伊犁盆地砂巖型鈾礦孔斜防控實踐分析

肖長城

（核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

1 勘查區(qū)地質概述

新疆伊犁盆地鈾礦勘查區(qū)隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州察布查爾錫伯自治縣，工作區(qū)總面積約600 km2。鉆探工作區(qū)位于察布查爾山北坡緩傾斜的山前斜坡帶上，地勢總體南高北低。南部為丘陵區(qū)北部為沖積平原，地勢切割較強烈，地形坡度2.5°～5°。溝谷附近地形稍復雜，地形坡度可達23°。伊犁盆地南緣是伊寧凹陷內構造相對穩(wěn)定區(qū)，中新生代地層在每個斷階上總體呈向北緩傾的單斜構造，地層發(fā)育較齊全。東、西段后期構造活動，尤其是新構造運動強度有明顯差異，西部構造活動較弱，為向北緩傾的單斜構造；東部構造活動強烈，由一系列排列緊密的背、向斜組成，斷裂發(fā)育，局部中新生界在山前倒轉產出。根據(jù)地質資料和以往鉆孔揭露，區(qū)內主要分布地層為第四系、第三系、白堊系、侏羅系、三疊系等。區(qū)內復雜地層占比大，地層軟硬交替頻繁，帶傾角，不勻質，破碎，遇水膨脹與剝落坍塌、涌水與漏孔等現(xiàn)象并存，鉆探施工難度大。新近系、三疊系破碎泥巖地層水敏、坍塌以及白堊系風化層段孔壁掉塊垮塌導致的鉆孔擴徑現(xiàn)象普遍［1］。典型的鉆孔結構見圖1、圖2。

圖1 除第四系外全孔取心普通地質孔結構Fig.1 Conventional core drilling structure for the full hole (below overburden)

圖2 目的層取心普通地質孔結構Fig.2 Conventional core drilling structure for the target formation

2 伊犁片區(qū)普通取心鉆進孔斜控制現(xiàn)狀

2.1 典型中深孔孔斜控制情況

2018 年，核工業(yè)二一六大隊鉆探工程院在伊犁南緣中西段、洪海溝地區(qū)開展中深孔鉆探施工研究，勘查中深部三疊系小泉溝群。該項目施工的ZK7057 號鉆孔，終孔孔深1100.86 m，為歷年來在伊犁盆地鈾礦勘查工作中施工的最深孔，該孔終孔頂角28.65°，偏斜距176.99 m，孔斜超標。

2019 年，核工業(yè)二一六大隊鉆探工程院在伊犁南緣中西段地區(qū)繼續(xù)開展中深孔施工科研工作。該項目施工的445353 鉆孔終孔孔深1047.88 m，孔斜頂角28.10°，孔斜超標。

2.2 2019 年鉆孔孔斜技術指標

2019 年共施工鉆孔87 個，累計工作量55676.16 m，平均孔深639.68 m，孔斜數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 2019 年伊犁片區(qū)鉆孔孔斜數(shù)據(jù)匯總Table 1 Borehole deviation data of the Yili drilling area for Year 2019

2019 年伊犁片區(qū)鉆孔孔斜平均偏斜距較大，各子項目平均偏斜距差距較大，因偏斜距超標導致的降級孔有2 個，對地質成果質量和鉆探經濟效益影響較大。

2.3 影響中深孔孔斜防控技術分析

伊犁片區(qū)普通取心鉆進軟巖中深孔導致孔斜的因素有操作因素、地層因素、鉆具組合和鉆進工藝因素等。其中地層復雜，普通取心鉆進鉆桿剛度低，在孔內轉動時甩動幅度大，是導致中深孔孔斜控制困難的主要影響因素［2-4］。

根據(jù)伊犁片區(qū)歷年測井資料統(tǒng)計，水敏、破碎、坍塌等易擴徑孔段的成孔直徑比鉆頭直徑平均大約10%。其它孔段擴徑、縮徑現(xiàn)象并存，但幅度皆較小，孔徑比鉆頭直徑超差在±2%左右。因區(qū)內復雜地層占比較大，超徑與縮徑現(xiàn)象并存，如使用直徑較小的鉆頭，形成較小的環(huán)狀空間，則孔內泵壓不穩(wěn)，影響巖心采取率和孔內鉆進安全。區(qū)內非目的層鉆進段使用?113 mm 及以上直徑的鉆頭居多，下部目的層孔段在孔內占比較小，占5%～10%，多采用?98 mm 雙套鉆頭，鉆孔成孔的環(huán)狀空間較大。據(jù)孔徑和孔斜測井數(shù)據(jù)對比分析得出，超徑幅度在10%左右的孔段的孔斜增長率是非超徑孔段的1～2 倍，孔內環(huán)狀空間越大導致的鉆桿甩動幅度就越大，對孔斜的影響就越大。

