鄂爾多斯盆地鈾礦復雜地層鉆探施工技術

楊愛軍，要二倉，張富蘭

（核工業(yè)二〇八大隊，內(nèi)蒙古 包頭014010）

1 前言

根據(jù)國家對鈾資源的需求，近10年來中央加大了鈾礦地質找礦和勘探工作力度，投入了大量的鉆探工作量。在內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地和巴音戈壁盆地，僅2011年就投入了大量資金，開動鉆機20余臺，完成鉆探工作量120000m。鉆探深度從300～400m增加到700～800m，600m以上深孔占80%。堅硬地層致密泥巖、鈣質砂巖、卵礫石層等越來越厚，可鉆性級別在7級以上，鉆進難度越來越大；深孔復雜地層也使孔內(nèi)事故增加。這給我們鉆探工藝技術提出更高的要求。通過近10年的鉆探施工和調查分析之后，筆者認為在鈾礦復雜地層鉆探中，必須對長期沿用的一套鉆探方法和技術進行技術改造，針對不同的地層設計選用不同鉆頭，根據(jù)深孔施工難度制定出預防事故的措施?，F(xiàn)已初步形成一套地浸砂巖鈾礦鉆探施工經(jīng)驗和技術基礎。

1 鉆探施工難題

（1）致密泥巖平均厚度在50m左右，一些地段厚度達200m。硬致密泥巖中含有較多石英、鈣質成分，其粒度很細，結構緊密，表現(xiàn)為一般切削具很難切入，即使切入，其切入深度也很小，切入后由于細顆粒的研磨，很快將切削刃口磨鈍，表現(xiàn)為打滑不進尺。再加之致密泥巖具有高彈性，切削具壓入泥巖后產(chǎn)生的變形被泥巖的彈性變形所抵消，切削具向前移動時，所產(chǎn)生的變形很快恢復正常，現(xiàn)場把這種泥巖地層形象地稱為“橡皮層”。該地層鉆進時，泥巖抵抗切削工具壓入能力強。另外，巖石中粘土礦物成分含量高，水敏性強，易發(fā)生糊鉆和縮徑現(xiàn)象。這些因素造成鉆進時進尺慢、效率低，采用普通鉆頭鉆進，開始具有一定鉆速，很快切削具被磨鈍，失去切削能力，平均小時效率低于1．0m／h，同時由于易縮徑、護壁難，造成提下鉆困難，嚴重時會引發(fā)孔內(nèi)事故。

（2）鈣質膠結砂巖，平均厚度在150m左右，該類巖石硬度大、研磨性強、可鉆性級別高，鉆進切削巖石時，對切削工具磨損快。采用合金鉆頭鉆進，由于硬質合金硬度、耐磨性不能滿足需要，研磨損耗特別快，鉆頭壽命短，鉆進效率低，引發(fā)事故多。

（3）卵礫石巖層厚度大，進尺慢，事故多。90%的鉆孔在不同孔段出現(xiàn)卵礫巖層。該工作區(qū)卵礫巖層主要有兩種類型，一類是鉆孔上段的白堊系上部卵礫巖層；另一類是鉆孔下段的白堊系底部卵礫巖層。鉆孔上段白堊系上部卵礫巖層，深度在100m以上。最大厚80m，平均厚度在35m左右，該段卵礫巖層卵礫石間有泥質或砂質成份的充填物，與砂巖、泥巖夾層，軟硬互層頻繁，膠結性差，有的極為松散，卵礫石礫徑大小不等，2～6cm左右。白堊系底部卵礫巖層是該工作區(qū)普遍存在的一層卵礫巖層，深度280m以下，在工作區(qū)自北向南厚度逐步增大，最大厚度200m，平均厚度40m左右。卵礫石礫徑大小不等，最小6cm，最大為超過幾百毫米的漂石。卵礫石成份以石英巖為主，部分為花崗巖。巖石的硬度大、抗壓強度高、研磨性強，可鉆性級別大于Ⅶ級。由于卵礫石巖層結構松散，甚至無膠結，其間存有很大的自由度，在外力的作用下，卵礫石非常容易轉動。鉆進過程中巖粉出屑多、顆粒較大，常發(fā)生卡鉆、埋鉆、蹩斷鉆桿、探頭石等孔內(nèi)事故，加之卵礫石石質堅硬，鉆探效率低。

