新疆溫宿、庫車地區(qū)砂巖鈾礦繩索取心鉆探技術(shù)

趙河江

(青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)，青海西寧 810008)

新疆溫宿、庫車地區(qū)砂巖鈾礦繩索取心鉆探技術(shù)

趙河江

(青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)，青海西寧 810008)

介紹了在新疆溫宿縣、庫車縣煤田和砂巖型鈾礦鉆探施工中，將繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于沉積巖和軟巖地層施工的技術(shù)措施及效果。實(shí)踐表明，繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在沉積巖和軟巖地層同樣可以發(fā)揮鉆進(jìn)效率高的優(yōu)勢。

沉積巖;軟巖;繩索取心;斜孔;巖心鉆探;鉆井液

1 地層概況及鉆孔設(shè)計(jì)

施工地點(diǎn)位于新疆溫宿縣、庫車縣砂巖鈾礦勘探區(qū)內(nèi)，鉆孔所鉆遇地層主要是第四系、第三系和侏羅系中下統(tǒng)地層，其中第四系為松散砂礫石、砂質(zhì)粘土;第三系為褐灰色石子質(zhì)礫巖，粉砂質(zhì)泥巖;侏羅系中下統(tǒng)為主要目的層，巖性為砂巖、砂礫巖、泥巖和煤層。砂礫巖和砂巖多為泥質(zhì)弱膠結(jié)，無膠結(jié)。由于巖層膠結(jié)性差，鉆進(jìn)時(shí)只要鉆孔發(fā)生漏失，馬上就伴隨著卡、埋鉆事故。嚴(yán)重地阻礙了鉆探工程的正常進(jìn)行，每當(dāng)鉆孔深超過300 m后，施工困難加重，孔內(nèi)事故頻繁發(fā)生。

從取出的巖心可以看到，巖心呈“豆腐渣”狀。屬砂巖松散巖心，在機(jī)械震動(dòng)下很容易破碎，巖心膠結(jié)很差，可用手搓碎，這些巖石雖然松散，但是水銹不明顯，這說明有滲漏的可能或壓差漏失，但沒有大的漏失通道。

鉆孔設(shè)計(jì)均為斜孔。溫宿縣工區(qū)鉆孔方位角182°，傾角80°，鉆孔孔深一般在300～600 m之間;庫車縣工區(qū)鉆孔方位角185°，傾角為65°～75°不等，鉆孔孔深一般在400～700 m之間。

2 鉆探施工主要技術(shù)難題

依據(jù)該工區(qū)鉆孔設(shè)計(jì)及地層情況，該工區(qū)鉆探施工所面臨的主要技術(shù)難題有以下幾點(diǎn):

(1)該工區(qū)地質(zhì)設(shè)計(jì)鉆孔均為斜孔，且傾角在65°～80°，這將給鉆孔護(hù)壁、鉆孔防斜及鉆進(jìn)取心帶來極大的困難;

(2)該工區(qū)地層:第四系為松散砂礫石、砂質(zhì)粘土;第三系為褐灰色石子質(zhì)礫巖，粉砂質(zhì)泥巖;主要目的層侏羅系中下統(tǒng)，巖性為砂巖、砂礫巖、泥巖和煤層，砂礫巖和砂巖多為泥質(zhì)弱膠結(jié)或無膠結(jié)，屬松散、易坍塌、易滲漏復(fù)雜地層。選擇并用好與以上地層相適應(yīng)的鉆井液將是本工區(qū)鉆探成敗與否的關(guān)鍵所在。

3 鉆探設(shè)備、鉆探工藝及鉆孔護(hù)壁技術(shù)的選擇

3.1 主要設(shè)備及繩索取心鉆具的選擇

YDX－3L型全液壓鉆機(jī)3臺(tái)，XY－5型鉆機(jī)1臺(tái)套，繩索取心鉆具及配套設(shè)備4套，除砂器4臺(tái)。

針對(duì)地質(zhì)要求和地層特點(diǎn)，我們選擇了無錫鉆探工具廠生產(chǎn)的N規(guī)格系列繩索取心鉆具及總成，以提高鉆具的防斜性能和在易坍塌地層中的鉆進(jìn)能力，所選用的繩索取心鉆具具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)鉆具穩(wěn)定性好，防斜性能強(qiáng)，耐磨性強(qiáng)，壽命長;

(2)鉆具總成簡單耐用，維修方便;

