廣東省仁化縣油洞地區(qū)鈾礦鉆探工程
——長江1號科學深鉆工藝應用研究

童俊濤，呂文軍，陳明，曾令，王康，莫崇柳

（核工業(yè)二九〇研究所，廣東 韶關 512000）

廣東省仁化縣油洞地區(qū)鈾礦鉆探工程-長江1 號深鉆（GUSD-1）項目為核工業(yè)北京地質研究院國家重點基金項目，承擔鉆孔施工的單位為核工業(yè)二九〇研究所，主要目的為在廣東省仁化縣油洞地區(qū)開展深孔鉆探施工，進行深部地質研究工作，探索深部鈾成礦環(huán)境，揭示深部隱伏巖體、構造、蝕變、礦化等產出特征［1-2］。

項目設計施工鉆孔1個，設計孔深1 500 m，實際終孔孔深1 709.32 m，施工天數(shù)142天，臺月效率417.12 m/臺月，在1 550 m 處發(fā)現(xiàn)了我國目前深度最深的工業(yè)鈾礦化，鉆孔各項指標嚴格按照合同要求執(zhí)行。鉆孔位置位于廣東省韶關市仁化縣長江鎮(zhèn)油洞村，開孔方位角68°，開孔頂角10°，科學深鉆要求500 m 處鉆孔偏斜距離不超過15 m，1 000 m處鉆孔偏斜距離不超過30 m，1 500 m 處鉆孔偏斜距離不超過45 m。

1 項目概況

1.1 地層概況

長江1 號深鉆（GUSD-1）鉆孔位于諸廣南部長江礦集區(qū)長排地區(qū)，北接棉花坑礦床，其地質構造位置處于長江斷陷帶中部，受油洞斷裂及黃溪水斷裂帶夾持控制。區(qū)內出露的主要巖體為長江巖體和油洞巖體，其次為中基性巖脈和石英正長巖；區(qū)內斷裂構造主要有北東東、北北西、北西向3 組，其中北東東向為控礦構造，北西向既是控礦構造又是成礦構造，北北西向（近南北向）為成礦構造［3］。北東東向斷裂構造不發(fā)育，主要由中基性巖脈充填，呈巖墻狀產出。

核工業(yè)二九〇研究所在工作區(qū)內開展了多年施工研究工作，工作區(qū)鉆探施工揭露地層以印支期、燕山期花崗巖為主，見少量煌斑巖和輝綠巖；構造巖以花崗碎裂巖、碎裂花崗巖、硅化碎裂巖、硅化構造角礫巖為主［4］。

1.2 鉆孔基本情況

長江1 號深鉆（GUSD-1）鉆孔是廣東省仁化縣油洞地區(qū)鈾礦鉆探工程項目下的科研深孔，位于距仁化縣城48 km 的油洞地區(qū)，于2019年11月3日開孔，2020 年1 月18 日—4 月15 日因春節(jié)疫情停工，2020 年7 月8 日終孔，終孔孔深1 709.34 m（表1）。

表1 長江1 號深鉆（GUSD-1）鉆孔基本數(shù)據表Table 1 Basic borehole data sheet of ChangJiang No.1 Deep Drill（GUSD-1）

開孔直徑φ130 mm，終孔直徑φ75 mm，其中φ95 mm 鉆進至1 370 m，滿足φ95 mm 施工至1 000 m 以下的設計要求。

1）先采用φ130 mm 口徑硬質合金鉆頭開孔，穿過表層到風化層，下φ127 mm 套管；

2）換φ110 mm 口徑金剛石鉆頭鉆進，穿過風化層并繼續(xù)鉆進至57.85 m，下φ108 mm 套管，以預防孔內復雜情況，同時保障鉆孔偏斜度滿足設計要求；

3）下入φ108 mm 套管之后，換S95 口徑金剛石鉆頭鉆進，鉆至1 370 m左右，下入φ91 mm套管；

4）下入φ91 mm 套管之后，換S75口徑金剛石鉆頭鉆進，至終孔1 709.34 m。

在整個施工過程中，根據工程地質條件，下入3 層套管（φ127 mm、φ108 mm、φ91 mm）進行護孔止漏（圖1）。

圖1 設計及終孔鉆孔結構圖Fig.1 Comparison between the design and finished borehole structure

1.3 采用鉆探設備及場地建設情況

長江1 號深鉆（GUSD-1）采用的主要鉆探設備為：HXY-6A 鉆 機、HCX-18 型鉆塔、BW-300/16 型泥漿泵、2 m3泥漿攪拌桶，附屬設備主要有S114/6 型液壓管鉗1 臺、泥漿性能測試儀1套（圖2，圖3）。