（4）由于在沉積巖地層施工，鉆孔深，孔壁穩(wěn)定性差，引發(fā)鉆孔自然事故多。地層大多為各沉積體系的松散砂巖、砂礫巖、致密泥巖、鈣質膠結砂巖和卵礫石層，鉆進揭露時孔壁裸露一定時間后，在鉆具的回轉振動、敲擊孔壁以及提下鉆具抽吸等外力的作用下，易出現(xiàn)孔壁坍塌等現(xiàn)象，造成孔段多處嚴重超徑，從而引發(fā)埋鉆、卡鉆、鉆桿折斷等事故。

3 不同鉆頭在鈾礦復雜地層鉆探中的應用

3．1 致密泥巖地層

設計新型齒形復合片，鉆進時切削齒單位壓力增大，切入巖石較深，并在孔底形成多個齒形環(huán)，即形成多個自由面，使巖石產(chǎn)生拉應力破碎。同時新型齒形復合片的高耐磨性，使切削具保持鋒利，表現(xiàn)為鉆頭鉆進該地層時具有高效率和長壽命。齒型復合片切削具比圓片復合片出刃鋒利，與孔底接觸面積小，所需要的鉆壓小，易于切入巖石，進尺快，但抗彎能力差，在鉆頭保徑方面，較軟的致密泥巖，采用條狀合金，較硬的致密泥巖，采用金剛石聚晶體。

根據(jù)巖石的硬度，合理布置齒形復合片鉆頭的鑲焊密度。鉆進硬度小致密泥巖鑲焊4組復合片，硬度大致密泥巖的鑲焊6組復合片。選用Φ110mm雙環(huán)式齒形復合片鉆頭（6組）和Φ110mm雙環(huán)式齒形復合片鉆頭（4組）。鉆進效率達到2．58～2．6m／h，比普通復合片鉆頭提高27～73%。Φ110mm雙環(huán)式齒形復合片鉆頭（4組）鉆頭壽命71m，Φ110mm雙環(huán)式齒形復合片鉆頭（6組）鉆頭壽命100m，基本能解決鄂爾多斯盆地鈾礦致密泥巖鉆進困難。

鉆頭特點是水口大、出刃大，有利于排除巖粉，進尺快，避免巖心堵塞，泥包鉆頭和燒鉆，如圖1和圖2。

圖1 Φ110mm雙環(huán)平底齒形復合片鉆頭（4組）

3．2 鈣質膠結砂巖

圖2 Φ110mm雙環(huán)齒形復合片鉆頭（6組）

根據(jù)鈣質膠結砂巖硬度高、研磨性強的特點和復合片高硬度、高耐磨性、高抗沖擊的性能，設計加工了Φ110mm雙環(huán)式圓片狀復合片鉆頭、Φ110mm交錯式圓片狀復合片鉆頭。

Φ110mm雙環(huán)式圓片狀復合片鉆頭底唇面鑲焊6組12片Φ10×4．5的復合片，呈雙環(huán)狀排列，如圖3所示。

Φ110mm交錯式圓片狀復合片鉆頭，底唇面鑲焊6組Φ13．3×4．5的復合片，呈交錯狀排列；鑲焊角取15°，徑向角取15°，出刃高度設計為半出露型，鉆頭保徑采用合金，如圖4所示。

圖3 Φ110mm雙環(huán)式圓片狀復合片鉆頭

圖4 Φ110mm交錯式圓片狀復合片鉆頭

鈣質膠結砂巖鉆進效果：用普通合金鉆頭小時效率不足1m／h，用Φ110mm交錯式圓片狀復合片鉆頭，平均小時效率4．1m／h，用Φ110mm雙環(huán)式圓片狀復合片鉆頭，平均小時效率4m／h。

3．3 卵礫石地層

淺部松散小礫石（2～3cm）地層用牙輪鉆頭，鉆進速度5～10m／h。深部強膠結大卵礫石 （大于8cm）地層用加強型復合片鉆頭（圖5），鉆進速度2～4m／h，鉆頭壽命30～40m．用普通復合片鉆頭鉆進速度小于1m，壽命不足10m。加強型復合片比普通型復合片更大、更厚、密度更高、兩層結合更牢固。具有超強的耐磨性及抗沖擊性，壽命更長、效率更高。加強型復合片鉆頭焊接的復合片與其他復合片的區(qū)別在于其硬質合金與超硬磨料層之間結合狀態(tài)不同，其硬質合金結合面由平面改為網(wǎng)狀溝槽面，其形狀有半圓形、方形、梯形等，有各種分布形式，對稱排布。

