保障孔内安全下R-HCS绳索取心钻杆做为套管封隔事故孔段。
四开（2578.71~3003.99 m），采用S76 mm绳索取心钻进工艺，钻进至终孔。本孔段地层较完整，加强管理，预防孔内事故，合理选配钻头钻具，提高钻进效率是本孔段的重
LDZK001钻孔前期施工较为顺利，未发生较大孔内事故，但钻遇局部地层较为破碎，坍塌掉块严重，仅采用了多次水泥封孔护壁，透孔过程中取出了水泥固结的破碎地层岩心，取得了一定短期效果。
1170.40~1203.60 m孔段地层破碎，垂直节理较为发育，掉块坍塌严重，地层岩心见
图2 破碎地层岩心
钻进至2561.44 m，多次提下钻过程中均在1190~1202 m孔段遇阻，前期采用水泥封固的破碎地层孔壁再次失稳，坍塌非常严重。反复通孔扫孔处理，取出了完整掉块岩心，取出的岩心带有明显的钻孔孔身痕迹（见
图3 扫孔取出的岩心
坍塌孔段需采用窜扫的方式通过，决定采用Ø89 mm钻杆配导正钻具（见
图4 导正钻具
采用Ø89 mm钻杆做套管，下钻至1190 m处遇阻，反复扫孔通孔至1210 m处，通过坍塌孔段，继续下入Ø89 mm钻杆做套管扫孔至1224 m，上部连接Ø91 mm钻杆继续通孔，扫孔至2515 m处，发生断钻杆事故，事故头位于1204 m处。若直接提出上部Ø91 mm钻杆，1190~1202 m掉块坍塌孔段无法封隔，掉块沉渣可能会掩埋下方事故头，导致下部事故钻杆无法打捞。因此，决定采用60系列石油钻杆配合可退式打捞矛，通过上部钻杆内孔下入，直接打捞下部事故钻杆，确保提出事故头后下部钻杆继续封隔坍塌孔段，一次打捞成功，见
图5 可退式打捞矛及打捞出来的钻杆
采用S76 mm金刚石绳索取心工艺钻进至2578.71 m，提钻更换钻头，于2539 m处遇卡，上扫过程中下部套管倒扣，套坐在遇卡钻具上方。下放遇卡钻具，试图利用Ø98 mm孔径与Ø76 mm孔径变径位置处（2561.44 m），将倒扣套管与遇卡钻具分离。下放遇卡钻具至接近孔底2578.71 m处，钩载保持不变，倒扣套管与遇卡钻具未分离。分析认为，前期采用S76 mm绳索取心钻具磨铣套管底部Ø98 mm钻头内台阶时，底部钻头或钻具倒扣，与S76 mm绳索取心钻具卡在一起，导致钻进2561.44~2578.71 m孔段时处于“边打边扩”的异常状态。活动套管，下放套管至接近孔底2578 m处。反开遇卡钻具，提出Ø71 mm钻杆2407 m，孔内剩余Ø71 mm钻杆171 m及钻具4.07 m。采用反丝钻杆反孔内事故钻具15次，反出孔内全部事故钻杆及弹卡室，剩余部分S76 mm事故钻具。采用S76 mm金刚石绳索取心钻具铣磨，铣磨完毕后钻进1.75 m，提钻取心，事故处理完毕。
通过梳理整个事故处理过程，认为深孔、特深孔钻探施工，要坚持预防为主，稳中求进，发现问题要及时有效解决，避免问题进一步恶化。
针对特深孔施工设备要求，采用了山东省第三地质矿产勘查院联合生产厂家升级改造的HXY-8VB型钻
图6 HXY-8VB型变频立轴式钻机
该钻机是在HXY-8型传统立轴钻机的基础上，将普通电机驱动系统升级改造成变频电机驱动系统，动力大幅提升，更加节能经济环保；主卷扬由抱闸式滚筒升级成变频电机驱动、液压盘刹式滚筒，卷扬升降速度由变频器控制；液压油缸给进升级成液压油缸给进与变频电机驱动主卷扬自动送钻，即浅孔时用油缸实现加压钻进，深孔时用变频送钻电机驱动主绞车实现自动送钻；回转、送钻、起下钻等操作由司钻房数字控制调节，实现了自动化、精细化操作；配套各种传感器和可编程逻辑控制器（PLC），将钻压、转速、立轴扭矩、泵压等参数数据呈现在司钻房控制屏幕上，实时反应钻进状态，可视化程度高。
通过升级改造，提升了钻机的施工能力，改善了工作环境，降低了劳动强度，减少了事故的发生，提高了工作效率，钻进参数控制由经验值向量化值转变，真正实现了优质高效科学施工。
针对工作区硬岩地层，且局部地层严重破碎，导致钻进效率低、钻头寿命低等问
为实现硬岩地层的高效钻进，采用偏心齿结构设计，可将金刚石取心钻头工作唇面的面积减少35%~45%，从而增大钻进过程中单齿工作压力，在偏心齿结构后部增加了扭面过渡后支撑结构，保证偏心齿结构的扭转强度和耐冲击性能，见
图7 高效金刚石取心钻头
为进一步提高破碎硬岩地层钻头寿命，采用扇形切削齿高胎块结构，唇面为同心圆尖齿形式，切削齿间增加支撑柱结构，增加钻头的强度，以实现钻头的高效长寿命钻进，见
