王 琳

（核工業(yè)二四三大隊(duì)）

鈾礦是一種極為重要、特殊的戰(zhàn)略資源。近些年來，我國不斷強(qiáng)化鈾礦探測工作，主要的工作重點(diǎn)是探尋地浸砂巖鈾礦［1-3］。在地浸砂巖鈾礦鉆探過程中，地層往往較為復(fù)雜，確保鉆孔平穩(wěn)鉆進(jìn)是探測工作中需要解決的重點(diǎn)問題［4-5］。以西北地區(qū)某地浸砂巖鈾礦探測鉆孔施工為工程研究對象，對鉆孔鉆進(jìn)工藝、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆井液類型以及鉆進(jìn)過程中遇到的護(hù)壁、漏液處理及取芯等工作進(jìn)行詳細(xì)探討，以期為地浸砂巖鈾礦鉆探工作高效開展提供一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

1.1 鉆探區(qū)概況

鉆探區(qū)域位于西北地區(qū)，地表以丘陵為主，氣候常年干旱、少雨，年平均氣溫為3.5℃，年降水量約42 mm。地勢呈東南高、西北低，其中山地約占1/2。鉆探區(qū)被第四系覆蓋，斷層面露出不發(fā)育。受氣候影響，在鉆探區(qū)內(nèi)每年6—8月份可能會(huì)出現(xiàn)泥石流災(zāi)害，同時(shí)沙塵風(fēng)暴也會(huì)在一定程度上影響鉆探工作。鉆探區(qū)內(nèi)主控地質(zhì)構(gòu)造為背斜構(gòu)造，走向角度為155°，影響面積約為5.8 km2。設(shè)計(jì)的鉆探孔平均孔深650 m，孔徑為110 mm。鉆探區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂巖與泥巖頻繁換層，部分地層膠結(jié)性差，鉆孔在鉆進(jìn)過程中容易出現(xiàn)塌孔、縮孔、涌水以及鉆井液漏失等問題。

1.2 鉆探要求

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，在鉆探區(qū)內(nèi)施工的鉆孔孔深在300 m以內(nèi)時(shí)，孔斜度保持在3°以內(nèi)，孔深大于300 m時(shí)，每鉆進(jìn)深度增加100 m，孔斜度增加值在1°以內(nèi)；鉆孔平均采取率在65%以上（除第四系松散層），取芯采取率在75%以上；鉆探鉆孔應(yīng)做必要的水文觀測，并對鉆進(jìn)過程水文情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，鉆進(jìn)完成后做水位觀測［6］。

2 鉆探施工技術(shù)

2.1 鉆進(jìn)設(shè)備

由于鉆探區(qū)域內(nèi)為沉積砂巖地層，鉆孔鉆進(jìn)難度大，因此采用的鉆機(jī)應(yīng)具備低轉(zhuǎn)速、大扭矩及大功率特點(diǎn)，配備的泥漿泵泵量應(yīng)具備較大的可調(diào)整范圍。采用的沖洗液應(yīng)具備“雙護(hù)”功能，即同時(shí)護(hù)壁、護(hù)芯。在鉆探區(qū)內(nèi)采用的具體鉆進(jìn)設(shè)備規(guī)格見表1。

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2.2 鉆孔井身結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)工藝

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的鉆探孔井身結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足上部第四紀(jì)松散層鉆進(jìn)需要（鉆進(jìn)過程中主要面臨井壁坍塌以及鉆井液漏失問題），同時(shí)為下部堅(jiān)硬基巖鉆進(jìn)提供便利條件，鉆孔終孔孔徑應(yīng)在110 mm以上。合理的設(shè)計(jì)鉆孔井身結(jié)構(gòu)并下好套管是鉆孔順利鉆進(jìn)、取芯的關(guān)鍵。

根據(jù)鉆探區(qū)內(nèi)各地層情況、鉆進(jìn)質(zhì)量要求以及鉆進(jìn)深度，鉆探孔井身結(jié)構(gòu)為二開制。

（1）一開（鉆孔開孔段）。一開段范圍為孔口至鉆進(jìn)約35 m的位置，鉆孔采用φ172 mm合金鉆頭鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖5 m后（此時(shí)鉆進(jìn)深度約35 m），在鉆孔內(nèi)下入φ127 mm套管護(hù)壁，并采用鋁酸鹽水泥固定。

