物探參數(shù)孔成井工藝及測井方法研究

張青海

(核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭　014010)

在地浸砂巖型鈾礦普查、詳查或在鈾礦床后續(xù)的地浸開采工作中，需要測定放射性平衡系數(shù)，進(jìn)行平衡破壞規(guī)律的研究，并對γ測井(或γ取樣)的測量結(jié)果作平衡破壞修正(章曄等，1990)。鈾鐳平衡系數(shù)和鐳氡平衡系數(shù)為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，鈾鐳平衡系數(shù)可通過取樣分析獲得，而物探參數(shù)孔是獲取鐳氡平衡系數(shù)的重要途徑，參數(shù)孔的建井質(zhì)量是確定鐳氡平衡系數(shù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。在參數(shù)孔施工中，通過地球物理測井技術(shù)來揭露礦體情況和確定建井質(zhì)量(劉則堯等，1990；余水泉等，2003；何春明等，2006)。且現(xiàn)今地球物理測井技術(shù)在地浸工藝及物探參數(shù)孔施工流程中基本達(dá)到了生產(chǎn)需求，并取得了明顯的應(yīng)用效果(李強(qiáng)等，2016)。筆者對近幾年在鄂爾多斯盆地東北部完成的物探參數(shù)孔施工流程進(jìn)行了詳細(xì)的剖析，針對參數(shù)孔作業(yè)現(xiàn)狀和存在的問題，提出建井工藝及γ狀態(tài)觀測方法技改的建議，并以實(shí)例驗(yàn)證技改的可行性。

1　參數(shù)孔施工現(xiàn)狀

近年來在鄂爾多斯盆地東北部，隨著砂巖型鈾礦找礦工作的不斷深入，已施工完成了一定數(shù)量的參數(shù)孔，參數(shù)孔的建井工藝和技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，方法也日趨成熟和完善；但在實(shí)際工作中難免會(huì)遇到一些新的問題需要解決，常規(guī)的施工模式有待進(jìn)一步改進(jìn)。

參數(shù)孔的布設(shè)原則：根據(jù)礦體形態(tài)、品位、厚度、埋深及礦層的滲透性，在礦體不同地段和不同部位布設(shè)，參數(shù)孔應(yīng)均勻分布、并具有代表性*苗愛生，王貴，邢立民，等.2012.內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗納嶺溝鈾礦床普查(內(nèi)部資料):135-136。

物探參數(shù)孔常規(guī)作業(yè)流程：選址、設(shè)計(jì)、變徑止水段鉆探、擴(kuò)孔、井徑井斜測量、鉆探成井、綜合測井、鐵套管下置、頂板止水、鋼套管底部封堵、洗井、γ狀態(tài)觀測。

1.1　常規(guī)裸井鉆探

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，專門設(shè)計(jì)的水文孔、物探參數(shù)孔及有特殊要求的鉆孔，巖心采取率不低于85%(姜德英等，2003)。鉆孔采用常規(guī)口徑的鉆具施工，進(jìn)行止水段鉆探，井孔口徑為φ110 mm，鉆進(jìn)至隔水頂板后，再將井口至隔水頂板處擴(kuò)成φ152 mm口徑的井孔，隔水頂板保留約1.50 m不擴(kuò)穿。擴(kuò)孔后，需將鉆孔內(nèi)的殘?jiān)謇砀蓛?，換用新鮮泥漿，進(jìn)行井徑井斜測量。測井結(jié)束后，按設(shè)計(jì)要求立即進(jìn)行目的層的鉆進(jìn)施工，三個(gè)階段鉆探施工的鉆孔深度及變徑止水位置見圖1。

1.2　地球物理測井

成井后，用新鮮泥漿沖孔后，進(jìn)行地球物理測井，以便準(zhǔn)確定位參數(shù)孔γ強(qiáng)度、建井質(zhì)量和變徑止水位置。一般測井方法有γ、視電阻率、自然電位、井徑、井斜等，對物探參數(shù)孔、水文孔、工程鉆孔，應(yīng)增加井溫井液電阻率、聲波等測井方法(常桂蘭等，2003)。這些是評(píng)價(jià)建井質(zhì)量的重要指標(biāo)。

