地浸鈾礦鉆孔縮徑卡鉆原因分析及解決措施

劉忠存 王 琳

（核工業(yè)二四三大隊）

內(nèi)蒙古及周邊地區(qū)是砂巖型鈾礦探測的重點區(qū)域，但受鉆孔鉆進設(shè)備、地層性質(zhì)以及現(xiàn)場施工條件等因素影響，部分探測鉆孔存在施工效率低、鉆進速度慢等問題，從而在一定程度上制約勘探工作開展。探測鉆孔施工中縮孔卡鉆會嚴重影響鉆孔施工效率，為此，針對內(nèi)蒙古某地浸鈾礦區(qū)域內(nèi)探測鉆孔鉆進時縮孔卡鉆頻發(fā)問題，對導致縮徑卡鉆原因進行分析，并依據(jù)現(xiàn)場實際情況提出一些針對性的解決措施，并于2020年4月在鉆孔施工中進行現(xiàn)場應(yīng)用。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某地浸鈾礦位于內(nèi)蒙古高原西部，地勢整體呈現(xiàn)西北部高、東南部低趨勢，海拔高度在1 150～1 420 m，局部有沼澤，部分地段地表沙化嚴重。探測區(qū)整體地勢較為平坦，有助于鉆孔施工，具體施工現(xiàn)場地形見圖1。

探測區(qū)內(nèi)地層由上及下分別為第四系、新近系、中侏羅統(tǒng)屯河組、中侏羅統(tǒng)西山窯組等，具體地層參數(shù)見表1。

鉆孔鉆進孔徑為168 mm，鉆進深度設(shè)計為430 m。鉆孔施工采用泥漿循環(huán)鉆進工藝，鉆機型號分別為HXY-6、HXY-1500，泥漿泵型號分別為TBW-850/5B、3NBB-250、BW-1100。鉆孔鉆進時采用的泥漿主要成分為膨潤土（質(zhì)量占比為3%～10%）、植物膠（質(zhì)量占比1%～3%）及一些添加劑。配備的泥漿密度為1.1 g/cm3，砂質(zhì)量分數(shù)在1%以內(nèi)，黏度為20～25 s、30 min失水量為1.5～2.5 cm3。

2 鉆孔縮徑卡鉆分析

2.1 鉆孔縮徑卡鉆現(xiàn)狀

在鉆孔鉆進時發(fā)現(xiàn)部分鉆孔存在一定程度的縮徑、卡鉆問題，具體統(tǒng)計得到部分鉆孔縮徑、卡鉆情況見表2。

從表2 看出，鉆孔在前期鉆進過程中縮徑、卡鉆事故多發(fā)生在砂巖、泥巖互層段，砂質(zhì)泥巖、砂礫巖等巖層互層段。例如，3-301鉆孔鉆進至426 m時，鉆孔內(nèi)出現(xiàn)異響且鉆機功率明顯增加，鉆進速度放緩，后根據(jù)返渣、巖層巖性綜合分析判定該位置出現(xiàn)卡鉆，后采取緩慢提鉆、增加泥漿供應(yīng)等方式對卡鉆問題進行處理，整個處理過程耗時近2 d。由此可見，鉆孔鉆進時縮孔及卡鉆頻發(fā)，不僅使得部分鉆孔鉆進困難，降低鉆孔施工效率，而且嚴重時出現(xiàn)鉆孔報廢問題［1］。

2.2 鉆孔縮徑卡鉆原因分析

通過分析鉆孔鉆進過程并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，認為鉆孔縮徑、卡鉆主要是由于地層巖性復雜、泥漿性能不滿足要求、鉆孔施工不連續(xù)以及泥漿泵性能不滿足要求等因素所致［2-3］。

2.2.1 地層巖性

當鉆孔鉆進的地層中含有黏土性礦物時，地層遇水容易膨脹變形，在孔壁巖層壓力失衡綜合作用下極其容易導致鉆孔縮徑；鉆孔鉆進吸水性以及滲透性強地層時，鉆孔內(nèi)泥漿易失水，使泥漿性能出現(xiàn)明顯變化，失水后的泥漿附著在鉆孔孔壁后形成厚泥漿皮，導致鉆孔出現(xiàn)縮徑。

鉆探區(qū)內(nèi)鈾礦層地層屬于沉積巖，覆蓋層為砂巖、泥巖以及煤層等，鉆進地層內(nèi)含有較高的黏土類礦物質(zhì)，同時煤層、泥巖等遇水容易變形、膨脹，砂巖層由于裂隙發(fā)育、滲透性強容易使泥漿失水，導致鉆孔縮徑。

2.2.2 泥漿性能

泥漿起到攜帶巖屑、護壁等功能，性能良好的泥漿可控制失水率，避免煤層/砂巖吸水，防治鉆孔孔壁內(nèi)雜質(zhì)包裹鉆具［4］。泥漿在非礦層段多次循環(huán)后性能弱化，不僅失水率增加，而且排渣、返砂能力弱化，從而加劇鉆孔出現(xiàn)卡鉆、縮徑風險。

2.2.3 泥漿泵功率

泥漿泵功率大小會影響泥漿的循環(huán)量以及泥漿排渣能力。若泥漿泵功率偏小時，直接表現(xiàn)為泥漿泵排量較低，泥漿排渣能力受限，鉆孔出現(xiàn)一定程度的泥砂、泥皮累積。現(xiàn)場施工中采用的泥漿泵性能參見表3。從表中看出，現(xiàn)場使用的泥漿泵最大功率為75 kW，采用的泥漿泵對于孔深430 m、孔徑311 mm的鉆孔而言性能無法滿足需要。

