劉曉陽，李博

（1.中國核工業(yè)地質(zhì)局，北京100013；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

0 引言

鉆探是鈾礦床勘查過程中的主要技術(shù)手段之一［1］，地浸砂巖型鈾礦鉆探技術(shù)的發(fā)展水平直接影響到地浸砂巖型鈾礦地質(zhì)找礦成果、礦床勘探效率與勘探成本等。近十年來，中國核工業(yè)地質(zhì)局地浸砂巖型鈾礦鉆探工作量穩(wěn)步增加［2-3］，2019年鉆探總工作量達到65萬m，其中砂巖型約45萬m，約占總工作量的70%，主要由地處北方的3個核工業(yè)地質(zhì)大隊承擔完成。

砂巖鈾礦鉆探工作量的持續(xù)增長和新層位、新地區(qū)、新類型、新深度找礦思路調(diào)整，對地浸砂巖型鈾礦鉆探工藝及裝備提出了新的要求，要求地浸砂巖型鈾礦鉆探技術(shù)和施工裝備進一步升級換代［4-5］，以提高鉆探技術(shù)水平和生產(chǎn)效率，滿足高效、安全、綠色發(fā)展需求，為新形勢下的鈾礦勘查工作提供技術(shù)支撐。

1 砂巖鈾礦鉆探現(xiàn)狀

1.1 鉆探裝備

1.1.1 鉆機

地浸砂巖型鈾礦勘查鉆機基本為國產(chǎn)立軸巖心鉆機，主機型號以XY-5、XY-6型為主，鉆進能力在1500～2000 m（N口徑），配套電機功率在45～75 kW，裝載形式有拖車式和落地式。拖車式鉆探機組型號主要有HXY-800T、HXY-800TB和HXY-800TQ型［6］，配套有液壓起落的桅桿鉆塔。落地式鉆探機組配套鉆塔主要為13.5 m和18 m高A型塔。

每臺鉆機配一臺120～150 kW移動式柴油發(fā)電機組，1輛大功率越野牽引車，配備2輛野外生活宿營車。

1.1.2 泥漿泵

以NBB-250型泥漿泵居多，少量為NBB-390型泥漿泵。

1.1.3 泥漿固控設(shè)備

每個機臺配備1臺除砂器，采用一級旋流、二級振動的兩級除砂方式，處理能力約20～30 m3/h。

1.1.4 鉆桿鉆具鉆頭

采用?60 mm普通端加厚外絲鉆桿，?89 mm單管巖心管，?113 mm/72 mm金剛石復合片取心鉆頭。連接方式：水龍頭—主動鉆桿—?60 mm外絲鉆桿—?68 mm或?89 mm鉆鋌—巖心管變徑接頭—?89 mm單管巖心管—?113 mm/72 mm金剛石復合片取心鉆頭。

不取心段使用牙輪鉆頭或PDC復合片全面鉆頭。

1.2 鉆探工藝

1.2.1 鉆進方法與取心工藝

地浸砂巖型鈾礦賦存于含礦含水的砂巖層，鉆孔鉆遇地層自上而下有第四系、古近-新近系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系等。主要鉆遇巖層包括泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、中粗粒砂巖、砂礫巖和煤層。鉆遇巖層松散破碎，膠結(jié)性差，巖心極易受泥漿沖蝕、鉆頭鉆具的擾動和磨蝕。

鈾礦勘查鉆孔口徑一般采用?95～110 mm，無套管裸眼鉆進，一徑到底。相同鉆孔口徑下，單管鉆具巖心直徑大，鉆具結(jié)構(gòu)簡單，退心操作方便，在松散砂巖地層取心時，可采用小泵量或無泵鉆進。“十三五”之前我國鈾礦勘探深度主要在500 m以淺，提下鉆輔助時間對施工效率的影響較小，普遍采用單管提鉆取心鉆進方法。

松散砂巖層取心采用投球式無泵取心工藝。工藝流程為：在鉆具變徑接頭上部安裝有投球接頭，鉆具下入離孔底1 m左右，先用大泵量沖洗孔內(nèi)巖粉，然后從接頭處投入鋼球，開泵送鋼球至投球接頭處，停泵干鉆取心，回次終了加大鉆壓干鉆卡心后提升鉆具。