1.3　套管底部封堵

地球物理測井工作結(jié)束后，進(jìn)行φ89 mm無縫鋼套管的下置工作，止水位置及成孔精確深度以測井結(jié)束后提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。采用止水托盤纏繞干海帶的方法進(jìn)行密封止水。套管接口處使用螺扣加涂抹油漆止漏，并擰緊螺扣，外部再用鋼筋焊接加固。

鋼套管下置完畢后，下鉆具用新鮮泥漿沖孔，并盡可能沖洗出目的層段內(nèi)的泥漿殘?jiān)_孔完畢提鉆，向套管內(nèi)下入圓木塞，用鉆具壓入底板泥巖中一定距離(10～20 cm)，并確保圓木塞留在套管內(nèi) (長40～50 cm)，隨后投入直徑約30 mm的黃泥球，投入量由現(xiàn)場情況計(jì)算確定，再放入圓柱形壓鐵塊，下入鉆具到孔底壓實(shí)，以達(dá)到底部封堵的目的。

至此，參數(shù)孔的成井工作全部結(jié)束。鋼套管的系統(tǒng)下置和底部封堵工作必須在8 h內(nèi)完成(余水泉等，2008)。

1.4　γ狀態(tài)觀測

成井工作結(jié)束后，立即進(jìn)行第一次γ狀態(tài)觀測。

(1) 氡射氣積累情況采用γ測井方法進(jìn)行狀態(tài)觀測。測井提升速度，礦段為2 m/min，其它深度段為4 m/min(余水泉等，2005)。γ探測儀器為FD-3019型定量γ輻射儀(上海申核電子儀器有限公司)。γ輻射儀必須在參數(shù)孔觀測前進(jìn)行標(biāo)定，并在整個(gè)觀測過程中使用同一編號(hào)的儀器。

(2) φ89 mm無縫鋼套管下置及系統(tǒng)成井工作結(jié)束后。以終孔的測井時(shí)間為基準(zhǔn)，下完套管并將套管充滿清水后測量一次，前3 d每8 h測量一次，4～8 d每24 h測量一次，以后每2～3 d測量一次，直到鐳氡達(dá)到平衡。整個(gè)觀測時(shí)間約為38 d。γ檢查測井次數(shù)應(yīng)不少于狀態(tài)觀測的10%(余水泉等，2008)。

2　存在的問題

2.1　鉆進(jìn)成井方法

(1) 先擴(kuò)孔，再進(jìn)行目的層鉆進(jìn)成井；這樣可能會(huì)出現(xiàn)止水位置井眼不居中，導(dǎo)致鉆孔偏斜距增大，下置鋼套管時(shí)困難或無法下置的情況。

(2) 由于止水位置井眼不居中，下置鋼套管時(shí)會(huì)導(dǎo)致止水盤靠向井壁某一側(cè)，盡管鉆孔偏斜距符合要求，但會(huì)出現(xiàn)止水位置密封效果不佳，而影響到后續(xù)氡氣的積累以及γ狀態(tài)觀測的結(jié)果。

(3) 止水密封層(下部直徑約110 mm)可能被二次鉆進(jìn)的鉆具(上下鉆)嚴(yán)重破壞而擴(kuò)大(直徑可能達(dá)到152 mm)，達(dá)不到密封止水的目的，同樣會(huì)影響到后續(xù)氡氣的積累及γ狀態(tài)觀測的結(jié)果。

(4) 二次鉆進(jìn)成井后，如果裸孔γ測井解釋結(jié)果和井斜測量結(jié)果都達(dá)不到參數(shù)孔的要求(如鉆孔非工業(yè)鈾礦孔或鉆孔水平偏斜距過大無法下置套管)，成為報(bào)廢孔。需挪孔或重新選擇孔位，這樣無疑增加了擴(kuò)孔成本，造成了浪費(fèi)。

2.2　套管底部封堵

(1) 原先下置套管完畢后，用清水沖孔后向套管內(nèi)下入圓木塞，并用鉆具壓入底板泥巖中一定距離(10～20 cm)，并保留40～50 cm在套管內(nèi)，隨后投入直徑約30 mm的黃泥球，再放入圓柱形壓鐵塊；這樣可能存在圓木塞沒有壓入底板泥巖中，出現(xiàn)隨機(jī)(幾天或十幾天)上浮，連同黃泥球柱和壓鐵進(jìn)入礦層或上浮于礦層之上，導(dǎo)致γ輻射儀測不穿礦層或測不到礦層，再重新封堵已無法實(shí)施，出現(xiàn)參數(shù)孔報(bào)廢。