2.2.4 鉆孔鉆進中斷

探測孔在鉆進時受到提升、下放鉆具以及現(xiàn)場外界環(huán)境等因素影響，會中途停鉆。停鉆后鉆孔內(nèi)泥漿液位高度會有所降低，泥漿作用到孔壁上的作用力小于地應(yīng)力時，會出現(xiàn)縮孔；同時長時間停鉆也會使得泥漿失水量增加，鉆孔孔壁巖層在水侵蝕作用下巖體出現(xiàn)一定的膨脹，強度、穩(wěn)定性降低，鉆孔出現(xiàn)一定程度縮孔?，F(xiàn)場統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)鉆孔停鉆在0.5 h以內(nèi)，鉆孔基本不會出現(xiàn)縮徑、卡鉆問題，當鉆孔停鉆時間較長時，會使得縮徑、卡鉆問題頻發(fā)。

3 鉆孔縮孔卡鉆解決措施

3.1 鉆孔施工工藝改進

當后續(xù)鉆孔鉆進以往出現(xiàn)縮徑地層時，通過高速鉆進或者上下活動倒桿，不僅可使得容易縮徑地層鉆孔孔徑增加，而且可修正鉆孔出現(xiàn)縮徑位置；當鉆孔鉆進至嚴重縮徑地層時，鉆孔每鉆進2 m 便提鉆4 m、上下移動一次鉆具，每下放完一根鉆桿（長度約8 m）應(yīng)上下移動鉆具3次以上；在上提鉆具時若受到較大的阻力，應(yīng)上下活動緩慢提起，嚴禁硬拉提鉆，若最大提升力超過鉆具重量的50%仍無法提鉆時，則就地下放鉆具、鉆進2 m 后再次提鉆。在鉆鋌上采用焊接方式增加肋骨片，鉆孔鉆進時肋骨片隨著鉆桿轉(zhuǎn)動，從而起到有一定程度的掃孔作用［5-6］。

受到鉆進巖層性質(zhì)以及鉆進擾動影響，鉆孔難以避免出現(xiàn)一定縮孔現(xiàn)象，改進后的鉆孔施工工藝本質(zhì)是通過頻繁的移動鉆具避免鉆具被卡死，通過掃孔確保鉆孔孔徑在合理范圍內(nèi)，降低鉆孔縮孔影響。

3.2 泥漿漿液配比調(diào)整

根據(jù)現(xiàn)場鉆進情況針對性地調(diào)整泥漿漿液配比，可在一定程度上提升泥漿的攜渣能力、提升鉆孔井壁穩(wěn)定性，同時可給鉆孔孔壁提供足夠的作用力。鉆進時若泥漿包鉆嚴重，可添加一定量的防包鉆添加劑［7］。在泥巖、砂質(zhì)泥巖以及煤層等容易出現(xiàn)膨脹的巖層中鉆進時，盡量使用高密度、低失去量的泥漿，以密度在1.25 g/cm3以上、30 min 失水量小于3.9 cm3泥漿為宜。

3.3 大功率泥漿泵配備

將現(xiàn)場使用的泥漿泵全部更換為3NB-350 型泥漿泵，該泥漿泵額定功率達到280 kW。采用大功率泥漿泵后，鉆孔排渣、返砂能力得以顯著提升，鉆孔鉆進速度較以往增加2～3 倍，同時鉆孔未再出現(xiàn)縮徑、卡鉆事故。

3.4 工序安排

通過合理安排各施工工序，減少配套的非鉆進工序時間，可減少鉆具在鉆孔內(nèi)停留、靜置時間。即便鉆孔受影響必須停鉆時，也應(yīng)確保鉆孔每間隔0.5 h上下移動一次鉆具，避免出現(xiàn)卡鉆問題。

4 應(yīng)用效果分析

在出現(xiàn)縮徑嚴重的地區(qū)鉆進鉆孔時，采取文中所提縮徑、卡鉆事故解決措施后，鉆孔縮徑、卡鉆事故得到較好的控制，現(xiàn)場各時期鉆孔縮徑、卡鉆事故次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見圖2。

現(xiàn)場在2020 年4 月開始采取縮徑卡鉆解決措施，鉆孔月平均縮徑、卡鉆次數(shù)由6 次降低至1 次以下，降幅達到83.3%。鉆孔在7 月、10 月鉆進時出現(xiàn)縮徑、卡鉆次數(shù)反彈，主要是上述2 個時間點鉆機司機調(diào)休，新的施工人員不熟悉地層導致?？偠灾?，鉆孔縮徑、卡鉆應(yīng)對措施應(yīng)用后，特別是大功率泥漿泵使用后，鉆孔鉆進效率得以顯著提升，后續(xù)的鉆孔縮徑、卡鉆事故得以有效控制。

5 總結(jié)

（1）內(nèi)蒙古某地浸鈾礦鉆孔鉆進過程中出現(xiàn)鉆孔縮徑、卡鉆事故，不僅影響鉆孔鉆進安全而且制約掘進效率。綜合鉆孔鉆進工藝以及地層情況分析發(fā)現(xiàn)，導致鉆孔縮徑、卡鉆的主要原因是鉆孔鉆進地層復雜、泥漿泵排渣效率低、漿液性能差。

（2）為了實現(xiàn)鉆孔正常、高效鉆進，提出在容易縮徑、卡鉆地層通過調(diào)整鉆孔施工參數(shù)、增加縮徑地層段鉆孔孔徑、調(diào)整鉆孔泥漿配比、采用大功率泥漿泵以及減少鉆孔停鉆時間等措施，有效降低鉆孔縮徑、卡鉆發(fā)生頻次?，F(xiàn)場應(yīng)用后，鉆孔縮徑、卡鉆發(fā)生頻次降幅達到83.3%，起到提升鉆孔鉆進質(zhì)量以及鉆進速度效果。