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(kù)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(kù)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(shì)。

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(kù)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(wú)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(kù)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(wú)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(wú)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(zhǎng);

(2)鉆具總成簡(jiǎn)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(zhǎng)。

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(rùn)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(wú)固相鉆井液。在松散的砂礫巖使用水玻璃無(wú)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(rùn)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(rùn)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(wú)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(jiǎn)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(wú)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(rùn)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(wú)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(chǎng)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(wú)固相鉆井液后，孔內(nèi)事故明顯減少。鉆井過程中無(wú)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(cè)井，探管上下順利，從物探測(cè)井資料上看，鉆孔孔徑完整，無(wú)超徑現(xiàn)象。

(2)護(hù)心效果:使用無(wú)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(rùn)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(rùn)滑是關(guān)鍵問題，在鉆井液中加入磺化瀝青和潤(rùn)滑劑有效地解決了鉆具潤(rùn)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。可見，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(yǔ)

通過該工作區(qū)30多個(gè)鉆孔(方位角182°，傾角80°)，1萬(wàn)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(shì)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(cè)井顯示:孔內(nèi)干凈，上下探管自如，無(wú)塌孔、擴(kuò)徑、縮徑等現(xiàn)象。從物探測(cè)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。