圖2 長江1 號深鉆（GUSD-1）使用的主要設備照片F(xiàn)ig.2 Photos of main equipment used in ChangJiang No.1 Deep Drill（GUSD-1）

圖3 長江1 號深鉆（GUSD-1）平面部署圖Fig.3 Layout of ChangJiang No.1 Deep Drill（GUSD-1）

2 關鍵施工工藝技術應用研究

2.1 鉆頭規(guī)格選擇應用及鉆效分析研究

本次施工共選擇使用了37 個金剛石鉆頭，其中φ 95mm 金剛石鉆頭24 個，平均進尺54.75 m，φ75 mm 金剛石鉆頭11個，平均進尺30.82 m，φ95 mm金剛石鉆頭最高壽命127 m，φ75 mm金剛石鉆頭最高壽命82 m。

通過統(tǒng)計1 000 m深度后金剛石鉆頭的純鉆效率，發(fā)現(xiàn)S95 mm金剛石鉆頭的純鉆效率是S75 mm金剛石鉆頭的1.76倍，原因分析：一是在1 370 m深度處螺桿糾斜之后換S75口徑，并采取了控制鉆速等措施以達到防斜保直的目的［5］；二是隨著頂漏鉆進深度的增加，孔內負荷增大，在采取降低轉速措施的同時，鉆進效率也相對降低；三是深部地層構造蝕變發(fā)育，巖層軟硬不均衡，鉆頭適應能力差，損耗較大。

鉆頭使用壽命統(tǒng)計分析：剔除最后一個未消耗完畢鉆頭，S95 mm 鉆頭使用平均壽命為55.17 m，S75 mm 金剛石鉆頭使用平均壽命為33.91 m。原因分析：一是隨著孔深增加，排粉難度大，導致孔內含砂量增加，鉆頭消耗磨損快；二是S75 mm 金剛石鉆頭鉆進過程中采取的控制鉆速等措施對鉆頭使用壽命會產生一定影響；三是深孔換徑后選用的鉆頭與鉆具匹配不太合理，導致壽命較低。

2.2 液動沖擊器應用研究

2019 年10 月—2020 年5 月，基 于2020 年度生產中科研項目，聯(lián)合諸廣項目部于GUSD-1 號鉆孔及2020年度諸廣礦集區(qū)290-1、290-2及290-9 號機首批鉆孔開展S95 型液動沖擊器在斜孔中的應用試驗，并開展應用數(shù)據分析。

根據試驗數(shù)據對比分析，使用液動沖擊器與傳統(tǒng)工藝相比，平均鉆進效率提高了5%，輔助維護時間平均提高了22.4%，不同鉆孔的輔助時間因孔深、地層、人員熟練度等因素差異較大［6］（表2）。在易打滑地層進行效率數(shù)據分析，發(fā)現(xiàn)使用液動沖擊器效率明顯優(yōu)于普通回轉鉆進，純鉆時效由0.52 m/h可提高至0.96 m/h，效率提升84.62%。

表2 液動沖擊器與傳統(tǒng)工藝鉆進效率對比Table 2 Comparison of drilling efficiency between hydraulic impactor and traditional technique

在本次試用中發(fā)現(xiàn)了以下一些問題，并提出了解決問題的建議，為后續(xù)繼續(xù)改進工藝提供參考：

1）在孔內含砂量較高時，每鉆進4～5 回次，沖擊器堵死或磨損嚴重不能工作，建議加強泥漿凈化工作，嚴格控制固相含量；

2）所鉆進巖層為致密易打滑的堅硬巖層時，液動沖擊器相對普通回轉鉆進時效提高84.62%，建議根據地層巖性，針對性搭配使用液動沖擊回轉鉆進工藝；

3）部分鉆桿因長期受管鉗擰卸，出現(xiàn)輕微變形情況，容易導致液動沖擊器下入不暢，建議配備液壓管鉗使用，改善鉆桿擰卸狀態(tài)。

2.3 液壓管鉗改造應用

長江1 號深鉆（GUSD-1）設計為斜孔，設計孔深較深，使用人力拆卸鉆桿耗費時間較多，勞動強度較大。廠家設計液壓管鉗均為直孔使用，因此有必要開展斜孔用液壓管鉗的改造應用。