1.2.2 鉆進規(guī)程

鉆進規(guī)程參數(shù)如表1所示。

表1 砂巖型鈾礦鉆進參數(shù)Table 1 Drilling parameters for sandstone-type uranium deposits

1.2.3 泥漿工藝

采用泥漿以膨潤土泥漿為主，各機臺主要依據(jù)經(jīng)驗添加適量纖維素、腐殖酸鉀和護壁劑等：3%～8%膨潤土+0.1%～0.2%NaOH+0.1%～0.3%Na-CMC+0.15%～0.75%KHm+0.3%～0.6%廣譜護壁劑。

2.3 鉆探生產(chǎn)效率

核工業(yè)二一六大隊、核工業(yè)二四三大隊和核工業(yè)二〇八大隊近3年砂巖型鈾礦鉆探施工鉆月效率在1000 m左右（見表2）。

表2 核工業(yè)3個大隊砂巖型鈾礦鉆探施工效率Table 2 Drilling efficiency in sandstone-type uranium deposits by three geological companies

2 提高地浸砂巖型鈾礦鉆探效率的技術(shù)措施

2.1 實行地表退心平行作業(yè)，提高時間利用率

地浸砂巖型鈾礦鉆探普遍采用泵壓退心技術(shù)。巖心管提到地表后，通過專用泵壓退心接頭與泥漿泵連接，利用泥漿泵壓將巖心退到巖心槽中，然后整理裝入巖心箱。根據(jù)現(xiàn)場觀察了解，一般情況下，巖心管提到地表后，泵壓退心及整理巖心管的時間在20 min左右。如果有特別情況，或者操作不熟練，時間更長，在30 min以上。

實際鉆探退心操作占用泥漿泵，需要待退心操作完成后才能進行下一回次鉆進，輔助時間增加，占用鉆進時間。假設(shè)一天的退心次數(shù)10次，將占用200 min。這些時間如果用來鉆進，每天的鉆探進尺將有很大提高。所以，建議機臺配備專用的小型泥漿泵作為退心泵，實行退心和鉆進平行作業(yè)，提高時間利用率。泥漿泵的主要性能參數(shù)推薦為：泵量40 L/min以下，壓力3 MPa，單缸或雙缸，功率7.5～11 kW。

2.2 規(guī)范鉆機操作規(guī)程，優(yōu)化鉆進工藝參數(shù)

明確機臺各崗位安全操作規(guī)程，嚴格規(guī)范操作，包括各操作動作、對工具的使用、對設(shè)備的操作等；操作人員要熟悉機械性能，熟知各環(huán)節(jié)危險源，減少不規(guī)范操作。在保證安全的前提下，明確下鉆、取心、提鉆、退心、沖洗液調(diào)配與維護等流程中各崗位的獨立操作和聯(lián)動操作規(guī)程及職責，提高崗位之間的協(xié)調(diào)性和操作流程的時間利用率。

根據(jù)砂巖型鈾礦常見地層情況和采用鉆進方法，優(yōu)化鉆進工藝參數(shù)。結(jié)合選用鉆頭類型、取心/不取心鉆進方式、泥漿性能等因素，明確在不同地層中采用鉆壓、轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)的合理范圍和組合。這需要采集不同地層中鉆進參數(shù)對應的機械鉆速、鉆頭壽命和孔內(nèi)事故率等，分析鉆進數(shù)據(jù)，優(yōu)選適宜的鉆進參數(shù)組合，并根據(jù)實際鉆進情況，進行主動的鉆進參數(shù)管理，從鉆壓、轉(zhuǎn)速、流量、泥漿性能等方面進行調(diào)整，以提高機械鉆速和鉆頭壽命。

