吳金生， 房 勇， 石紹云， 鄧 偉， 黃晟輝， 齊 江

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734； 3.核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011)

1 選題依據(jù)與研究意義

核電發(fā)展需要鈾資源的穩(wěn)定供應(yīng)，我國(guó)北方含油氣盆地煤、油、鈾同盆共生，鈾礦成礦潛力巨大，工作程度較低，油氣田區(qū)具有大量的放射性測(cè)井資料，利用油氣田資料“二次開發(fā)”技術(shù)思路，開展鈾礦調(diào)查工作，能快速摸清盆地鈾資源家底，為國(guó)家提交鈾礦找礦靶區(qū)和礦產(chǎn)地，也可為盆地多種資源綜合開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

以我國(guó)北方主要含油氣盆地為重點(diǎn)，開展油氣田勘查區(qū)砂巖型鈾礦戰(zhàn)略選區(qū)和調(diào)查評(píng)價(jià)工作，對(duì)主要異常和重點(diǎn)地區(qū)開展鉆探工程驗(yàn)證，查明異常的礦化特征。但油氣盆地砂巖型鈾礦鉆探不同于一般的地質(zhì)巖心鉆探，主要表現(xiàn)在地層極松散破碎、取心率低、鉆孔口徑大、井控要求高、極寒冬季施工、環(huán)保要求高等難題。

為攻克該地區(qū)鉆探技術(shù)難題，主要從改善松散破碎地層取心、淺層氣地區(qū)鉆探施工井控等方面進(jìn)行鉆探技術(shù)綜合研究，探索形成一套適合淺層氣區(qū)松散破碎復(fù)雜地層條件下的綠色綜合鉆探技術(shù)體系。通過2016-2017年的現(xiàn)場(chǎng)鉆孔應(yīng)用，共完成鉆孔34個(gè)，完成鉆探工作量12064.14 m，全部鉆孔順利通過天津地調(diào)中心的終孔驗(yàn)收，鉆孔合格率達(dá)100%，優(yōu)質(zhì)孔率達(dá)90%，取得了階段性成果，具有示范與推廣作用。

2 主要研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線

解決淺層氣區(qū)極松散破碎地層砂巖型鈾礦地質(zhì)取心鉆探技術(shù)難題是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須進(jìn)行綜合治理。采用國(guó)內(nèi)最好的技術(shù)，借鑒石油鉆井井控經(jīng)驗(yàn)來解決砂巖型鈾礦鉆探技術(shù)難題，主要采用成熟、可靠和先進(jìn)的技術(shù)，同時(shí)開展一些急需的、能在短期內(nèi)見效的技術(shù)研發(fā)。

項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容涉及五大方面，主要從極松散破碎地層取心、大直徑擴(kuò)孔與攜巖、防斜保直、井控以及環(huán)保措施等五大方面進(jìn)行綜合性鉆探技術(shù)研究。其研究框圖如圖1所示。

圖1 研究?jī)?nèi)容框圖

3 主要階段性成果和創(chuàng)新點(diǎn)

項(xiàng)目組克服重重困難，冒著極寒冬季施工和可能存在的鈾輻射，緊密圍繞著淺層氣區(qū)砂巖型鈾礦田復(fù)雜的地層條件和惡劣的氣候條件，進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與研究工作，開展淺層氣區(qū)極松散破碎地層綜合鉆探技術(shù)體系的研究與應(yīng)用，取得了階段性成果。

3.1 形成一套適合淺層氣區(qū)松散破碎復(fù)雜地層條件下的綠色綜合鉆探技術(shù)體系及工藝方法

集成創(chuàng)新，成功探索一套單管錐閥取心、環(huán)保高粘低失水泥漿體系、鉆鋌及導(dǎo)向鉆具分級(jí)擴(kuò)孔、巖心鉆機(jī)遠(yuǎn)程井控措施等鉆探技術(shù)組合，形成一套適合淺層氣區(qū)松散破碎復(fù)雜地層條件下的綠色綜合鉆探技術(shù)體系及工藝方法，為北方砂巖型鈾礦找礦突破和資源能源安全保障提供技術(shù)支撐。

該技術(shù)體系及工藝方法顯著提高油氣田勘查區(qū)砂巖型鈾礦的鉆探施工效率、降低鉆探施工成本、改善鉆探施工質(zhì)量。2016-2017年，共完成鉆孔34個(gè)，完成鉆探工作量12064.14 m，超過了設(shè)計(jì)鉆探工作量1264.14 m，平均臺(tái)月效率774.90 m，平均機(jī)械鉆速3.89 m/h，巖心采取率82.48%，全部鉆孔順利通過天津地調(diào)中心的終孔驗(yàn)收，鉆孔合格率達(dá)100%，優(yōu)質(zhì)孔率達(dá)90%，取得了階段性成果，達(dá)到并超過了預(yù)期目標(biāo)。