(3)打撈機(jī)構(gòu)設(shè)有重錘，遇卡時(shí)可反向沖擊，內(nèi)管可輕松提出。

3.2 鉆頭和擴(kuò)孔器的選擇

根據(jù)巖石的可鉆性和研磨性等級(jí)，我們重點(diǎn)考慮選擇PDC復(fù)合片鉆頭。為穩(wěn)定鉆具，提高轉(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)形狀選擇臺(tái)階尖齒形復(fù)合片鉆頭。為降低泵壓，增大環(huán)狀間隙，有利于排除巖粉，則選擇80 mm鉆頭和80.5 mm擴(kuò)孔器。

(1)PDC鉆頭以剪切方式碎巖，在較低的轉(zhuǎn)速條件下也可獲得較高的鉆速，特別適合于軟巖地層巖心鉆探。

(2)由于PDC既具有金剛石的耐磨性和硬度，又具有硬質(zhì)合金的抗沖擊性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因而壽命較高，平均壽命195.75 m，最高壽命252.58 m。從磨損情況分析，PDC鉆頭的焊接工藝仍然存在問題，若加以改進(jìn)，鉆頭的使用壽命將大大提高。

(3)針對(duì)軟巖地層鉆進(jìn)每米成本約6.5元，接近硬質(zhì)合金鉆頭的水平，而且其成本下降的空間仍然很大。

(4)擴(kuò)孔器與鉆頭和鉆具的級(jí)配較為合理，擴(kuò)孔器使用壽命長。

3.3 對(duì)鉆頭的改進(jìn)

PDC鉆頭在軟巖鉆進(jìn)中取得了較好的技術(shù)效果，使整體的鉆探成本有所降低，但仍存在一定的問題，針對(duì)這些問題，我們對(duì)鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)。一是在軟巖鉆進(jìn)中，有時(shí)會(huì)發(fā)生憋泵現(xiàn)象，從而減少純鉆時(shí)間，為此將原水口高度增加;二是為降低單個(gè)鉆頭的成本，在不影響鉆頭內(nèi)外保徑和使用壽命的前提下，在某些孔段采用4組8粒的尖齒PDC復(fù)合片作切削具。此外建議提高焊接工藝，防止PDC復(fù)合片脫落，采用聚晶保徑，提高鉆頭的使用壽命。

3.4 鉆井液的選擇

分析礦區(qū)的地層情況，并結(jié)合繩索取心鉆進(jìn)對(duì)鉆井液的要求，我們把利用鉆井液維護(hù)孔壁安全、防止坍塌作為鉆井液選配的原則。經(jīng)室內(nèi)反復(fù)調(diào)配、分析、對(duì)比，最后確定在該礦區(qū)鉆進(jìn)使用的鉆井液配方和使用維護(hù)方案。以達(dá)到保證孔壁安全，防止泥漿滲漏，潤滑穩(wěn)定鉆具的目的。

3.4.1 鉆井液類型

開孔到穿過第四系地層使用低固相加入一定量水玻璃的鉆井液，下入孔口套管。穿過第四系地層以后，使用經(jīng)過改良的植物膠為主的無固相鉆井液。在松散的砂礫巖使用水玻璃無固相鉆井液。

3.4.2 鉆井液的配方和性能

3.4.2.1 水玻璃鉆井液

配方:PHP 0.05% ～0.1%，硫酸銨0.5% ～

，水玻璃3%～8%，磺化瀝青0.05%～0.1%，其它復(fù)合處理劑1%～1.5%，潤滑劑0.3%～0.5%。

性能指標(biāo):漏斗粘度23 s，塑性粘度9 mPa·s，動(dòng)切力3 Pa，密度1.04 g/cm3，pH值11。

樣品以砂土球、煤球、泥球在鉆井液中浸泡，久泡不散，而且表面有一層薄膜，說明該鉆井液的護(hù)壁和護(hù)心性能優(yōu)良。

3.4.2.2 低固相鉆井液

配方:Na2CO30.01%～0.03%，PHP 0.05%～0.1%，膨潤土2.5%，植物膠0.2%～0.5%。

性能指標(biāo):漏斗粘度28 s，塑性粘度14 mPa·s，動(dòng)切力3 Pa，密度1.03 g/cm3，pH值9，失水量10.5 mL/30 min，泥皮厚度＜1 mm。