（2）二開（一開段～鉆孔位置）。二開段范圍為鉆進(jìn)35～650 m，鉆進(jìn)時(shí)采用φ110 mm金剛石鉆頭，配合繩索取芯鉆具（HQ-89）取芯鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度。護(hù)壁采用水基泥漿液，裸眼完井。不同鉆進(jìn)段鉆井參數(shù)見表2。

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2.2.2 鉆進(jìn)工藝

具體在鉆孔鉆進(jìn)一開段時(shí)采用提鉆取芯鉆進(jìn)，二開段采用繩索取芯鉆進(jìn)。繩索取芯鉆進(jìn)具有鉆進(jìn)效率高、工程質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。選用的XY-6B型立軸鉆機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)鉆機(jī)配備有水剎車，卷揚(yáng)能力強(qiáng)，操控方便。

2.3 鉆井液及護(hù)壁

2.3.1 鉆井液

鉆孔開孔段為第四紀(jì)松散地層，采用的鉆井液主要用以防塌孔和排渣。在鉆孔鉆進(jìn)時(shí)仍采用該常規(guī)泥漿鉆井液，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況適當(dāng)添加一定量的稀釋劑以及降失水劑，提高鉆進(jìn)效率以及鉆進(jìn)質(zhì)量。鉆孔開孔段采用的鉆井液參數(shù)見表3。

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在鉆孔進(jìn)入到穩(wěn)定基巖時(shí)，采用泥漿漿液的主要目的是實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)并防止鉆井液漏失。因此選用的鉆井液為低固相泥漿，并適當(dāng)降低膨潤土使用量。采用的泥漿漿液密度在1.1 g/cm3以內(nèi)，加入一定量的絮凝劑提升泥漿漿液排渣能力，從而實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。采用的基巖鉆進(jìn)鉆井液參數(shù)見表4。

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2.3.2 鉆孔護(hù)壁

在鉆孔鉆進(jìn)時(shí)會(huì)破壞地層原本的平衡狀態(tài)，特別是鉆進(jìn)至松散、容易膨脹且裂隙發(fā)育的地層時(shí)，鉆孔孔壁更容易出現(xiàn)縮孔問題，并造成涌水。為避免上述問題出現(xiàn)，鉆孔鉆進(jìn)至不同的地層時(shí)應(yīng)采取針對性的護(hù)壁措施。

（1）鉆進(jìn)至孔壁穩(wěn)定、巖芯完整地層時(shí)可以采用無固相或者底固相沖洗液護(hù)壁。

（2）鉆進(jìn)至破碎、松散地層以及僅地表的黏結(jié)性較差的粉砂、風(fēng)化層以及流砂層時(shí)，可以采用黏度在50～60 s的高黏度細(xì)分散鉆井液，快速鉆進(jìn)通過，并施加下方表層套管或者孔口管護(hù)壁。

（3）對于巖層破碎區(qū)域，可采用高分子聚合物（添加量0.5%～1.0%）和光譜類護(hù)壁劑（添加量2.0%～3.0%），并采用小泵量循環(huán)方式緩慢鉆進(jìn)。

（4）當(dāng)鉆進(jìn)遇到膨脹地層或者水敏性地層時(shí)可選用抑制性沖洗液護(hù)壁；對于透水性較強(qiáng)的地層可采用含鉀離子處理劑的鉆井液進(jìn)行護(hù)壁，在遇水容易崩解的地層中可以采用軟化點(diǎn)低瀝青類封堵劑進(jìn)行處理。

（5）鉆進(jìn)過程中遇到含鹽地層時(shí)，可選用低黏度（50～60 s）、高密度（1.7～1.8 g/cm3）、強(qiáng)抑制、低失水（API失水量在6 mL內(nèi)）的鹵水沖洗液體系泥漿進(jìn)行處理，在具體使用過程中沖洗液可選用下述配方：每立方米泥漿中含有8～10 kg抗鹽共聚物、30～50 kg膨潤土、8～10 kg抗鹽降失水劑、1%～2%重晶石+封堵劑、1～2 kg包被劑。

