地浸采鈾定向井施工與成井技術(shù)研究

張 渤，李喜龍，季揚(yáng)威，口文杰，董惠琦，劉佳斌

(中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

定向井最早應(yīng)用在石油開采行業(yè)，鉆井深度大多在2 000～3 500 m，采用定向井技術(shù)可以使地面和地下條件受限的油氣資源得到經(jīng)濟(jì)、有效的開發(fā)，能夠大幅度提高油氣產(chǎn)量和降低鉆井成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。當(dāng)?shù)V體埋藏在高山、城鎮(zhèn)、森林、沼澤海洋、湖泊、河流等地貌復(fù)雜的地下，或設(shè)置井場遇到障礙時(shí)，通常利用定向井揭露礦體。目前中國新疆、內(nèi)蒙古等砂巖型鈾礦床采用垂直型鉆孔進(jìn)行礦體開拓，當(dāng)?shù)乇硎┕び龅降恼系K較小時(shí)，可將孔位進(jìn)行小范圍偏移后繼續(xù)施工；但當(dāng)偏移距離大于井距時(shí)，繼續(xù)采用垂直型鉆孔不僅造成施工成本增加，而且鈾資源也得不到最大化的回收利用。

隨著砂巖型鈾資源的不斷開發(fā)[1]，地表的地形地貌更加復(fù)雜，垂直型鉆孔難以滿足地浸采鈾礦山綠色發(fā)展需求。因此，在有限的土地條件下，如何將鈾資源利用最大化，是地浸采鈾礦山生產(chǎn)亟待解決的問題。以內(nèi)蒙古錢家店錢Ⅳ塊地浸鈾礦床為例，探索定向井施工工藝和成井技術(shù)在地浸鈾礦山的可行性。

1 礦床特點(diǎn)及生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 礦床特點(diǎn)

內(nèi)蒙古錢家店鈾礦床的地層由基底和蓋層組成，基底巖性主要為變質(zhì)巖和花崗巖或閃長巖；蓋層由中新生代沉積的礫巖、砂巖和泥巖等組成。蓋層自下而上包括白堊系、古近系、新近系、第四系(圖1)，其中：白堊系的上白堊統(tǒng)是蓋層沉積的主體，也是礦體富集的主要層位，巖性為泥巖和砂巖互層，厚度約150 m；古近系巖性以泥巖、頁巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，自下向上成巖性差，含鈣質(zhì)結(jié)核，夾煤層，厚度約120 m，不整合于白堊系之上；新近系巖性主要為松散砂礫巖、薄層砂巖，成巖性差，厚度約100 m，與下伏地層不整合接觸；第四系為一套風(fēng)積、沖積、洪積而成的松散堆積，厚度小于140 m，地面地形平坦，地表為植被、草場。

1.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

錢家店錢Ⅳ塊鈾礦床礦體埋深400～420 m，地層具備穩(wěn)定的“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)特征，頂、底板以泥巖為主，厚度大且穩(wěn)定，含礦含水層巖性主要由紅色、灰色細(xì)砂巖及少量的中粗、粗砂巖構(gòu)成，多泥巖、粉砂巖夾層，結(jié)構(gòu)疏松，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，固結(jié)程度低，富水性好，滲透性弱。生產(chǎn)鉆孔采用“七點(diǎn)型”井型布置，井距為30 m，井場主要占用耕地(面積占比62%)、草地(面積占比27%)和林地(面積占比11%)，因部分土地征用困難、林帶行間距較小等限制，地表不具備垂直型鉆孔施工條件(圖2)。

1—第四系；2—嫩江組；3—姚家組1～6段；4—青山口組；5—還原砂體；6—紅色氧化砂體；7—黃色氧化砂體；8—泥巖；9—地層界線；10—地層角度不整合界線；11—地層平行不整合界線；12—工業(yè)鈾礦體；13—鉆孔及編號。圖1 錢家店地區(qū)姚家組巖石地球化學(xué)環(huán)境剖面示意圖

圖2 “七點(diǎn)型”鉆孔布置和垂直型鉆孔示意圖

2 定向井井身設(shè)計(jì)