3 2020 年伊犁片區(qū)孔斜防控技術改進措施

核工業(yè)二一六大隊在伊犁片區(qū)開展過繩索取心鉆探技術的研究，孔斜控制較好，但伊犁片區(qū)全孔取心鉆孔數(shù)量很少，使用繩索取心鉆進目的層取心鉆孔經濟性差，未在該片區(qū)普及使用。近年來在伊犁片區(qū)開展的孔斜防控改進技術研究主要針對普通取心鉆進工藝。2020 年針對普通取心鉆進鉆桿剛度低、在孔內轉動時甩動彎曲幅度大而導致孔斜的問題，進行了技術改進。

3.1 扶正器

扶正器（見圖3）設計規(guī)格為：直徑102 mm、長度400 mm，對應使用的鉆頭直徑為113、104、98 mm。扶正器長度、直徑選用要適用于伊犁片區(qū)復雜地層［5］，防止孔內坍塌、卡鉆等復雜情況發(fā)生時增加處理難度［6-7］，保證孔內安全。扶正器表面開直槽以利于泥漿上返，直槽邊上鑲硬質合金提高耐磨性。

圖3 現(xiàn)場使用的扶正器Fig.3 Centralizer used for drilling

針對普通取心鉆進鉆桿剛度小、成孔環(huán)狀空間大、孔內超徑［8］現(xiàn)象普遍等對控制孔斜不利的因素，使用扶正器能達到滿眼鉆進的效果，減少鉆桿彎曲對孔斜的影響?？商岣呖變茹@桿、鉆具轉動時的穩(wěn)定性、垂直度，保直防斜。

3.2 鉆具組合

扶正器主要在取心段使用，施工現(xiàn)場對扶正器的使用位置做了多組對比使用效果驗證，通過現(xiàn)場試驗優(yōu)選最佳扶正器安放位置及相應的鉆具組合。

3.2.1 非目的層鉆具組合及扶正器安放位置

優(yōu)化鉆具組合［9］：?104 mm/?113 mm 復合片單管取心鉆頭+?89 mm 巖心管（長6 m 左右）+?83 mm 鉆鋌單根（長4.75 m）+?102 mm 扶正器+?83 mm 鉆 鋌+?68 mm 鉆 鋌+?60 mm 鉆 桿+主 動鉆桿。

3.2.2 目的層鉆具組合及扶正器安放位置

優(yōu)化鉆具組合：?98 mm 復合片鉆頭+單動雙管鉆具（長4.5 m 左右）+?83 mm 鉆鋌單根（長4.75 m）+?102 mm 扶正器+?83 mm 鉆鋌+?68 mm 鉆鋌+?60 mm 鉆桿+主動鉆桿。

伊犁片區(qū)松散砂巖礦層目的層段使用單動雙管鉆具、?98 mm 復合片鉆頭取心鉆進，因地層極松散，受鉆桿、鉆頭擺動影響，實際成孔孔徑會略大于鉆頭直徑，因此?98 mm 復合片鉆頭搭配使用?102 mm 扶正器符合需求，實際使用效果較好。

3.3 鉆進參數(shù)

鉆進參數(shù)的選擇要在保證孔內鉆進安全、高效的前提下，根據(jù)不同地層選擇有利于孔斜控制的鉆壓、轉速、泵量，以取得良好的孔斜控制效果［10-11］。軟硬交替地層、含礫松散砂巖地層、傾斜地層使用推薦鉆壓的下限值［12-14］。鉆進參數(shù)選擇見表2。

表2 鉆進參數(shù)選擇Table 2 Drilling parameters

3.4 孔斜防控技術改進原理分析

?102 mm 扶正器連接在?83 mm 鉆鋌單根上部，可與下部直徑較粗的取心鉆具、鉆頭在孔內孔壁上形成穩(wěn)定的兩個滿眼支撐點，有效減少兩點之間鉆具的甩動彎曲幅度。?83 mm 鉆鋌質量大、剛度高，可減壓鉆進，有效減少孔底使用?83 mm 鉆鋌段鉆具轉動時甩動彎曲的幅度，對孔斜有很好的控制校正作用。