(2) 向鋼套管內(nèi)下入圓木塞，并用鉆具壓入底板泥巖中一定距離(10～20 cm)，并保留40～50 cm在套管內(nèi)，這樣在實(shí)際操作上就很難把握尺度，尤其對礦層直接上覆于底板之上的參數(shù)孔，要求更加精準(zhǔn)。另外也存在圓木塞被下壓出套管外，而出現(xiàn)重復(fù)封堵的情況，達(dá)不到底部封堵的要求或封堵效果不佳，以致影響到后續(xù)氡氣的積累及γ狀態(tài)觀測的結(jié)果。

圖1　物探參數(shù)孔施工設(shè)計(jì)示意圖Fig.1　Sketch map showing the design of the geophysical parameter borehole

2.3　γ狀態(tài)觀測

近幾年來，由于鉆探工作量的加大，測井工作量也相應(yīng)增加，另外隨著每個(gè)項(xiàng)目各勘查階段參數(shù)孔數(shù)量的增加，原先的觀測方法已不適應(yīng)現(xiàn)在工作的需要，需進(jìn)行觀測方法的合理改進(jìn)。

3　方法的改進(jìn)和建議

基于上述建井工藝和γ狀態(tài)觀測中存在的問題，結(jié)合幾年來在參數(shù)孔中施工總結(jié)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出對部分施工環(huán)節(jié)及狀態(tài)觀測優(yōu)化和改進(jìn)的建議，以便在今后的工作中參考借鑒。

3.1　鉆進(jìn)方法改進(jìn)

(1) 改變原來先擴(kuò)孔再鉆進(jìn)的成孔方式，采用一次性鉆進(jìn)成井，沖孔后進(jìn)行地球物理測井工作，如鉆孔非工業(yè)鈾礦孔或鉆孔水平偏斜距過大，可重新選孔，避免先擴(kuò)孔再鉆進(jìn)造成的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。

(2) 在一次性鉆進(jìn)成井過程中，建議增加每50 m或100 m進(jìn)行一次井斜測量工作，以便保證建井質(zhì)量。

(3) 測井工作結(jié)束后，若符合參數(shù)孔的要求，則再按原先的設(shè)計(jì)進(jìn)行擴(kuò)孔，可減少對變徑止水密封層的破壞程度，又可保證原孔眼相對居中。擴(kuò)孔完成后，再進(jìn)行井徑測量，確定止水位置，之后再按要求開始鋼套管的下置工作。

這樣的成井方式可克服原來成孔的不足和缺點(diǎn)，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

3.2　套管底部封堵方法改進(jìn)

針對上述底部封堵出現(xiàn)的問題，提出改進(jìn)的方法。下置套管前，將中間帶有20 mm圓孔的錐形堵頭以螺絲扣的形式與套管底部連接，并將直徑為40 mm的鋼球放入，也使用螺扣加涂抹油漆止漏。在下置過程中，泥漿可通過底部圓孔頂起鋼球進(jìn)入套管內(nèi)，加接鋼套管時(shí)，鋼球會(huì)自然落下封口。然后與常規(guī)方法一樣下置套管，完畢后，用清水洗孔，隨后投入直徑約30 mm的黃泥球，投入量現(xiàn)場計(jì)算確定，再放入圓柱形壓鐵塊壓實(shí)；洗孔結(jié)束后，開始第一次γ狀態(tài)觀測。

(1) 按照現(xiàn)行改進(jìn)的封堵工藝，可以避免原先封堵時(shí)，圓木塞可能沒有被壓入底板泥巖中，或被壓出套管外，再進(jìn)行重復(fù)封堵，而達(dá)不到底部封堵的目的或封堵效果不佳的情況出現(xiàn)。也可以避免部分地段由于隔水底板(泥巖或粉砂巖)很薄或不連續(xù)，以及在底板之上發(fā)育有底礫巖的區(qū)段，圓木塞無法被壓入底板中，而出現(xiàn)底部封堵困難的情況。