根據(jù)錢家店錢Ⅳ塊鈾礦床地層特征，結(jié)合石油行業(yè)定向井施工經(jīng)驗(yàn)，定向井造斜點(diǎn)設(shè)計(jì)深度為150～200 m。鉆井井身剖面采用“垂直段+造斜段+穩(wěn)斜段”的形式，即地表松散地層采取垂直鉆進(jìn)，進(jìn)入穩(wěn)定地層后進(jìn)行定向造斜，井斜角達(dá)到設(shè)計(jì)角度時(shí)進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

本次設(shè)計(jì)施工定向井2個(gè)，設(shè)計(jì)鉆孔垂直深度420 m，以5551周邊為開孔位置，定向鉆進(jìn)至5449和5450孔位，水平偏移距離分別為51.30 m和30.99 m。定向井施工孔位布置、定向井井身結(jié)構(gòu)如圖3～4所示。

圖3 定向井施工孔位布置示意圖

圖4 定向井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3 定向井施工

3.1 主要施工設(shè)備及檢測儀表

定向井施工主要設(shè)備設(shè)施見表1。

表1 定向井施工主要設(shè)備設(shè)施

3.2 施工工藝

根據(jù)錢家店錢Ⅳ塊鈾礦床地層特點(diǎn)，參照擴(kuò)孔式可更換防砂鉆孔結(jié)構(gòu)[2]，本次定向鉆井施工工藝包括垂直段裸孔鉆進(jìn)、造斜控制、穩(wěn)斜控制、綜合測井、套管安裝、固井、裸孔洗井、過濾器安裝、質(zhì)量檢測工序。

采用φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至目標(biāo)層，鉆進(jìn)過程中控制鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量，垂直段鉆井液黏度25～30 Pa·s，造斜段和穩(wěn)斜段鉆井液黏度>35 Pa·s。裸孔綜合測井結(jié)束后，采用φ148×10 mm的UPVC管完井，逆向注漿固井，最后安裝φ108 mm可更換過濾器。

3.2.1 垂直段裸孔鉆進(jìn)

采用垂直地層鉆進(jìn)施工，主要目的是揭穿第四系松散地層，鉆具組合為φ89 mm鉆桿+φ215.9 mm牙輪鉆頭，采用膨潤土鉆井液。膨潤土鉆井液配比采用1 m3清水?dāng)嚢?0～150 kg優(yōu)質(zhì)膨潤土；鉆井液黏度為25.42 Pa·s，密度為1.19 g/cm3。

3.2.2 造斜控制

高壓的羧甲基纖維素鈉鉆井液[3]經(jīng)鉆具進(jìn)入螺桿馬達(dá)后，液體壓力迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動軸把扭矩傳遞到鉆頭上，在馬達(dá)下部安裝固定角度的短接，從而達(dá)到造斜的目的，鉆具組合為φ89 mm鉆桿+無磁鉆鋌+螺桿鉆具+φ215.9 mm牙輪鉆頭[4-5]。羧甲基纖維素鈉鉆井液配比采用1 m3清水?dāng)嚢鑳?yōu)質(zhì)膨潤土80～150 kg、火堿3～5 kg、羧甲基纖維素鈉(Na-CMC)3 kg，鉆井液黏度為40.29 Pa·s，密度為1.04 g/cm3。

3.2.3 穩(wěn)斜控制

錢家店錢Ⅳ塊鈾礦床的磁偏角為-7.35°，磁傾角為56.50°。穩(wěn)斜鉆進(jìn)前，對隨鉆測量設(shè)備磁偏角和磁傾角進(jìn)行校正。鉆進(jìn)過程中，由于大地磁場的影響，井斜方位誤差較大；本次采用“隨鉆測量[6]+無磁鉆鋌”，消除大地磁場的影響，保證定向方位精準(zhǔn)。施工中將無線脈沖發(fā)射裝置安裝在無磁鉆鋌內(nèi)，地表設(shè)置司鉆儀表，采用無線泥漿脈沖隨鉆測量方式，在泥漿的作用下產(chǎn)生正弦壓力波；通過調(diào)制系統(tǒng)使這種正弦壓力波在時(shí)間上出現(xiàn)角位移，在地面連續(xù)檢測角位移的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整造斜方位。