4 2020 年試驗項目實施及工程量完成情況

4.1 設備配置

試驗區(qū)內施工的鉆孔以普通地質孔為主，設計孔深在500～900 m。根據(jù)鉆孔情況配置使用XY-5和XY-6N 型立軸式鉆機、A 字形18 m 鉆塔、NBB250、NBB-260 型泥漿泵等進行施工。

4.2 試驗區(qū)選擇

扶正器外徑較粗，在軟巖復雜地層使用會增加孔內風險，試驗區(qū)應選在地層較穩(wěn)定的片區(qū)。蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾、梧桐溝片區(qū)上覆第四系地層厚度薄、穩(wěn)定，下部破碎地層少，扶正器及鉆具優(yōu)化組合孔斜防控現(xiàn)場試驗主要在以上3 個片區(qū)實施。

4.3 工程量完成情況

2020 年伊犁鈾礦勘查項目共施工了4 個子項目：伊犁洪海溝北部項目、庫-烏調查項目、蒙其古爾P57-L0 項目、闊斯加爾項目，共施工鉆孔67 個，累計完成工作量42300.58 m，平均孔深631.35 m。

伊犁梧桐溝項目完成市場煤炭孔2 個。

5 防斜試驗效果

5.1 蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾片區(qū)孔斜防控效果對比分析

2020 年在蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾片區(qū)使用扶正器共施工鉆孔32 個，其中800 m 以深鉆孔1個，700～800 m 深鉆孔9 個，600～700 m 深鉆孔16個，500～600 m 深鉆孔6 個，完成工作量20963.88 m。蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾片區(qū)孔斜防控技術改進試驗項目效果評價對比分析見表3。

表3 蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾片區(qū)2019 年、2020 年孔斜指標對比Table 3 Comparison of borehole deviation between the Mengqiguer and Kuosijiaer drilling areas for Year 2019 and 2020

蒙其古爾片區(qū)孔斜達標率為100%，平均偏斜距由2019 年的35.07 m 下降至16.79 m，降幅52.12%。闊斯加爾片區(qū)孔斜達標率為100%，平均偏斜距由2019 年的19.01 m 下降至16.36 m，降幅13.94%。兩個片區(qū)的鉆孔平均偏斜距下降幅度明顯，扶正器及鉆具優(yōu)化組合的孔斜防控技術應用效果良好。

5.2 伊犁梧桐溝項目孔斜防控效果對比分析

梧桐溝煤田市場項目處于山邊溝谷中，地勢起伏大，地層有傾角，軟硬地層交替頻繁，孔斜控制較為困難［15］。使用扶正器及鉆具優(yōu)化組合技術施工完成的100-4 號孔，設計為2°斜孔，終孔偏斜距72.48 m，達到了甲方的質量要求標準。未使用扶正器及鉆具優(yōu)化組合技術施工的直孔98-4 號孔，終孔孔深912.03 m，孔斜偏斜距352.62 m，未達到甲方質量要求標準。鉆孔技術指標見表4。

表4 100-4、98-4 號孔鉆孔孔斜技術指標Table 4 Deviation data of borehole 100-4 and 98-4

5.3 2020 年伊犁片區(qū)孔斜防控效果對比分析

2020 年伊犁片區(qū)孔斜數(shù)據(jù)匯總分析見表5。參與試驗項目的伊犁蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾地區(qū)鉆孔平均偏斜距為未參與試驗項目的伊犁庫-烏調查、洪海溝北部地區(qū)鉆孔平均偏斜距的60.76%。伊犁庫-烏調查地區(qū)有一個鉆孔孔斜超標，闊斯加爾、蒙其古爾P57-L0 地區(qū)無孔斜超標鉆孔。

表5 2020 年伊犁片區(qū)孔斜數(shù)據(jù)匯總分析Table 5 Borehole deviation data of the Yili drilling area for Year 2020

6 結語

2020 年伊犁片區(qū)針對鉆孔內鉆桿與井壁間環(huán)狀空間大導致的鉆桿甩動彎曲這一影響孔斜控制的主要因素，采取使用扶正器、優(yōu)化鉆具組合等技術改進措施，現(xiàn)場試驗驗證能大幅降低中深孔鉆孔的平均偏斜距，具有較高的推廣應用價值和前景。

2021 年計劃繼續(xù)完善孔斜防控技術項目實施方案，重點加強對扶正器的設計及使用進行改進，采取多點扶正、分級扶正的技術方案，繼續(xù)提高扶正器的使用效果。