(2) 按照現(xiàn)行改進(jìn)的封堵方法，如果礦層與隔水底板距離較大(大于10 m或30 m)，鉆進(jìn)成井時(shí)，穿過礦層3～5 m即可終孔，進(jìn)行下一步的封堵工作。不必鉆進(jìn)至隔水底板，避免鉆探工作量的浪費(fèi)。

這樣的封堵方法可一次性完成，避免了原來重復(fù)封堵或封堵效果不佳的情況出現(xiàn)。既簡化了參數(shù)孔的封堵工序，也彌補(bǔ)了部分地段特殊底板封堵難的問題。同時(shí)也擴(kuò)大了今后設(shè)計(jì)參數(shù)孔時(shí)的選址范圍，提高了套管封堵質(zhì)量，同樣也降低了生產(chǎn)成本。

3.3　γ狀態(tài)觀測方法改進(jìn)

有些地區(qū)，由于鉆探工作量的加大，原先的觀測方法已不適應(yīng)工作的需要，須進(jìn)行觀測方法的合理改進(jìn)。

(1) 物探參數(shù)孔封堵后，由于前3 d氡射氣積累緩慢，單天測量3次的γ計(jì)數(shù)雖增加，但變化不大，可將前3 d測量次數(shù)改為一次，以后2～3 d測量一次，共觀測38 d。改變原來(前3 d每8 h測量一次，之后的4～8 d每24 h測量一次，以后2～3 d測量一次)的觀測方法。這樣既不影響參數(shù)孔的觀測質(zhì)量，又保證了其它參數(shù)孔及地質(zhì)孔測井工作的順利完成。

(2) 參數(shù)孔封堵后，γ測井提升速度，礦段為2 m/min，穿過礦層后，由于非礦段的γ計(jì)數(shù)不參與統(tǒng)計(jì)計(jì)算和趨勢分析，參照測井下放速度不大于20 m/min(余水泉等，2005)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，其它深度段測井提升速度，可由原來的4 m/min提升到10 m/min以上，以便提高測井效率，而并不影響γ狀態(tài)觀測質(zhì)量。

4　實(shí)例檢驗(yàn)論證

根據(jù)成井工藝及γ狀態(tài)觀測方法的改進(jìn)建議，結(jié)合核工業(yè)二〇八大隊(duì)地勘二處在鄂爾多斯盆地東北部承擔(dān)的XX年度“內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗納嶺溝鈾礦床普查”項(xiàng)目的要求，在該地區(qū)沙沙圪臺(tái)和納嶺溝地段中侏羅統(tǒng)直羅組地層施工兩個(gè)物探參數(shù)孔WT-17和WTn-1 (圖2)。

圖2　WT-17和WTn-1 γ狀態(tài)觀測曲線圖Fig.2　γ diagram of the borehole WT-17 and WTn-1

γ狀態(tài)觀測結(jié)束后，采用非線性擬合方法對參數(shù)孔γ狀態(tài)觀測曲線進(jìn)行擬合。鐳氡平衡系數(shù)用物探參數(shù)孔狀態(tài)觀測曲線的擬合曲線測量時(shí)間t趨于0的極限值與趨于無窮大的極限值之比確定(余水泉等，2008)。

原始狀態(tài)下裸孔γ測井結(jié)果可作為擬合曲線t趨于0的極限值。將γ狀態(tài)觀測最后三次測井結(jié)果的平均值可作為擬合曲線t趨于無窮大的極限值。對裸孔γ測井結(jié)果應(yīng)進(jìn)行沖洗液吸收系數(shù)修正，狀態(tài)觀測γ測井結(jié)果應(yīng)進(jìn)行鋼套管和沖洗液吸收系數(shù)修正(余水泉等，2008)。

鐳氡平衡系數(shù)計(jì)算如下：

(1) 沙沙圪臺(tái)地段

WT-17成井后原始γ計(jì)數(shù)和(礦段面積)