3.2 采用單管錐閥取心技術(shù)解決松散破碎砂層的原狀取心技術(shù)問題

采用松散破碎砂層的單管錐閥取心技術(shù)完成鉆孔34個(gè)，完成鉆探工作量12064.14 m，巖心采取率達(dá)82.48%，大大超過地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，至少比過去在同樣地區(qū)巖心采取率提高30%以上，達(dá)到并超過了地質(zhì)預(yù)期目標(biāo)。

針對(duì)松散破碎砂層取心技術(shù)難題，采用單動(dòng)雙管取心卡心困難，巖心采取率不高；采用單管球閥取心，球閥在起下鉆過程中容易出現(xiàn)晃動(dòng)，巖心原狀性易破壞；采用單管錐閥取心，錐閥在起下鉆過程中密封性好，不易擾動(dòng)，巖心的原狀性和采取率大幅提高。錐閥取心與球閥取心對(duì)比如圖2所示。

圖2 球閥與錐閥取心原理區(qū)別

在采用單管錐閥取心時(shí)，同時(shí)采取以下工藝措施：(1)增大鉆頭內(nèi)外徑。?89 mm巖心管配?113 mm鉆頭，減少縮徑對(duì)鉆進(jìn)的負(fù)面影響。(2)加大鉆頭水口。采用4～6個(gè)水口，每個(gè)水口過水面積較大，減少泥漿循環(huán)對(duì)巖心沖刷。(3)硬質(zhì)合金或復(fù)合片數(shù)量少，增加切入深度，達(dá)到快速鉆進(jìn)的目的。(4)泥漿采用高粘低失水泥漿，小泵量或干鉆進(jìn)行鉆進(jìn)。(5)嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺。通過改進(jìn)取心鉆具與工藝方法，比過去在同樣地區(qū)巖心采取率提高30%以上。砂層原狀取心如圖3所示。

3.3 采用環(huán)保高粘低失水泥漿體系，成功實(shí)現(xiàn)大直徑攜巖、護(hù)壁護(hù)心及環(huán)保問題

圖3 砂層原狀巖心

環(huán)保高粘低失水泥漿技術(shù)體系具有較強(qiáng)的攜巖能力，護(hù)心和環(huán)保效果好。

3.3.1 低失水泥漿體系的應(yīng)用

極松散破碎砂層取心泥漿性能的調(diào)節(jié)是關(guān)鍵因素之一，通過現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，得出了適用于該地層的低失水泥漿體系，主要采用優(yōu)質(zhì)的油井鈉膨潤(rùn)土，添加CMC、純堿和KCl若干，適當(dāng)提高泥漿密度進(jìn)行一級(jí)井控，其性能控制在：密度1.20～1.30 g/cm3，漏斗粘度40～45 s，失水量6～11 mL/30 min，取得了非常好的巖心質(zhì)量和巖心采取率。

3.3.2 高粘高切泥漿體系的應(yīng)用

大直徑擴(kuò)孔主要采用優(yōu)質(zhì)的油井鈉膨潤(rùn)土，添加CMC、純堿、KCl和BaSO4若干，主要提高泥漿的粘度與切力，其性能控制在：密度1.20～1.30 g/cm3，漏斗粘度80～120 s，失水量6～12 mL/30 min，動(dòng)塑比0.53～0.88，該泥漿體系具有較高的粘度和切力，攜帶巖粉能力較強(qiáng)，確保大直徑擴(kuò)孔時(shí)孔內(nèi)干凈。其高粘高切泥漿性能參數(shù)見表1。泥漿凈化采用較長(zhǎng)循環(huán)系統(tǒng)，較大的泥漿池自然沉淀和除砂器機(jī)械除砂凈化。

表1 高粘高切泥漿性能參數(shù)

3.3.3 環(huán)保泥漿

按照“五位一體”生態(tài)文明建設(shè)要求和“十三五”發(fā)展理念，油氣田勘查區(qū)砂巖型鈾礦勘查必須是綠色勘查，因此，鉆探施工必須滿足環(huán)境保護(hù)要求。鉆探施工用泥漿應(yīng)為環(huán)保無污染泥漿，泥漿體系中不含有毒有害等成分，不對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)具有抑制、防塌、潤(rùn)滑、封堵及各組分能滿足生物自然降解的特性。