（6）當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至涌氣、承壓水或者不穩(wěn)定地層，采用的鉆井液無法有效護(hù)壁時(shí)，可選用下放套管進(jìn)行護(hù)壁。

2.4 取芯率提高技術(shù)措施

當(dāng)存在取芯率低的問題，可通過對鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，具體改進(jìn)采用階梯底噴式鉆頭，如圖1所示。

采用的鉆頭結(jié)構(gòu)分2層，第一層、第二層臺(tái)階均有8個(gè)水口，其中第一層臺(tái)階寬度、高度均為4 mm，可確保泵量在60 L/min時(shí)循環(huán)順層、不憋泵。

2.5 鉆孔堵漏及止涌

2.5.1 堵漏技術(shù)措施

（1）在容易漏失地層中鉆進(jìn)應(yīng)適當(dāng)控制泵壓和下鉆、提鉆速度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有輕微漏失時(shí)即在沖洗液中添加1%～2%的堵漏添加劑。在鉆頭下鉆過程中不應(yīng)在已知出現(xiàn)漏失的地層中開泵。

（2）在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)裂隙或者縫隙漏失，整體漏失量較小時(shí)可采取在沖洗液中添加約3%的惰性封堵材料隨鉆循環(huán)，并采用架橋方式封堵。

（3）當(dāng)在鉆進(jìn)過程中循環(huán)漿液主壓力大于地層壓力，壓漏地層從而造成漏失，可通過逐漸稀釋水泥漿漿液來降低水泥漿密度，從而降低液柱與地層間空隙壓力差，逐漸實(shí)現(xiàn)壓力平衡。

（4）破碎帶、大裂隙造成漏失時(shí)可采取下述措施堵漏：在循環(huán)漿液中添加一定量高失水添加劑進(jìn)行封堵，高失水添加劑漿液在液壓壓力下迅速失水，從而在鉆孔孔壁周邊形成一層強(qiáng)度高、致密等濾餅，從而實(shí)現(xiàn)對破碎地層封堵；對于漏失段長、裂隙發(fā)育范圍廣的地層，在鉆孔鉆進(jìn)時(shí)可因地制宜采用套管進(jìn)行堵漏，或者混合使用套管、水泥漿、泥漿、惰性材料以及化學(xué)漿液，充分發(fā)揮各套管以及各種漿液性能，特別是將水泥、黏土以及惰性材料（高分子聚合物）混合使用時(shí)，可形成新型的混合堵漏材料，可取得顯著的堵漏效果。

2.5.2 止涌

根據(jù)已有地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)在鉆探區(qū)域內(nèi)存在承壓含水層，在鉆探鉆孔施工過程中會(huì)出現(xiàn)孔內(nèi)返水、返漿以及冒氣等現(xiàn)象。當(dāng)鉆進(jìn)至含水層后引起冒氣或返漿時(shí)可采用平衡地層壓力的方法，在壓力平衡狀態(tài)下緩慢鉆進(jìn)；當(dāng)鉆孔內(nèi)大量返水或者其他原因?qū)е聼o法有效止涌時(shí)，可采用下放套管的方式止涌。

3 應(yīng)用效果分析

在鉆探區(qū)內(nèi)施工的探測鉆孔采用上述鉆探技術(shù)后，鉆探復(fù)雜地層時(shí)可滿足鉆探施工需要，施工質(zhì)量以及取芯率、取芯質(zhì)量均滿足探測要求。2019年施工的4個(gè)探測鉆孔取芯率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

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4 結(jié)語

對復(fù)雜地層條件下的鈾礦鉆探鉆孔施工工藝進(jìn)行分析探討，提出提升鉆孔鉆進(jìn)效率、鉆孔漏失封堵、提高巖芯采取率等技術(shù)措施。技術(shù)實(shí)際應(yīng)用后，平均鉆進(jìn)速度為65 m/d，約10 d即可完成一個(gè)鉆孔鉆進(jìn)工作，而且鉆探過程中巖芯較完整、取芯率較高。