2.3 選擇合理的鉆頭鉆具及泥漿，提高鉆進效率

2.3.1 鉆頭選擇

當前地浸砂巖型鈾礦鉆探取心鉆進采用的鉆頭以PDC復合片鉆頭為主，極少量硬質(zhì)合金鉆頭［7-8］。針對不同鉆進地層，施工機臺主要采用不同齒數(shù)的PDC復合片鉆頭，如四齒型、六齒型、八齒型等。從砂巖型鈾礦常見碎巖地層和鉆頭碎巖機理來看，除了復合片鉆頭齒數(shù)的選擇，更應該注意從鉆頭類型、復合片的類型、鉆頭底面結(jié)構(gòu)、復合片與鉆頭體的鑲焊方式等方面進行考慮和優(yōu)選。如在松散砂層、砂礫石層和泥巖層，可采用薄壁PDC復合片鉆頭［9］；在具有一定膠結(jié)性的卵礫石層，可采用唇面結(jié)構(gòu)外側(cè)為錐面或弧面的孕鑲金剛石鉆頭，胎體內(nèi)添加耐沖擊硬質(zhì)材料［10］。

2.3.2 鉆具組合

一方面，目前地浸砂巖型鈾礦鉆探主要采用提鉆式單管取心具可進一步優(yōu)化改進，如在卵礫石層鉆進中，以“擠壓套取為主，切（磨）削為輔”的思路［4］，盡量加大巖心直徑，提高巖心抗擾動能力；減小鉆頭壁厚，降低磨削工作量，便于擠壓套取巖心。建議選用2種規(guī)格：

（1）選用?89 mm/80 mm巖心管。?89 mm巖心管根據(jù)壁厚不同，分4.5和6.5 mm兩種規(guī)格。目前砂巖型鈾礦取心鉆進中采用的是壁厚6.5 mm的?89 mm/76 mm巖心管，配?113 mm/72 mm鉆頭，鉆頭壁厚20.5 mm，鉆進過程中，厚壁鉆頭難以有效套取巖心，主要消耗在磨削孔底翻滾的卵石上。選用?89 mm/80 mm巖心管，鉆頭內(nèi)徑可增大至?76 mm，同時鉆頭外徑可適當減小至?98～110 mm。

（2）選用?108 mm/99 mm類型的巖心管，配套鉆頭外徑112～122 mm，內(nèi)徑95 mm。

另一方面，在深部松散地層，可采用單動雙管鉆具［5］，配套底噴或超前雙管鉆頭可有效降低鉆頭振動對巖性的擾動，提高取心效率和取心質(zhì)量。考慮保證較大的巖心直徑，建議嘗試采用以下鉆具規(guī)格：?108 mm/99 mm外管、?89 mm/80 mm內(nèi)管，標準配?110 mm/72 mm鉆頭。在砂巖地層中應用，鉆頭外徑可適當增大至112～122 mm，根據(jù)實際使用情況調(diào)整。

2.3.3 泥漿選擇與泥漿凈化

砂巖型地層鉆探泥漿以膨潤土泥漿為主，適量添加纖維素、腐殖酸鉀和護壁劑等［11］。建議推廣使用聚合物泥漿［12］，在同一片區(qū)明確泥漿性能指標范圍，統(tǒng)一規(guī)范添加劑的種類及劑量區(qū)間，選出2～3套推薦泥漿配比方案，供該區(qū)域各機臺參考使用。同一區(qū)域進行規(guī)范化管理。

重視和加強泥漿凈化工作，采用適合砂巖型鈾礦鉆探的高效泥漿處理技術(shù)，提高鉆探泥漿利用率，現(xiàn)場必須配套有泥漿除砂器，建議增配離心機?？山梃b油氣鉆井泥漿不落地技術(shù)，開發(fā)適合砂巖型鈾礦鉆探的輕便式泥漿不落地系統(tǒng)。

2.4 改進松散砂巖取心工藝，提高深部鉆探取心效率

20世紀90年代末，為了解決松散砂巖取心難題，中國核工業(yè)地質(zhì)局研究了球（錐）閥式單管無泵取心技術(shù)［4-5］，并迅速得到全面推廣應用，使松散砂巖巖心采取率從不足30%提升到95%以上，最大程度保持了巖心原狀度。這項技術(shù)在鉆孔深度小于500 m，在比較均質(zhì)的松散砂巖取心有獨特優(yōu)勢。在含礫砂巖、礫巖、卵礫石層，球（錐）閥式單管無泵取心效果并不好。另外，無泵取心操作，需要操作人員有較高操作技術(shù)水平，如果掌控不好，很容易造成孔內(nèi)事故，實際鉆探生產(chǎn)中，這方面的事故案例很多。