两种钻头的工作层高度设计为22~25 mm，水口数量分为12、10、9个三种形式。
试验应用了2只偏心齿金刚石取心钻头和2只高胎块金刚石取心钻头，详见
| 序号 | 结构形式 | 水口数量/个 | 钻进孔段/m | 钻头寿命/m | 平均机械钻速/(m· |
|---|---|---|---|---|---|
| p-1 | 偏心齿结构 | 12 | 568.44~583.64 | 15.20 | 2.30 |
| P-2 | 偏心齿结构 | 10 | 604.17~626.95 | 22.31 | 2.20 |
| g-1 | 高胎体结构 | 10 | 930.94~1060.84 | 129.90 | 1.00 |
| g-2 | 高胎体结构 | 9 | 1213.05~1345.25 | 132.20 | 1.40 |
偏心齿金刚石取心钻头的平均机械钻速平均值为2.25 m/h，远超普通钻头的平均机械钻速1.00 m/h，钻头寿命平均值为18.76 m，主要是由于严重破碎的地层导致钻头工作层快速消耗，不适用于该地层。9齿高胎块金刚石取心钻头的平均机械钻速为1.4 m/h，明显高于普通钻头的钻速，钻头平均寿命为132.2 m，远超普通钻头平均寿
经过现场试验验证，9齿高胎块金刚石取心钻头可有效提高该矿区的机械钻速和寿命，表现出优良的钻进性能，较高的施工效率和良好的经济技术效果，可在该类硬岩地层推广应用。
在绳索取心钻进中，随着孔深增加，取心等辅助时间也不断增加，取心时间占辅助时间的绝大部分，如何缩短取心时间也成为了提高钻进效率的有力武器。
在正常情况下，保障每回次进尺长度最大化，可有效减少取心频次，缩短取心时间，有效提升钻进效率。在复杂地层取心钻进时极易出现堵心，造成岩心过度研磨、内管钻具无法打捞等问题，避免堵心等不正常回次进尺的发生也可以有效提高钻进效率。
基于以上原因，通过对取心机具进行分析研究，将常规绳索取心钻具及内管长度由3 m增加至4.5 m，尽可能增加回次进尺长度；采用内壁镀有耐磨涂层的加强型防堵内管有效避免了堵心等不正常进尺的发生，提高取心钻进效
采用新型快速打捞矛（见
图8 新型快速打捞矛与传统打捞矛
深部地质钻探钻进过程流式大数据分析与动态预处理系统，成功应用于辽宁丹东3000 m科学钻探工程。通过采集项目的钻进过程数据，运用限幅滤波结合过程数据分布特征、施工人员人工操作经验去除过程数据中的离群值，去除深部地质钻探钻进过程数据的噪声，提升了过程数据质量，实现了钻压、钩载、钻速、转速、扭矩等钻进过程原始数据的在线处理与观测，具有较好的工程适用性，试验应用效果良好，工程试验应用情况见
图9 试验应用现场情况
钻速是表征钻进过程效率的关键指标，工程应用孔段具体表现为在0~4 cm/min之间跳变；扭矩是主要反映钻进过程的安全性的核心参数，在工程应用孔段表现为在500~2000 N·m之间变化。通过本系统的优化，有效地去除了钻速数据中受到地层条件、钻进工艺等不同因素影响而产生的数据尖峰与毛刺，同时很好地抑制扭矩数据的异常突变，有利于高精度预测钻速进而实现钻速优化。试验应用发现，该系统在对相对变化幅度较大的钻速和扭矩的处理方面，表现更为出
（1）特深孔施工在满足施工总体要求的前提下，要充分发挥工艺方法、钻探机具等施工能力，采用大直径开孔，各开次尽可能向深部施工，为应对更深部地层可能出现的复杂情况留有更多余地。
（2）深部复杂地层钻进，要以保证孔内安全为主，发现问题隐患，及时有效解决，坚持预防为主，稳中求进。
（3）HXY-8VB型钻机，可视化程度高，数字控制调节，实现了钻进参数控制由经验值向量化值转变，真正实现了优质高效科学施工，适合特深孔钻探施工。利用传统式机械立轴钻机进行改造升级，可大幅度提升钻机整体施工能力，满足更高施工要求，实现了落后设备资源的进一步整合，提高了闲置设备周转利用率，节约了生产成本。
（4）通过采用加长钻具、防堵内管及新型快速打捞矛，提高了回次进尺长度，有效降低了辅助时间，提高了取心钻进效率，应用效果良好，可进一步推广应用。
（5）深部地质钻探钻进过程流式大数据分析与动态预处理系统的试验应用，为促进钻探工程融合大数据与人工智能技术提供了借鉴。
参考文献（References）