現(xiàn)場(chǎng)用泥漿主要為膨潤(rùn)土聚合物環(huán)保泥漿體系：(1)第四系地層鉆進(jìn)采用膨潤(rùn)土聚合物泥漿體系：優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)鈉土，添加CMC、純堿等。其性能參數(shù)：密度1.20～1.40 g/cm3，漏斗粘度50～90 s，失水量12～25 mL/30 min。(2)松散砂巖、砂礫巖和易碎的泥質(zhì)巖層鉆進(jìn)采用鉀基-膨潤(rùn)土聚合物泥漿體系：優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)鈉土，添加CMC、純堿、KCl等。其性能參數(shù)：密度1.15～1.40 g/cm3，漏斗粘度40～80 s，失水量6～12 mL/30 min。(3)自然造漿地層鉆進(jìn)采用抑制性低固相鉀基-膨潤(rùn)土聚合物泥漿體系：優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)鈉土，添加CMC、純堿、腐植酸鉀等。其性能參數(shù)：密度1.12～1.20 g/cm3，漏斗粘度30～60 s，失水量10～18 mL/30 min。

泥漿不落地措施：在自動(dòng)出心時(shí)，采用滑槽，便于泥漿收集；為防止泥漿在循環(huán)過程中與地表接觸污染環(huán)境，采用自制的泥漿循環(huán)槽和泥漿池(鐵質(zhì)或塑料)，鉆孔完成后進(jìn)行廢漿無害化處理，排出清水，固體填埋。泥漿不落地措施如圖4所示。

圖4 泥漿不落地措施

3.4 借鑒油氣鉆井井控經(jīng)驗(yàn)，成功解決淺層氣區(qū)巖心鉆探井控風(fēng)險(xiǎn)

借鑒石油鉆井井控經(jīng)驗(yàn)，淺層氣區(qū)鉆井的每個(gè)機(jī)臺(tái)均安裝井口防噴裝置、遠(yuǎn)程控制裝置、節(jié)流管匯、壓井管匯、真空除氣器、點(diǎn)火裝置及簡(jiǎn)易氣體探測(cè)儀器等預(yù)防措施。

鉆機(jī)基座升高措施：地質(zhì)巖心鉆機(jī)，一般是不抬高鉆機(jī)基座，沒有考慮安裝防噴器。在淺層氣區(qū)施工，為確保鉆孔施工安全，必須安裝防噴器，因此，必須升高鉆機(jī)基座，基座高度至少2.2 m以上，且具有強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，需要專業(yè)的單位進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工制作。

遠(yuǎn)程控制措施：防噴器配套要齊全且有遠(yuǎn)程控制功能，其中，防噴器壓力等級(jí)不得低于14 MPa，需要配備雙閘板防噴器、節(jié)流管匯、壓井管匯、遠(yuǎn)程控制臺(tái)、司鉆控制臺(tái)、液氣分離器、點(diǎn)火裝置、備用重漿(12 m3以上)。防噴器及配套裝置如圖5所示。

冬季保暖措施：防噴器在大慶冬季施工時(shí)，為保證防噴器的正常運(yùn)行，防止管路凍死、凍裂等，一定要做好冬季保暖工作。如更換防噴器冬季防凍液、管路纏保暖膠帶等。

3.5 采用分級(jí)擴(kuò)孔和高粘高切泥漿攜巖措施，確保擴(kuò)孔攜巖、保護(hù)井壁和井斜控制

為防止淺層氣區(qū)井噴安全防控問題，一開使用?113 mm取心鉆至穩(wěn)定地層，再用全面鉆頭擴(kuò)孔至?200 mm左右，深度進(jìn)入穩(wěn)定地層，下入?139.7 mm套管并固井，安裝防噴器，確保鉆探施工安全。

3.5.1 分級(jí)擴(kuò)孔

為防止大直徑擴(kuò)孔孔斜及孔壁垮塌，采用分三級(jí)擴(kuò)孔，其三級(jí)擴(kuò)孔鉆具組合如下：

(1)?132 mm牙輪鉆頭+?127 mm鉆桿+?89 mm鉆桿+?60 mm鉆桿+89主動(dòng)鉆桿；

(2)?151 mm牙輪鉆頭+?127 mm鉆桿+?89 mm鉆桿+?60 mm鉆桿+89主動(dòng)鉆桿；

(3)?200 mm牙輪鉆頭+?127 mm鉆桿+?89 mm鉆桿+?60 mm鉆桿+89主動(dòng)鉆桿。

分三級(jí)擴(kuò)孔，防止孔斜及孔壁垮塌：為保證鉆孔在擴(kuò)孔中保持孔直，擴(kuò)孔期間加?89 mm鉆桿導(dǎo)正。在鉆頭處理方面，將鉆頭底部加工上有錐度的合金鉆頭，這樣既保證在擴(kuò)孔期間保證不會(huì)擴(kuò)偏，也加快了擴(kuò)孔速度。