3.4.2.3 植物膠無固相鉆井液

配方:Na2CO30.01% ～0.03%，高粘防塌劑0.1%～0.5%，植物膠0.3% ～0.7%，其它混合處理劑0.5%～1.5%，磺化瀝青0.5%～1%。

性能指標(biāo):漏斗粘度26 s，塑性粘度11 mPa·s，動(dòng)切力3.5 Pa，密度1.02 g/cm3，pH值9。

3.4.3 鉆井液的防塌性能

采用簡單的巖樣靜態(tài)浸泡方法對(duì)鉆井液的防塌性能進(jìn)行了試驗(yàn)。表1列出了3種巖樣在3種不同的鉆井液中的浸泡試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，水玻璃無固相鉆井液具有使巖樣表層硬化的固壁作用，并且一旦硬化層被撞擊出現(xiàn)裂紋或局部剝離脫落后，出現(xiàn)的裂隙和新裸露的巖樣表面，又會(huì)很快的固結(jié)和形成新的硬化層，從而保護(hù)了孔壁和巖心。

表1 鉆井液浸泡試驗(yàn)結(jié)果

4 防漏、防塌及堵漏措施

針對(duì)施工中孔內(nèi)出現(xiàn)的復(fù)雜問題，我們堅(jiān)持及時(shí)地封堵孔內(nèi)的漏失通道和滲漏量較大的孔段，使鉆井液保持正常循環(huán)的主導(dǎo)思想。因此，在塌漏的鉆孔中，堵漏便成為護(hù)壁的重要環(huán)節(jié)。堵漏治塌的方法有多種，在該工區(qū)的繩索取心鉆進(jìn)中選擇了以下幾種堵漏方法。

(1)PAM－水泥絮凝堵漏法:該方法見效快，有效而且經(jīng)濟(jì)。

(2)水玻璃－硫酸銨膠凝堵漏:該方法對(duì)于滲漏嚴(yán)重的“豆腐渣”砂巖層，可實(shí)現(xiàn)不停鉆堵漏，而且效果很好。

(3)鉆進(jìn)薄的松散層和煤層時(shí)，則從鉆桿內(nèi)直接倒入水玻璃水溶液。以“大劑量，小范圍”的方式固化孔壁。

5 鉆探施工技術(shù)

5.1 鉆孔方法

5.2 鉆進(jìn)參數(shù)及鉆具間隙

在軟巖地層采用繩索取心鉆進(jìn)斜孔時(shí)，鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)該比直孔鉆進(jìn)略大一些，具體參數(shù)視鉆孔傾角而定。傾角小，鉆壓大;傾角大，則鉆壓小，以保證鉆孔軌跡不離靶心。在硬巖地層鉆進(jìn)，鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙較小，使用清水+潤滑劑就基本可以保證鉆進(jìn)要求。而軟巖則不同，要考慮許多孔內(nèi)復(fù)雜情況，由于采用0DC復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)，巖粉顆粒大，若不及時(shí)排出，將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的孔內(nèi)事故，所以將環(huán)狀間隙加大，有利于排粉、降低泵壓。

5.3 鉆井液的使用及維護(hù)

使用無固相鉆井液，循環(huán)槽內(nèi)沉積的巖粉較多，說明它具有很好的排粉和清粉性能，而且?guī)r粉堆積密實(shí)、易于清除，此時(shí)應(yīng)注意補(bǔ)充相關(guān)的有機(jī)處理劑，以保證鉆井液性能。另外，現(xiàn)場使用旋流加振動(dòng)篩組合式除砂器，有效地清除了鉆井液中的顆粒狀鉆屑。

6 鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

(1)護(hù)壁效果:使用無固相鉆井液后，孔內(nèi)事故明顯減少。鉆井過程中無卡鉆、埋鉆和縮徑等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了全孔裸眼安全鉆進(jìn)。終后孔測井，探管上下順利，從物探測井資料上看，鉆孔孔徑完整，無超徑現(xiàn)象。

(2)護(hù)心效果:使用無固相鉆井液后，由于高分子聚合物大量的存在具有很好的固壁效果和包裹性能，在巖心表面形成一層良好的保護(hù)膜，有效地防止了水的滲透，從而有效地保護(hù)了巖(礦)心。從取出的煤心和松散砂巖(圖1)可以看出，巖心都能夠保持完整的圓柱狀。