近年來，砂巖型鈾礦的勘查深度已經(jīng)超過500 m，部分鉆孔深度達1000 m。目前使用的球（錐）閥式單管無泵取心技術(shù)，需要在回次終了前進行干鉆卡心操作，干鉆卡心的時間15～20 min，技術(shù)不熟練的工人操作時間更長。鉆頭失效、卡鉆事故基本是在干鉆卡鉆的過程中發(fā)生的。假設(shè)一天取心10回次，將占用150～200 min?？咨钋闆r下頻繁提下鉆桿，耗費大量時間，導致施工效率降低。所以，干鉆取心工藝在鉆孔深部應用存在很大風險，耗用時間長，已經(jīng)不適應鈾礦勘查的實際需求，需要研究適合深孔、松散巖層的取心工具、取心方法及配套的工藝。

建議采用提鉆單動雙管取心鉆具［5］，合理選用孕鑲金剛石鉆頭或PDC復合片鉆頭。單動雙管鉆具配套有專門的卡心裝置，免去了單管取心鉆具回次終了干鉆卡心的操作過程，不僅節(jié)約了時間，同時也保證了取心質(zhì)量和取心操作安全，使取心效率大幅提高。如果配上液動沖擊器，可提高雙管的回次進尺和取心鉆進效率［13-17］。

建議開展松軟巖層大口徑繩索取心鉆進技術(shù)應用試驗。與普通提鉆式取心方法相比，繩索取心鉆進技術(shù)具有取心效果好、生產(chǎn)效率高、鉆探成本低、勞動強度小等優(yōu)點［18-20］，其經(jīng)濟效果隨著鉆孔深度增加而越發(fā)顯著。但繩索取心作為一種鉆進方法，只有在一定的地質(zhì)和技術(shù)條件下，才能取得最好的技術(shù)經(jīng)濟效果，也就是說它具有一定的合理的使用范圍。所以，在地層條件適合的地區(qū)開展砂巖繩索取心鉆進的探索應用，是提高深部取心效率和施工效率的有效方法。

中國核工業(yè)地質(zhì)局在“十五”期間就開始了松軟巖層繩索取心鉆進技術(shù)研究工作［20］。在砂巖中應用繩索取心，雖然目前還存在很多關(guān)鍵問題待解決，如泥漿配比及凈化處理、鉆孔口徑、內(nèi)外管間隙配合、鉆頭類型等，短時間還不具備大范圍推廣的條件，但砂巖型鈾礦推廣繩索取心鉆探將是大趨勢。

松散巖層繩索取心鉆進對泥漿的性能要求更高，需配套開展高效環(huán)保的泥漿處理技術(shù)的應用，降低泥漿中固相含量，減少鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮的現(xiàn)象，增強孔壁穩(wěn)定性，并提高泥漿利用率，減少環(huán)境污染。

建議開展“不提鉆孔內(nèi)變換鉆進方法的復合鉆探技術(shù)”和“長取心筒深部取心技術(shù)”研究。今后砂巖型鈾礦取心鉆進方法將由普通提鉆單管取心向雙管提鉆取心、繩索取心過渡，逐步形成以不提鉆高效安全取心鉆進方法為主、提鉆單管或雙管取心方法為輔的多方法組合。

2.5 提高卵礫石層鉆進效率，解決重點難題

北方幾個盆地砂巖型鈾礦勘查區(qū)均有卵礫石層，鄂爾多斯地區(qū)深達幾百米的卵礫石層，更是鉆探施工的難題，制約著該地區(qū)鉆探生產(chǎn)效率的提高。卵礫石層鉆進效率對整個施工生產(chǎn)效率影響很大，建議：