3.5.2 高粘高切泥漿體系的應(yīng)用

主要采用優(yōu)質(zhì)的油井鈉膨潤(rùn)土，添加CMC、純堿、KCl和BaSO4若干，主要提高粘度與切力，其性能控制在：密度1.20～1.30 g/cm3，漏斗粘度80～120s，失水量6～12 mL/30 min，動(dòng)塑比0.53～0.88，該泥漿體系具有較高的粘度和切力，攜帶巖粉能力較強(qiáng)，確保大直徑擴(kuò)孔時(shí)孔內(nèi)干凈。其具體性能見表1。

3.5.3 除砂器除砂

大直徑擴(kuò)孔時(shí)，通過調(diào)整泥漿性能，提高泥漿的粘度和切力，同時(shí)增大泵量，巖粉攜帶能力大大增強(qiáng)，但攜帶上來的巖粉必須及時(shí)清除出去，避免隨著泥漿的循環(huán)再次進(jìn)入孔內(nèi)，影響泥漿的性能，泥漿中的有害固相含量增加，泥餅虛厚，影響孔壁穩(wěn)定，因此，必須采用除砂器及時(shí)除砂，維護(hù)泥漿性能穩(wěn)定。

3.6 大直徑鉆孔防斜保直措施

在大直徑擴(kuò)孔和?200 mm(一開)變徑為?113 mm(二開)時(shí)，可能存在孔斜，除把好開孔關(guān)和鉆進(jìn)參數(shù)外，一是分級(jí)擴(kuò)孔，二是優(yōu)化鉆具組合。

3.6.1 大直徑分級(jí)擴(kuò)孔

?113 mm取心直徑擴(kuò)孔至?200 mm時(shí)，采用三級(jí)擴(kuò)孔，也是防止孔斜，具體見前面介紹。

3.6.2 鉆鋌和粗徑鉆具的應(yīng)用

取心鉆具組合：?113 mm合金取心鉆頭+?89 mm取心鉆具+?68 mm鉆鋌×65 m+?60 mm鉆桿+89主動(dòng)鉆桿。即取心鉆進(jìn)中，其鉆具組合中增加?68 mm鉆鋌，一是增加下部粗徑鉆具的剛性，二是使鉆具中和點(diǎn)位于鉆鋌上，鉆桿處于收拉狀態(tài)，鉆具穩(wěn)定性較好，不易產(chǎn)生彎曲。

擴(kuò)孔鉆具組合：?200 mm牙輪鉆頭+?127 mm鉆桿+?89 mm鉆桿+?60 mm鉆桿+89主動(dòng)鉆桿。即擴(kuò)孔鉆進(jìn)中，其鉆具組合中增加?127 mm鉆桿、?89 mm鉆桿等粗徑鉆具，采用塔式鉆具組合，一是增加鉆具的剛性，二是增加鉆具的穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生孔斜。

3.6.3 導(dǎo)向鉆具的應(yīng)用

為保證鉆孔在擴(kuò)孔中保持孔直，擴(kuò)孔期間加?89 mm鉆桿導(dǎo)正。在鉆頭處理方面，將鉆頭底部加工上有錐度的合金鉆頭，這樣既保證在擴(kuò)孔期間不會(huì)擴(kuò)偏，也加快了擴(kuò)孔速度。二開換徑時(shí)，鉆具組合中采用導(dǎo)向鉆具，防止二開開孔偏斜。

4 結(jié)語(yǔ)

集成創(chuàng)新，成功探索一套單管錐閥取心、鉆鋌及導(dǎo)向鉆具分級(jí)擴(kuò)孔、巖心鉆機(jī)遠(yuǎn)程井控措施、環(huán)保高粘低失水泥漿體系等鉆探技術(shù)組合，形成一套適合淺層氣區(qū)松散破碎復(fù)雜地層條件下的綠色綜合鉆探技術(shù)體系及工藝方法，為北方砂巖型鈾礦找礦突破和資源能源安全保障提供技術(shù)支撐，具有示范與推廣作用。

油氣田勘查區(qū)砂巖型鈾礦調(diào)查與勘查示范(718工程)的順利實(shí)施，標(biāo)志著中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所能夠在時(shí)間緊、任務(wù)重的情況下，克服油氣田區(qū)鉆探施工井控要求高、極寒冬季施工、隊(duì)伍長(zhǎng)途遠(yuǎn)征、松軟復(fù)雜地層取心、大直徑擴(kuò)孔以及環(huán)保要求高等難題，為718工程等國(guó)家資源能源安全保障提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。