地浸砂巖型鈾礦鉆探施工技術

王 琳

（核工業(yè)二四三大隊）

鈾礦是一種極為重要、特殊的戰(zhàn)略資源。近些年來，我國不斷強化鈾礦探測工作，主要的工作重點是探尋地浸砂巖鈾礦［1-3］。在地浸砂巖鈾礦鉆探過程中，地層往往較為復雜，確保鉆孔平穩(wěn)鉆進是探測工作中需要解決的重點問題［4-5］。以西北地區(qū)某地浸砂巖鈾礦探測鉆孔施工為工程研究對象，對鉆孔鉆進工藝、鉆孔結(jié)構、鉆井液類型以及鉆進過程中遇到的護壁、漏液處理及取芯等工作進行詳細探討，以期為地浸砂巖鈾礦鉆探工作高效開展提供一定的經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

1.1 鉆探區(qū)概況

鉆探區(qū)域位于西北地區(qū)，地表以丘陵為主，氣候常年干旱、少雨，年平均氣溫為3.5℃，年降水量約42 mm。地勢呈東南高、西北低，其中山地約占1/2。鉆探區(qū)被第四系覆蓋，斷層面露出不發(fā)育。受氣候影響，在鉆探區(qū)內(nèi)每年6—8月份可能會出現(xiàn)泥石流災害，同時沙塵風暴也會在一定程度上影響鉆探工作。鉆探區(qū)內(nèi)主控地質(zhì)構造為背斜構造，走向角度為155°，影響面積約為5.8 km2。設計的鉆探孔平均孔深650 m，孔徑為110 mm。鉆探區(qū)內(nèi)地層結(jié)構復雜，砂巖與泥巖頻繁換層，部分地層膠結(jié)性差，鉆孔在鉆進過程中容易出現(xiàn)塌孔、縮孔、涌水以及鉆井液漏失等問題。

1.2 鉆探要求

根據(jù)相關規(guī)范要求，在鉆探區(qū)內(nèi)施工的鉆孔孔深在300 m以內(nèi)時，孔斜度保持在3°以內(nèi)，孔深大于300 m時，每鉆進深度增加100 m，孔斜度增加值在1°以內(nèi)；鉆孔平均采取率在65%以上（除第四系松散層），取芯采取率在75%以上；鉆探鉆孔應做必要的水文觀測，并對鉆進過程水文情況進行詳細記錄，鉆進完成后做水位觀測［6］。

2 鉆探施工技術

2.1 鉆進設備

由于鉆探區(qū)域內(nèi)為沉積砂巖地層，鉆孔鉆進難度大，因此采用的鉆機應具備低轉(zhuǎn)速、大扭矩及大功率特點，配備的泥漿泵泵量應具備較大的可調(diào)整范圍。采用的沖洗液應具備“雙護”功能，即同時護壁、護芯。在鉆探區(qū)內(nèi)采用的具體鉆進設備規(guī)格見表1。

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2.2 鉆孔井身結(jié)構及鉆進工藝

2.2.1 井身結(jié)構

設計的鉆探孔井身結(jié)構應能滿足上部第四紀松散層鉆進需要（鉆進過程中主要面臨井壁坍塌以及鉆井液漏失問題），同時為下部堅硬基巖鉆進提供便利條件，鉆孔終孔孔徑應在110 mm以上。合理的設計鉆孔井身結(jié)構并下好套管是鉆孔順利鉆進、取芯的關鍵。

根據(jù)鉆探區(qū)內(nèi)各地層情況、鉆進質(zhì)量要求以及鉆進深度，鉆探孔井身結(jié)構為二開制。

（1）一開（鉆孔開孔段）。一開段范圍為孔口至鉆進約35 m的位置，鉆孔采用φ172 mm合金鉆頭鉆進，當鉆進至穩(wěn)定基巖5 m后（此時鉆進深度約35 m），在鉆孔內(nèi)下入φ127 mm套管護壁，并采用鋁酸鹽水泥固定。

（2）二開（一開段～鉆孔位置）。二開段范圍為鉆進35～650 m，鉆進時采用φ110 mm金剛石鉆頭，配合繩索取芯鉆具（HQ-89）取芯鉆進至設計深度。護壁采用水基泥漿液，裸眼完井。不同鉆進段鉆井參數(shù)見表2。

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2.2.2 鉆進工藝

具體在鉆孔鉆進一開段時采用提鉆取芯鉆進，二開段采用繩索取芯鉆進。繩索取芯鉆進具有鉆進效率高、工程質(zhì)量好等優(yōu)點。選用的XY-6B型立軸鉆機轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍寬、結(jié)構緊湊，同時鉆機配備有水剎車，卷揚能力強，操控方便。

2.3 鉆井液及護壁

2.3.1 鉆井液

鉆孔開孔段為第四紀松散地層，采用的鉆井液主要用以防塌孔和排渣。在鉆孔鉆進時仍采用該常規(guī)泥漿鉆井液，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當添加一定量的稀釋劑以及降失水劑，提高鉆進效率以及鉆進質(zhì)量。鉆孔開孔段采用的鉆井液參數(shù)見表3。

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在鉆孔進入到穩(wěn)定基巖時，采用泥漿漿液的主要目的是實現(xiàn)快速鉆進并防止鉆井液漏失。因此選用的鉆井液為低固相泥漿，并適當降低膨潤土使用量。采用的泥漿漿液密度在1.1 g/cm3以內(nèi)，加入一定量的絮凝劑提升泥漿漿液排渣能力，從而實現(xiàn)快速鉆進。采用的基巖鉆進鉆井液參數(shù)見表4。