（1）合理選擇鉆頭。復合片鉆頭并不適合卵礫石層鉆進，尤其是堅硬、尺寸較大、膠結(jié)強度高的卵礫石層。推薦使用孕鑲金剛石鉆頭，鉆頭胎體應具有耐磨、抗沖擊的特點［21-22］。

（2）在卵礫石層有取心要求的情況下，建議使用單動雙管取心鉆具，逐步取消單管干鉆卡取巖心方法。

（3）采用鉆鋌孔底加壓鉆進方式。

（4）采用護壁效果較好的低固相聚合物泥漿［11］。

2.6 采用無巖心鉆進，縮短成孔周期

無巖心鉆進技術(shù)，也稱為全面鉆進，即在鉆進過程中全面破碎巖石，不獲取巖心，而是通過巖屑/巖粉錄井、物探測井和孔壁取樣等手段獲得地層資料。該技術(shù)在石油天然氣鉆井、水文水井等大口徑鉆井領(lǐng)域應用較多；在沉積地層小口徑勘查鉆孔領(lǐng)域，我國煤田勘探部門長期保持和發(fā)展了無巖心鉆探，采用無巖心鉆探和取心鉆探復合鉆進技術(shù)方法，無巖心鉆進效率比取心鉆進提高了1～5倍，較大幅度地提高了鉆探效率。中國煤炭地質(zhì)總局通過測井技術(shù)的發(fā)展，促進了無巖心鉆進與測井技術(shù)的綜合應用［23］。

2018年以來，隨著鉆探工作量的增加和找礦工作程度的提高，砂巖型鈾礦勘查無巖心鉆探工作量的比例逐步提升，以鄂爾多斯地區(qū)為例，2020年該地區(qū)部分鉆孔無巖心鉆探工作量可占到75%以上。目前主要采用無巖心鉆進+取心鉆進復合鉆進方式，即非目的層采用無巖心鉆進（牙輪鉆頭/PDC鉆頭、泥漿循環(huán)）快速施工，進入目的層后采用投球式單管取心鉆進方式。以鄂爾多斯地區(qū)1個700 m深的勘查鉆孔為例，約前500 m為無巖心鉆進，耗時8～9天，500～700 m段為取心鉆進，耗時6～7天，全孔施工周期約為15天，比同地區(qū)同深度范圍的鉆孔施工周期縮短3天以上。從目前來看，采用無巖心鉆進可以有效縮短成孔周期，提高施工效率，降低生產(chǎn)成本。建議在非目的層或找礦工作程度高的地區(qū)采用無巖心全面鉆進。

無巖心鉆探顯示出高效率的優(yōu)勢，但是，北方砂巖型鈾礦無巖心鉆進方法在施工過程中存在著孔斜超差、鉆孔超徑、鉆桿偏磨、鉆桿折斷事故和泥漿消耗大等問題。如后續(xù)大量采用無巖心鉆進，建議開展高效無巖心鉆進技術(shù)研究，重點包括防斜保直鉆具、孔底動力技術(shù)（螺桿馬達+液動沖擊器）、高效長壽命全面鉆頭技術(shù)、高壓噴射鉆進技術(shù)和泥漿凈化等。

2.7 加強孔內(nèi)事故預防，降低孔內(nèi)事故發(fā)生率

在鉆探過程中，因操作者責任心不強，操作技術(shù)不熟練、預防技術(shù)措施不當及違章作業(yè)或因地質(zhì)條件復雜和設(shè)備、管材質(zhì)量不好等原因造成孔內(nèi)事故直接影響鉆探工程的施工進度。嚴重的事故致使鉆探進尺和管材報費，造成大量人力、物力的浪費，使鉆探成本增高及影響鉆探任務(wù)的順利完成。因此，加強鉆探孔內(nèi)事故預防工作，制定有效的預防措施，對鉆探施工效率和安全生產(chǎn)有著極其重要的意義［24］。