Sum(γ) = 189656，沖洗液修正系數(shù)0.809

Sum(γ)修=sum(γ)/0.809=189656/0.809=234432.6

狀態(tài)觀測最后三次γ計(jì)數(shù)和(礦段面積)的平均值

Sum(γ均) =(169686+170193+170901)/3=170260，

沖洗液、鋼套管修正系數(shù)0.677 3

Sum(γ均)修=Sum(γ均)/0.6872=170260/0.6773=251380.5

鐳氡平衡系數(shù)PRa=Sum(γ)修/Sum(γ均)修= 234432.6/251380.5=0.93

礦心鐳含量分析結(jié)果與γ測井解釋結(jié)果對比計(jì)算的鐳氡平衡系數(shù)為0.90

該地段鈾礦體(帶)鐳氡平衡系數(shù)的算術(shù)平均值為0.95

(2) 納嶺溝地段

WTn-1成井后原始γ計(jì)數(shù)和(礦段面積)

Sum(γ)= 31102，沖洗液修正系數(shù)0.791

Sum(γ)修=sum(γ)/0.791=31102/0.791=39319.9

狀態(tài)觀測最后三次γ計(jì)數(shù)和(礦段面積)的平均值

Sum(γ均)=(29563+29655+29903)/3=29707

沖洗液、鋼套管修正系數(shù)0.687 2

Sum(γ均)修=Sum(γ均)/0.6872=29707/0.6872=43229.05

鐳氡平衡系數(shù)PRa=Sum(γ)修/Sum(γ均)修=39319.9/43229.05=0.91

礦心鐳含量分析結(jié)果與γ測井解釋結(jié)果對比計(jì)算的鐳氡平衡系數(shù)為0.89

該地段鈾礦體(帶)鐳氡平衡系數(shù)的算術(shù)平均值為0.92

根據(jù)參數(shù)孔的計(jì)算結(jié)果，獲取沙沙圪臺(tái)和納嶺溝地段單孔的鐳氡平衡系數(shù)分別為0.93和 0.91，與礦心分析與γ測井解釋結(jié)果計(jì)算出的鐳氡平衡系數(shù)(0.90和0.89)比較接近。與對應(yīng)兩地段參數(shù)孔的平均計(jì)算值(0.95和0.92)相差甚小。說明改進(jìn)的方法是成功的、可行的。

以上結(jié)論為兩物探參數(shù)孔的作業(yè)成果，氡射氣積累趨勢見圖2，γ檢查觀測結(jié)果及計(jì)算誤差都符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。通過優(yōu)化參數(shù)孔的建井工藝和觀測方法，提高了工程質(zhì)量，縮短了建井和測井時(shí)間，既完成了項(xiàng)目的生產(chǎn)任務(wù)，又結(jié)合研究課題驗(yàn)證了技改的合理性和可行性。

5　結(jié)論

物探參數(shù)孔是地浸砂巖型鈾礦普查、詳查、鈾礦床開采工作的重要組成部分，對于參數(shù)孔建井工藝和測井技改的研究，文中列舉了針對建井環(huán)節(jié)中的擴(kuò)孔方式、鋼套管底部封堵方法、測井觀察次數(shù)和測井速度等存在的問題和不足，在原來成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出改變擴(kuò)孔順序、改進(jìn)底部封堵工藝、減少前期γ狀態(tài)觀測次數(shù)和提升非礦段測井速度的技改措施，防止原來成井時(shí)對變徑止水段的破壞，避免了重復(fù)封堵或封堵效果不佳的情況出現(xiàn)，也彌補(bǔ)了部分地段特殊底板封堵難的問題，既簡化了參數(shù)孔的封堵工序，也擴(kuò)大了今后參數(shù)孔設(shè)計(jì)的選址范圍，同時(shí)也提高了測井效率。在一定程度上解決了在物探參數(shù)孔施工中遇到的新問題，取得了工藝改進(jìn)預(yù)期的效果，達(dá)到了節(jié)能增效的目的。并通過實(shí)例成井任務(wù)的檢驗(yàn)活動(dòng)，驗(yàn)證了技改的合理性和可行性。值得在今后的工作中借鑒和推廣。

另外，影響建井質(zhì)量的因素還有很多，如鉆探地層結(jié)構(gòu)、礦體埋深、鉆井設(shè)備、鉆探工藝、配套材料、施工效率等，這些都需要在實(shí)踐工作中逐步優(yōu)化和完善，并建立科學(xué)合理的準(zhǔn)入制度，使物探參數(shù)孔的成井工藝和技術(shù)更加系統(tǒng)化、專業(yè)化和規(guī)范化，能更好地為鈾礦地質(zhì)事業(yè)服務(wù)。