原廠設計是用于直孔，液壓管鉗塔頂垂直于井口，液壓管鉗前后微調使用，液壓管鉗上下卡盤，直孔狀態(tài)下通過前后調整液壓管鉗的水平狀態(tài)，實現(xiàn)與鉆桿成為90°夾角，管鉗才對鉆桿的損傷降到最低，液壓管鉗才能正常工作。在斜孔施工中，液壓管鉗要進行進一步的角度改裝，通過在液壓管鉗底部兩端增加調節(jié)螺桿，使液壓管鉗的工作卡盤與斜孔施工的鉆桿形成90°夾角，以實現(xiàn)在斜孔生產中的工作需求（圖2，圖4）。

圖4 液壓管鉗改進設計圖Fig.4 Improved design drawing of hydraulic pipe wrench

通過分析人工與液壓管鉗擰卸鉆桿的起鉆時效與下鉆時效分析得出，液壓管鉗使用效率微高于人工方式（表3），卸扣時不需要人工搬管鉗，降低了安全風險和勞動強度。

表3 液壓管鉗與傳統(tǒng)方式效率分析Table 3 Efficiency analysis of hydraulic pipe wrench and traditional method

2.4 斜孔定向鉆進技術應用研究

設計要求：長江1 號深鉆（GUSD-1）設計孔深1 500 m，方位角68°，傾角80°，孔終1 500 m 位置，鉆孔實際軸線與設計軸線偏離的最大值不超過45 m。

實際情況：長江1 號深鉆（GUSD-1）實際開孔方位角66.6°，傾角80.8°，經過上部兩次換徑鉆進到57.85 m 并下入φ108 mm 套管之后，采用φ95 mm 金剛石繩索取心鉆具鉆進至1 199.00 m。在1 195.00 m 處測得方位角為83.90°，傾角為77.46°，偏斜距為32.9 m。鉆孔若按現(xiàn)有的偏斜趨勢，鉆進至終孔孔深1 500 m 處偏斜距將達到53.71 m。繼續(xù)施工無法滿足設計要求，必須及時采取有效糾斜措施。本次糾斜使用4LZ-73-4φ73 mm（1.2°）彎螺桿鉆具配DXY-2型數(shù)字鉆孔定向儀和φ75 mm 金剛石糾斜鉆頭，通過分段糾斜法，成功將鉆孔偏斜糾至地質設計要求［7-8］，為后續(xù)施工留出偏斜余量，在1 300 m 內將方位角控制在70°以下、傾角控制在80°左右（圖5）。

圖5 小口徑螺桿定向糾斜技術原理Fig.5 Technical principle of directional correction of small diameter screw

處理方案：

孩子的年齡和心智有其年齡段的特點，不要過分強調一致性，不要和別的孩子硬性地比較，而要鼓勵自己的孩子成為他希望成為的那種人——“雖然和高考狀元不同，但媽媽認為你同樣是可愛的”，這是在打好孩子的心理基礎。

1）采用φ75 mm 口徑鉆進至1 245.00 m，采取巖心，為糾斜段補取巖心；

2）糾斜起始點定為1 199.00 m 左右，該孔段巖層巖石硬度適中（8 級），地層完整，為糾斜工作提供了有利的地層基礎；

3）糾斜孔徑為φ75 mm，導斜孔徑為φ95 mm；

4）先降方位，后降頂角。因頂角需要的降量較小（2.54°），在降方位的同時也可以兼顧降頂角；

5）采用分段造斜法，即以15 m 左右長度進尺進行分段糾斜、導向擴孔、穩(wěn)斜鉆進，控制每段糾斜進尺2～3 m、將糾斜段孔徑導向擴孔至95 mm、導斜擴孔導斜進尺10～15 m；