圖1 在煤層和松散砂巖中取出的巖心

(3)鉆井液的潤滑性:繩索取心鉆桿外環(huán)間隙小，鉆桿與孔壁的接觸面積比較大，若想高速鉆進(jìn)，減阻潤滑是關(guān)鍵問題，在鉆井液中加入磺化瀝青和潤滑劑有效地解決了鉆具潤滑和滲漏問題。

(4)繩索取心鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與普通單動(dòng)雙管鉆探的對(duì)比見表2。

其中，2009年度開動(dòng)鉆機(jī)3臺(tái)，全部采用普通單動(dòng)雙管鉆探工藝，工期6個(gè)月，完成總工作量7740 m;2010年度開動(dòng)鉆機(jī)3臺(tái)，全部改用繩索取心工藝，工期5個(gè)月，完成總工作量12015 m?？梢?，改用繩索取心工藝后其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)顯著改善，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

表2 鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

7 結(jié)語

通過該工作區(qū)30多個(gè)鉆孔(方位角182°，傾角80°)，1萬多米鉆探工作量的施工證明:

(1)在沉積巖地層中采用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，鉆孔質(zhì)量好，鉆進(jìn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。我隊(duì)最大提鉆間距達(dá)285.47 m。其工藝優(yōu)勢明顯。

(2)在軟巖中鉆進(jìn)斜孔，關(guān)鍵在于對(duì)鉆井液的選用及維護(hù)。該工作區(qū)通過對(duì)所述3種鉆井液綜合使用，在鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)塌孔、縮徑等不良現(xiàn)象，基本實(shí)現(xiàn)了全孔裸孔安全鉆進(jìn)。終孔后測井顯示:孔內(nèi)干凈，上下探管自如，無塌孔、擴(kuò)徑、縮徑等現(xiàn)象。從物探測井曲線上看，鉆孔孔徑基本一致并保持完整。尤其是水玻璃鉆井液具有較強(qiáng)的護(hù)壁、護(hù)心能力，在松散砂巖及煤層取心鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液包裹在巖心表面，形成一層良好的保護(hù)膜，起到了護(hù)心的作用，從而使得巖(礦)心的采取率較高。平均全孔巖心采取率達(dá)80%以上。

實(shí)踐證明，在沉積巖軟巖地層中采用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行斜孔鉆探施工，同樣可達(dá)到鉆孔質(zhì)量好，鉆進(jìn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低等目的。但是，必須重視對(duì)鉆孔護(hù)壁堵漏技術(shù)和鉆井液的研究應(yīng)用，只有靈活掌握和使用好與地層相適應(yīng)的鉆井液，并在必要時(shí)輔助使用套管護(hù)壁，才可取得滿意的鉆探施工效果。

［1］陳爾志，陳禮儀，向昆明，等.高密度低失水泥漿體系在煤田繩索取心鉆探中的應(yīng)用研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(2):15－18.

［2］孫德學(xué)，陳偉，張?jiān)?，?沉積巖松軟地層深孔繩索取心鉆探技術(shù)實(shí)踐［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(1):16－19.

［3］曾祥熹.鉆孔護(hù)壁堵漏與減阻［M］.北京:地質(zhì)出版社，1981.

［4］吳隆杰.鉆井液處理劑膠體化學(xué)原理［M］.北京:地質(zhì)出版社，1992.

［5］王文臣.鉆孔沖洗液與注漿［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1996.

Wire-line Core Drilling Technology in Sandstone Uranium Deposit

ZHAO He-jiang(No.1 Geology and Mines Investigation Branch，Qinghai Geology Survey of Nuclear Industry，Xining Qinghai 810008，China)

The paper introduced the technical measures and effect of application of wire-line core drilling in sedimentary rock and soft rock construction for coalfield and sandstone-type uranium mineral drilling in Kuche and Wensu Counties of Xinjiang.The practice shows that wire-line core drilling technology can also take advantages of high drilling efficiency in sedimentary rock and soft rock formations drilling.

sedimentary rock;soft rock;wire-line core drilling;inclined hole;core drilling;drilling fluid

P634.5

A

1672－7428(2012)03－0037－03

2011－04－21;

2012－02－23

趙河江(1963－)，男(漢族)，河南人，青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)項(xiàng)目經(jīng)理、助理工程師，鉆探工程專業(yè)，從事鉆探技術(shù)與管理工作，青海省西寧市新寧路2號(hào)青旅商務(wù)大夏701室，huangweidong7288@163.com。