圖5 加強型復合片鉆頭

4 深孔孔內(nèi)事故的預防措施

2003年孔內(nèi)事故率為15%，經(jīng)過實踐摸索，制定出深孔事故預防措施后，事故率降為3%，提高了效率，降低了成本。深孔事故預防措施如下：

（1）深孔鉆進鉆桿承受扭矩和拉力大，為防止鉆進中脫扣、跑鉆、斷鉆，嚴禁把絲扣磨損嚴重、彎曲、裂紋的鉆桿鉆具下入孔內(nèi)；深孔鉆進鉆桿接頭多，要在絲扣上涂抹絲扣油，以便于卸扣和保護絲扣、預防漏水。

（2）上下鉆時要嚴防跑鉆，深孔上下鉆起重量大，跑鉆后沖擊力更大，會造成鉆桿墩鼓、鉆頭墩裂。發(fā)生跑鉆時，應將鉆具提出孔外檢查，嚴禁在孔內(nèi)對接繼續(xù)鉆進?？刂坪侠淼钠鹣裸@速度，操作升降機要平穩(wěn)，盡量減小慣性力效應，避免和減少激動壓力和抽吸作用，防止坍塌。

（3）鉆進時要隨時調整沖洗液性能，鉆進前后多沖孔，保持孔內(nèi)清潔。

（4）操作中每個回次的前后要仔細稱重，避免脫扣、斷鉆時的判斷失誤，造成事故的復雜化。每個回次前后準確丈量機上余尺，保證出現(xiàn)事故時事故位置清楚。時刻注意孔內(nèi)返水、泵壓、電流變化及異常聲響，防止斷鉆、燒鉆。

（5）鉆進合車時，由于深孔摩擦阻力大，鉆頭要離開孔底，緩慢輕合離合器，待轉速接近選定速度時，鉆頭再接觸孔底正常鉆進，避免瞬間扭矩過大使鉆桿折斷。

（6）穿過主斷層時，及時更換新鉆具，鉆具上部選用幾根新鉆桿，防止疲勞斷裂，預防復雜事故的發(fā)生?？變?nèi)漏失不返水時，要在鉆桿上涂抹潤滑脂，降低回轉阻力和鉆桿磨損。

（7）在鉆進復雜地層時，如出現(xiàn)機械事故或其它停待時間，應將孔內(nèi)鉆具提出，或提離復雜地層。

（8）用鉆鋌孔底加壓，中和點離鉆頭較近，鉆桿柱受力狀況較好，不易折斷；鉆鋌壁厚，能保證鉆桿柱重壓下的必要強度，減輕鉆具的振動，擺動和跳動，有效控制孔斜，因此盡量用鉆鋌加壓，使中和點落到鉆鋌上頂部。

（9）孔徑太大鉆桿擺動范圍大，需要加強泥漿護壁以預防超徑，在地質許可范圍內(nèi)應盡量用小徑鉆頭鉆孔。

（10）深孔盡量用卡簧、卡料取心，以防干鉆采心而發(fā)生鉆桿柱折斷事故。

5 結束語

根據(jù)鄂爾多斯盆地和巴音戈壁盆地鈾礦深孔復雜地層中的致密泥巖、鈣質砂巖、卵礫石層的鉆進困難問題，設計選用了齒形復合片鉆頭、圓片狀復合片鉆頭、加強型復合片鉆頭，并取得了很好的鉆進效率；采用預防深孔事故的措施，降低了施工事故率。

隨著鉆孔越來越深，施工難度越來越大，出現(xiàn)的問題會越多，因此需要我們對新的鉆探難題多研究、多總結，盡量減少事故率。

［1］李天明，李大佛，陳洪俊，雷艷，劉紅旗 ．用于礫石夾層鉆進的新型PDC鉆頭的研制與使用［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2006（8）．

［2］李雨，蔡家品，賈美玲，張建元，趙爾信．硬致密泥巖鉆進的新型復合片鉆頭的研究與應用［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2006（9）．

［3］要二倉，楊愛軍，張富蘭．地浸砂巖型鈾礦中－深孔鉆探技術研究科研成果報告［R］．2007．

［4］要二倉，楊愛軍，張富蘭．地浸砂巖型鈾礦硬致密泥巖地層鉆頭的研究與應用科研成果報告［R］．2009．