6）每糾斜一次測一次斜，并根據測斜結果調整下一次糾斜參數(shù)。

處理結果：長江1 號深鉆（GUSD-1）共進行了6 次糾斜，方位角從原孔的83.90°糾至新孔1 280 m 處的65.4°，糾斜量18.5°；傾角從原孔的77.46°糾至新孔1 280 m 處的77.81°，糾斜量0.35°，達到既定的糾斜目標（表4）。

表4 長江1 號深鉆（GUSD-1）測斜結果Table 4 Tested inclination results of ChangJiang No.1 Deep Drill（GUSD-1）

3 施工中存在問題及解決措施

3.1 深孔鉆進鉆頭壽命較低

因地層硅化蝕變發(fā)育，石英含量增加，軟硬互層頻繁，研磨性增加，以往工作區(qū)使用S75 系列鉆頭均在1 000 m 以內鉆孔深度，超過1 000 m 孔段未進行使用試驗。剛換徑S75 口徑時，在1 370.29～1 552.46 m 孔段，使用S75 鉆頭8 個，平均壽命僅22.77 m，遠遠低于諸廣其他工作區(qū)淺孔段S75 鉆頭平均壽命（65.68 m）。通過改進鉆頭胎體配方，提高胎體硬度（HRC25-30），降低金剛石濃度（80%），增大金剛石目數(shù)（60 目），在1 552.46～1 709.34 m 孔段使用鉆頭3個，平均壽命52.29 m。

3.2 中細?；◢弾r地層打滑不進尺

在S95 口徑鉆進至320～660 m 處時，鉆遇中細?；◢弾r，石英含量達30%以上，鉆頭易發(fā)生打滑不進尺現(xiàn)象，純鉆效率低，小時效率僅0.4 m/h。新鉆頭往往鉆進1～2 m 后胎體就不能自銳，出現(xiàn)打滑不進尺現(xiàn)象。使用常規(guī)磨石子工藝效果不佳，使用液動沖擊器后，提高純鉆效率84.62%，解決了該地區(qū)打滑層鉆進鉆頭不出刃問題。

3.3 深孔施工起下鉆勞動強度大

GUSD-1 起下鉆共計62 次，其中因鉆頭消耗原因起下鉆37 次，因巖心堵卡、鋼絲繩斷等起下鉆12 次，因鉆孔定向糾斜起下鉆13 次，超過1 000 m 深度時起下鉆36 次。深孔起下鉆時間長，勞動強度大，以往液壓管鉗適用于直孔，斜孔中使用較少。通過改造液壓管鉗，加裝角度調整裝置，改善液壓管鉗夾持狀態(tài)，減輕了鉆工勞動強度，提高了起下鉆安全性能。

3.4 花崗巖中定向鉆進效率低

定向鉆進需采用全面鉆進碎巖方式，花崗巖硬度大，研磨性強，初始定向時選用PDC 鉆頭和金剛石鉆頭全面鉆進，定向效率低，僅為0.2 m/h，改為表鑲金剛石鉆頭后可達0.4 m/h，效率提高50%。

3.5 深孔鉆進全孔漏失

鉆進至816.4～822.3 m 處遇到大裂隙漏失地層，816.4 m 之后沖洗液失返。選擇常規(guī)處理方法，在沖洗液中加入適量聚丙烯銑胺、鋸末，堵漏效果較差，孔口依然沒有沖洗液上返。之后采取向孔內灌水泥，待水泥固化之后，鉆穿水泥后，堵漏效果依然不理想，孔口依然不返沖洗液，選擇頂漏鉆進至終孔［9］。

頂漏鉆進難點：

1）頂漏鉆進易發(fā)生燒鉆事故。頂漏鉆進中，鉆桿柱內泥漿液面與孔內液面有一個衡定壓差，壓差較低，鉆桿柱內的泥漿一般處于不滿管狀態(tài)，通過鉆頭的沖洗液流量不均勻，易發(fā)生燒鉆事故［10］；

2）在繩索取心鉆進中，孔內沖洗液面低，投放內管困難，用打撈器將內管送到位之后，不能投放脫卡器，打撈器無法脫卡；

3）頂漏鉆進中，漏失層上部鉆桿沒有沖洗液潤滑，與孔壁處于干摩擦狀態(tài)。這種狀態(tài)影響了孔壁的穩(wěn)定性，孔壁在地應力的作用下處于失穩(wěn)狀態(tài)，易發(fā)生孔內坍塌、掉塊現(xiàn)象，導致卡鉆事故。干摩擦狀態(tài)也導致鉆進過程中鉆桿柱負荷增加，鉆桿柱承受的扭矩變大，加大了鉆桿的磨損，這些因素都會導致鉆桿脫扣事故的發(fā)生。