3.2.4 綜合測井

綜合測井主要包括定量γ測井、井斜測井、井徑測井、電阻率測井、自然電位測井，其中利用定量γ測井，檢測巖層的放射性強(qiáng)度，確定鈾礦層深度及厚度；利用井斜測井，檢測傾角和方位角變化情況，反映鉆孔的彎曲程度；利用井徑測井，獲得鉆孔直徑沿深度變化情況；利用電阻率測井和自然電位測井，確定地下巖層巖性，劃分滲透性和非滲透性地層。

3.2.5 套管安裝

套管安裝前，稀釋孔內(nèi)泥漿，以能夠順利安裝套管為原則，并且避免垮孔。套管選用UPVC深井管材質(zhì)，套管規(guī)格為φ148×10 mm，單根長為8 m。套管采用管箍絲扣連接，管箍采用φ166×18 mm的UPVC深井管材質(zhì)，連接絲扣處采用生料帶密封，并均勻涂抹704膠。套管安裝至過濾器位置上端1 m處，套管末端預(yù)留“馬蹄口”形狀的注漿口(“馬蹄口”斜口長度大于10 cm)，用于封孔階段逆向注漿。

3.2.6 固井

采用預(yù)留孔逆向注漿法固井[7-8]，固定套管并防止因套管滲流導(dǎo)致地下水串層。固井液采用普通硅酸鹽水泥425#配制而成，水灰比1∶1，固井液密度為1.5 g/cm3。由套管內(nèi)下放φ40 mm注漿管至預(yù)留注漿孔上端1 m處，將地表套管管口封閉，并在注漿管上安裝閥門、壓力表和排氣閥。開始注入固井液，利用裸孔擴(kuò)大系數(shù)計(jì)算固井液用量，固井液由預(yù)留注漿孔注入至套管外壁與裸孔之間的環(huán)形空間。待孔口返出固井液后，向注漿管內(nèi)加注與注漿管相同體積的清水，然后關(guān)閉注漿管上的閥門。隨著固井液固化，注漿管上壓力表的示數(shù)緩慢降低，當(dāng)壓力表讀數(shù)為零時(shí)，提出注漿管，完成注漿固井工藝。

3.2.7 裸孔洗井

固井液完全固化后，采用壓縮空氣洗井方法[9-10]，清除套管內(nèi)壁殘留的鉆井液?？諌簷C(jī)壓力為5.0 MPa(根據(jù)鉆孔深度和地下水靜水位確定空壓機(jī)壓力，地下水靜水位每向上提升100 m，需要壓力約為1.0 MPa)，每組由3臺空壓機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，每臺空壓機(jī)風(fēng)量為1.7 m3/min。

裸孔洗井采用逐段清洗方式，風(fēng)管采用加厚PE管，規(guī)格為φ40×8 mm，風(fēng)管每段下放深度為100 m；風(fēng)管下放至礦層上部50 m處后，采用三角堰測量洗井水量，在連續(xù)出水30、45、60 min條件下分別測量3次堰高，計(jì)算每次測量水量，以多次測量水量的平均值作為最終出水水量。裸孔洗井要求出水中含砂量小于100 mg/L。

3.2.8 過濾器安裝

裸孔洗井完成后，確定鉆孔深度并配置可更換過濾器?？筛鼡Q過濾器采用填礫過濾器，單根長度為1.5 m，過濾器規(guī)格為φ(108±1)mm；內(nèi)部襯管為碳鋼材質(zhì)，規(guī)格為φ75×6 mm，襯管上打8排直徑10 mm圓孔，每排42個(gè)孔；填礫層為0.5～1 mm的陶粒，填礫層厚度為(19±1)mm。過濾器上端連接提升裝置，用于提放過濾器，提升裝置采用φ89×4.5 mm碳鋼管加工，長度為5 m，碳鋼管上端加工L型卡口，自L型卡口向下，每間隔1 m設(shè)置膨脹橡膠固定卡(固定卡數(shù)量不少于3個(gè)，膨脹橡膠靜水膨脹率≥250%)，利用膨脹橡膠遇水膨脹的性質(zhì)，固定過濾器，并阻止礦層水直接進(jìn)入套管。過濾器下端連接沉砂管，主要用于沉降砂體。