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2.3.2 鉆孔護壁

在鉆孔鉆進時會破壞地層原本的平衡狀態(tài)，特別是鉆進至松散、容易膨脹且裂隙發(fā)育的地層時，鉆孔孔壁更容易出現(xiàn)縮孔問題，并造成涌水。為避免上述問題出現(xiàn)，鉆孔鉆進至不同的地層時應采取針對性的護壁措施。

（1）鉆進至孔壁穩(wěn)定、巖芯完整地層時可以采用無固相或者底固相沖洗液護壁。

（2）鉆進至破碎、松散地層以及僅地表的黏結(jié)性較差的粉砂、風化層以及流砂層時，可以采用黏度在50～60 s的高黏度細分散鉆井液，快速鉆進通過，并施加下方表層套管或者孔口管護壁。

（3）對于巖層破碎區(qū)域，可采用高分子聚合物（添加量0.5%～1.0%）和光譜類護壁劑（添加量2.0%～3.0%），并采用小泵量循環(huán)方式緩慢鉆進。

（4）當鉆進遇到膨脹地層或者水敏性地層時可選用抑制性沖洗液護壁；對于透水性較強的地層可采用含鉀離子處理劑的鉆井液進行護壁，在遇水容易崩解的地層中可以采用軟化點低瀝青類封堵劑進行處理。

（5）鉆進過程中遇到含鹽地層時，可選用低黏度（50～60 s）、高密度（1.7～1.8 g/cm3）、強抑制、低失水（API失水量在6 mL內(nèi)）的鹵水沖洗液體系泥漿進行處理，在具體使用過程中沖洗液可選用下述配方：每立方米泥漿中含有8～10 kg抗鹽共聚物、30～50 kg膨潤土、8～10 kg抗鹽降失水劑、1%～2%重晶石+封堵劑、1～2 kg包被劑。

（6）當鉆孔鉆進至涌氣、承壓水或者不穩(wěn)定地層，采用的鉆井液無法有效護壁時，可選用下放套管進行護壁。

2.4 取芯率提高技術措施

當存在取芯率低的問題，可通過對鉆頭進行改進，具體改進采用階梯底噴式鉆頭，如圖1所示。

采用的鉆頭結(jié)構分2層，第一層、第二層臺階均有8個水口，其中第一層臺階寬度、高度均為4 mm，可確保泵量在60 L/min時循環(huán)順層、不憋泵。

2.5 鉆孔堵漏及止涌

2.5.1 堵漏技術措施

（1）在容易漏失地層中鉆進應適當控制泵壓和下鉆、提鉆速度。當發(fā)現(xiàn)有輕微漏失時即在沖洗液中添加1%～2%的堵漏添加劑。在鉆頭下鉆過程中不應在已知出現(xiàn)漏失的地層中開泵。

（2）在鉆進過程中出現(xiàn)裂隙或者縫隙漏失，整體漏失量較小時可采取在沖洗液中添加約3%的惰性封堵材料隨鉆循環(huán)，并采用架橋方式封堵。

（3）當在鉆進過程中循環(huán)漿液主壓力大于地層壓力，壓漏地層從而造成漏失，可通過逐漸稀釋水泥漿漿液來降低水泥漿密度，從而降低液柱與地層間空隙壓力差，逐漸實現(xiàn)壓力平衡。

（4）破碎帶、大裂隙造成漏失時可采取下述措施堵漏：在循環(huán)漿液中添加一定量高失水添加劑進行封堵，高失水添加劑漿液在液壓壓力下迅速失水，從而在鉆孔孔壁周邊形成一層強度高、致密等濾餅，從而實現(xiàn)對破碎地層封堵；對于漏失段長、裂隙發(fā)育范圍廣的地層，在鉆孔鉆進時可因地制宜采用套管進行堵漏，或者混合使用套管、水泥漿、泥漿、惰性材料以及化學漿液，充分發(fā)揮各套管以及各種漿液性能，特別是將水泥、黏土以及惰性材料（高分子聚合物）混合使用時，可形成新型的混合堵漏材料，可取得顯著的堵漏效果。

2.5.2 止涌

根據(jù)已有地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)在鉆探區(qū)域內(nèi)存在承壓含水層，在鉆探鉆孔施工過程中會出現(xiàn)孔內(nèi)返水、返漿以及冒氣等現(xiàn)象。當鉆進至含水層后引起冒氣或返漿時可采用平衡地層壓力的方法，在壓力平衡狀態(tài)下緩慢鉆進；當鉆孔內(nèi)大量返水或者其他原因?qū)е聼o法有效止涌時，可采用下放套管的方式止涌。

3 應用效果分析

在鉆探區(qū)內(nèi)施工的探測鉆孔采用上述鉆探技術后，鉆探復雜地層時可滿足鉆探施工需要，施工質(zhì)量以及取芯率、取芯質(zhì)量均滿足探測要求。2019年施工的4個探測鉆孔取芯率統(tǒng)計結(jié)果見表5。

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4 結(jié)語

對復雜地層條件下的鈾礦鉆探鉆孔施工工藝進行分析探討，提出提升鉆孔鉆進效率、鉆孔漏失封堵、提高巖芯采取率等技術措施。技術實際應用后，平均鉆進速度為65 m/d，約10 d即可完成一個鉆孔鉆進工作，而且鉆探過程中巖芯較完整、取芯率較高。