頂漏鉆進處理方案：

1）注入潤滑減阻材料：通過在鉆桿柱與孔壁間注入潤滑減阻材料，能減低鉆桿與孔壁的摩擦、鉆機的負荷和鉆桿柱的扭矩，預防并減少孔內事故的發(fā)生［11］。根據鉆孔地層情況、扭矩的大小來選用以下兩種材料。一是聚丙烯銑胺水溶液，適用于地層完整、孔深較淺的鉆孔。二是在鉆桿上涂抹二硫化鉬鋰基潤滑脂，適用于地層較破碎，孔深較深的地層。由于之前添加聚丙烯銑胺堵漏效果不理想，所以選擇在鉆桿上涂抹二硫化鉬鋰基潤滑脂。

2）鉆進參數(shù)的選擇：在頂漏鉆進中，鉆進參數(shù)應偏小，并在同一地層中鉆進時，保持穩(wěn)定的鉆進參數(shù)（表5）。

表5 鉆進參數(shù)表Table 5 Drilling parameter

3）較完整地層沖洗液選擇：一般較完整的地層主要采用聚丙烯酰胺低固相沖洗液（表6）。沖洗液性能指標：密度l.03～1.05 g/cm3，漏斗粘度為15～l6，pH 值為9～10。

表6 泥漿配方表Table 6 Mud formula

4 結語

長江1號深鉆（GUSD-1）設計深度1 500 m，終孔深度1 709.34 m，圓滿完成設計工作量，創(chuàng)造了粵北地區(qū)鈾礦勘查鉆孔施工最深記錄。通過該鉆孔施工，積累了深孔施工經驗，鍛煉了鉆探隊伍，為諸廣及我國鈾礦開辟第二找礦空間提供有力鉆探技術支撐。

1）深孔施工需注重井身結構設計，S75、S60 等小口徑施工深孔存在鉆孔質量差、孔內事故多發(fā)、鉆進效果低的缺點，深孔施工設計時上部孔段易采用S122 口徑及S95 口徑作為主要施工口徑，較大口徑施工上部孔段可以有效的減少孔內事故的發(fā)生，保證鉆孔偏斜度的要求。

2）使用液動沖擊器與傳統(tǒng)鉆進工藝相比，鉆進效率平均提高5%，輔助時間平均提高22.4%，使用液動沖擊器在易打滑地層可提高鉆進效率80%以上。液動沖擊器更適合在油洞工作區(qū)細粒花崗巖地層使用，下一步聯(lián)同廠家優(yōu)化改進沖擊結構，加強沖洗液維護，延長使用壽命。

3）所進行的斜孔施工液壓管鉗的改造，與傳統(tǒng)人工起下鉆相比，減少了深孔起鉆時間，下鉆時間基本相同，大大降低了工人勞動強度。

4）首次成功在粵北花崗巖地區(qū)實施了小口徑螺桿定向鉆進技術。鉆孔設計方位角為68°，傾角為80°，實際開孔方位角為66.6°，實際開孔傾角為80.8°。在1 195.00 m 處測得方位角為83.90°，傾角為77.46°，偏斜距為32.9 m。通過螺桿鉆具定向糾斜技術，使用分段造斜法成功將方位角糾至65.4°，糾斜量18.5°，傾角糾至77.81°，糾斜量0.35°，取得了較好的效果。螺桿糾斜技術對方位角的修正較為明顯，且后續(xù)鉆進不會發(fā)生再度大幅度偏斜，但螺桿糾斜對頂角的修正程度不足，鉆桿容易再度上彎。

5）積累了花崗巖地區(qū)大深度斜孔施工S95及S75 口徑頂漏鉆進的經驗。

長江1 號深鉆（GUSD-1）在816.4～822.3 m遇到一次較大漏失，采用常規(guī)堵漏無效后，頂漏鉆進深度近900 m，創(chuàng)造了粵北花崗巖地區(qū)斜孔施工S95 及S75 口徑頂漏鉆進最深記錄，為后續(xù)類似工程提供了技術參考。