3.2.9 質(zhì)量檢測

利用隨鉆測量設(shè)備檢測井斜[11]、水平偏移距離和靶心距；利用電流測井檢測鉆孔中過濾器的安裝位置、套管的安裝質(zhì)量及完好程度；利用超聲阻尼測井檢測固井液充填及固結(jié)情況。

4 成井質(zhì)量檢測結(jié)果

4.1 水平偏移距離和靶心距

定向井井身檢測結(jié)果如圖5所示，定向井設(shè)計(jì)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比見表2?？梢钥闯?，2個(gè)定向井的實(shí)測水平偏移距離和靶心距均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 定向井井身立體圖

表2 定向井設(shè)計(jì)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

4.2 井管完整性

根據(jù)電流測井曲線，分析井管完整性，判斷井管狀態(tài)。非過濾器段的電流測井曲線平滑，無波動，無電流異常出現(xiàn)，表明井管完整性良好；電流測井曲線出現(xiàn)單個(gè)點(diǎn)的異常波動，電流異常峰值與對應(yīng)正常電流值的比值介于1～2，表明該處井管發(fā)生滲漏；電流異常峰值與對應(yīng)正常電流值的比值大于2，表明該處井管出現(xiàn)較大程度的破損。

2個(gè)定向井的電流測井曲線如圖6所示。通過電流測井解釋，5449定向井的井管完整性良好，5450定向井在200 m處的異常電流值與正常電流值的比值介于1～2，存在輕微滲流。

圖6 定向井電流測井曲線

4.3 固井質(zhì)量

采用超聲阻尼測井檢測固井質(zhì)量。當(dāng)膠結(jié)物的密度超過1.4 g/cm3，并且膠結(jié)良好時(shí)，阻尼值在70%以上。膠結(jié)物的密度越高，說明膠結(jié)越好，此時(shí)的阻尼值越大。

2個(gè)定向井的超聲阻尼測井曲線如圖7所示?？梢钥闯觯?個(gè)定向井的超聲阻尼值均達(dá)到了80%以上，固井質(zhì)量良好。

圖7 定向井超聲阻尼測井曲線

4.4 鉆孔出水量

為保證鉆孔出水量真實(shí)可靠，測量鉆孔出水量之前，需要停止洗井3 h以上，使地下水水位在自然條件下恢復(fù)到本底值。鉆孔出水量測量結(jié)果見表3，5449定向井、5450定向井的出水量分別為21.02、21.12 m3/h。取樣檢測表明，出水中的含砂量符合要求。

表3 定向井出水量測量結(jié)果

5 礦體資源變化情況

本次定向井施工結(jié)合“七點(diǎn)型”井型布置，在已施工鉆孔的基礎(chǔ)上，向礦體外開拓，共施工定向鉆井2個(gè)，均為工業(yè)鉆孔，定向鉆井見礦情況見表4?？山傻V體[12]平均厚度為7.90 m，平均品位為0.594‰，平均平米鈾量為10.00 kg/m2，增加礦體面積約1 560 m2。

表4 定向鉆井見礦情況

6 結(jié)論

定向井施工和測量結(jié)果表明，膨潤土和羧甲基纖維素鈉(Na-CMC)鉆井液能夠滿足護(hù)壁和攜砂要求，隨鉆測量設(shè)備能夠精準(zhǔn)控制施工井斜方位，井管的材質(zhì)和規(guī)格達(dá)到了定向鉆井成井要求，固井材料及配比達(dá)到了固定井管和防止地下水直接進(jìn)入井管的效果，壓縮空氣洗井的水質(zhì)、水量均達(dá)到了垂直型鉆孔標(biāo)準(zhǔn)。

研究結(jié)果驗(yàn)證了定向鉆井技術(shù)在地浸采鈾的可行性，定向井工藝提高了地浸采鈾生產(chǎn)鉆孔地形地貌的適用性，解決了鈾資源難利用的問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。