加強鉆探操作工人技能培訓，出隊前進行為期一周的現(xiàn)場操作培訓。每個鉆孔開工前組織班組成員學習鉆孔施工設(shè)計書，對可能出現(xiàn)的施工問題進行分析討論，提出相應的技術(shù)措施和預案，熟悉該地區(qū)不同地層泥漿配置及處理劑使用方法。加強鉆探機臺標準化管理，并嚴格遵守操作規(guī)程和采取有效的預防措施，減少和避免人為因素造成的孔內(nèi)事故。

選擇材質(zhì)達標、加工及熱處理質(zhì)量合乎要求的鉆桿［25］。改善鉆桿工作條件、減小鉆桿在孔內(nèi)的彎曲，在鉆孔中使用扶正器，以減小鉆桿撓度。采用孔內(nèi)鉆鋌配重加壓方式鉆進來減小鉆桿的彎曲，避免使用地表鉆機油缸加壓。對超徑較大的孔段及時進行處理，做好鉆孔防斜控斜工作。根據(jù)巖層分層合理選擇和使用鉆頭，采用合理鉆進參數(shù)，嚴禁盲目加壓。鉆進中，注意隨時改變給進速度來消除鉆具共振產(chǎn)生的疲勞破壞。建議開展地浸砂巖型鈾礦鉆探大直徑外平鉆桿鉆進試驗工作，為逐步取消普通?60 mm外絲鉆桿做技術(shù)準備。

及時根據(jù)孔內(nèi)地層情況對泥漿性能進行調(diào)整，做好泥漿凈化和管理工作，鉆進復雜地層中，應隨時調(diào)整泥漿，以增強其護壁能力［11，26］。加強設(shè)備使用維護工作，嚴格按照設(shè)備使用手冊進行維護保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

2.8 采用先進的巖心鉆探裝備，提高作業(yè)自動化水平

砂巖型鈾礦鉆探設(shè)備目前以XY-5、XY-6型立軸式巖心鉆機為主，采用散裝和落地式2種裝載形式，存在工藝匹配性差、自動化程度低、勞動強度大、給進行程短等缺點。

今后砂巖型鈾礦鉆探設(shè)備應向機械化、自動化、數(shù)字化方向發(fā)展，具有高效率、高安全、多功能、多工藝、多裝載形式等特點。建議結(jié)合砂巖型鈾礦鉆探工藝發(fā)展方向，針對性開展砂巖型鈾礦地質(zhì)巖心鉆探設(shè)備的研發(fā)工作，鉆探設(shè)備應適應大口徑繩索取心鉆進工藝、適應大直徑外平鉆桿多工藝鉆探、適應綜合鉆探工藝，具有長行程倒桿、自動送鉆功能，可進行恒鉆速-恒鉆壓模式鉆進，可機械化加減鉆桿、塔上與孔口作業(yè)實現(xiàn)自動化，具備機械及孔內(nèi)安全預警系統(tǒng)，可實現(xiàn)鉆進參數(shù)的數(shù)字化顯示-存儲-遠程傳輸；便于北方地區(qū)盆地砂巖型鈾礦快速搬遷，能解決沙化嚴重、沙漠、沼澤等難進入?yún)^(qū)鈾礦勘查鉆探施工難題；進而改善野外工作條件，減輕操作勞動強度，提高設(shè)備搬遷與拆裝效率，提高鉆探生產(chǎn)安全。

3 結(jié)語

砂巖型鈾礦鉆探工作量的逐年增加，勘查區(qū)域越來越廣、鉆探深度越來越深、鉆探難題越來越多，現(xiàn)有的幾支鉆探隊伍及鉆探裝備在提高鉆探生產(chǎn)效率，滿足高效、安全、綠色發(fā)展需求等方面將面臨較大壓力。改進鉆探工藝，更新鉆探裝備，加強鉆探生產(chǎn)管理，是提升鈾礦勘查整體鉆探技術(shù)水平、提高鉆探生產(chǎn)效率的有效途徑。建議加強鉆探生產(chǎn)科研，研究鉆探新工藝、新方法和新裝備，加強鉆探生產(chǎn)標準化管理，全面提升砂巖型鈾礦鉆探技術(shù)水平，保障新形勢下的鈾礦勘查需求。