俞炳，曾庆栋，夏凡，等.辽宁五龙金矿构造叠加晕研究［J］.地质与勘探，2020，56（5）：898-914. [百度学术]
李兆龙，许文斗，秦敏琪，等.辽宁五龙金矿地质特征及矿床成因［J］.地质找矿论丛，1987，2（3）：31-39. [百度学术]
刘桂芝，张维松.辽宁五龙金矿含金石英脉中石英标型特征及其找矿意义［J］.贵金属地质，1992（4）：214-222. [百度学术]
王冬丽，申俊峰，邱海成，等.辽宁五龙金矿黄铁矿标型特征研究及深部找矿预测［J］.南京大学学报（自然科学），2019，55（6）：898-915. [百度学术]
王达，何远信，等.地质钻探手册［M］.长沙：中南大学出版社，2014. [百度学术]
栾国栋.山东莱州吴一村ZK01科学钻孔钻探施工技术［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（4）：36-39. [百度学术]
李志国，杨春和.深部地层岩石可钻性与岩石力学特性实验［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2009，28（S1）：424-427. [百度学术]
陈师逊，翟育峰，王鲁朝，等.西藏罗布莎科学钻探施工对深部钻探技术的启示［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（11）：1-3，9. [百度学术]
田志超，翟育峰，林彬等.西藏甲玛3000米科学深钻施工技术［J］.钻探工程，2022，49（3）：100-108. [百度学术]
陈师逊，宋世杰.中国东部海区科学钻探施工技术探讨［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（12）：1-5. [百度学术]
杨芳，陈师逊.深部地质钻探钻孔结构设计与施工分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2019，46（11）：21-26. [百度学术]
朱恒银，等.深部岩心钻探技术与管理［M］.北京：地质出版社，2014. [百度学术]
宋世杰，李晓东，陈师逊.南黄海大陆架科钻CSDP-2井第四系、新近系地层海水冲洗液研究与应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（4）：10-13． [百度学术]
田志超，翟育峰，林彬，等.耐高温环保型冲洗液体系在西藏甲玛3000 m科学深钻中的应用研究［J］.钻探工程，2021，48（11）：15-22. [百度学术]
翟育峰，仲崇龙，刘峰.羌塘盆地羌资-14井钻探施工技术［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（7）：92-95. [百度学术]
翟育峰.西藏甲玛3000 m科学深钻施工技术方案［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（6）：8-12，53. [百度学术]
刘振新，翟育峰，宋世杰，等.川西甲基卡锂矿3000 m科学深钻关键技术探讨［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（10）：29-32. [百度学术]
董海燕，王鲁朝，杨芳，等.国产CNH（T）绳索取心钻杆在中国岩金勘查第一深钻工程中的应用分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（1）：49-53. [百度学术]
陈师逊.深部钻探复合钻杆的研究与应用［J］.地质与勘探，2014，50（4）：772-776. [百度学术]
王鲁朝，吴海霞.辽宁五龙金矿区金刚石取芯钻头研究［J］.金刚石与磨料磨具工程，2022，42（5）：518-522. [百度学术]
刘振新，翟育峰，赵辉，等.川西甲基卡锂矿3000 m科学深钻施工技术［J］.钻探工程，2023，50（4）：41-48. [百度学术]
甘超，曹卫华，王鲁朝，吴敏.深部地质钻探钻进过程流式大数据分析与动态预处理——以辽宁丹东3000 m科学钻探工程为例［J］.钻探工程，2022，49（4）：1-7. [百度学术]
