肖長(zhǎng)城

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011）

1 勘查區(qū)地質(zhì)概述

新疆伊犁盆地鈾礦勘查區(qū)隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州察布查爾錫伯自治縣，工作區(qū)總面積約600 km2。鉆探工作區(qū)位于察布查爾山北坡緩傾斜的山前斜坡帶上，地勢(shì)總體南高北低。南部為丘陵區(qū)北部為沖積平原，地勢(shì)切割較強(qiáng)烈，地形坡度2.5°～5°。溝谷附近地形稍復(fù)雜，地形坡度可達(dá)23°。伊犁盆地南緣是伊寧凹陷內(nèi)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，中新生代地層在每個(gè)斷階上總體呈向北緩傾的單斜構(gòu)造，地層發(fā)育較齊全。東、西段后期構(gòu)造活動(dòng)，尤其是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度有明顯差異，西部構(gòu)造活動(dòng)較弱，為向北緩傾的單斜構(gòu)造；東部構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，由一系列排列緊密的背、向斜組成，斷裂發(fā)育，局部中新生界在山前倒轉(zhuǎn)產(chǎn)出。根據(jù)地質(zhì)資料和以往鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)主要分布地層為第四系、第三系、白堊系、侏羅系、三疊系等。區(qū)內(nèi)復(fù)雜地層占比大，地層軟硬交替頻繁，帶傾角，不勻質(zhì)，破碎，遇水膨脹與剝落坍塌、涌水與漏孔等現(xiàn)象并存，鉆探施工難度大。新近系、三疊系破碎泥巖地層水敏、坍塌以及白堊系風(fēng)化層段孔壁掉塊垮塌導(dǎo)致的鉆孔擴(kuò)徑現(xiàn)象普遍［1］。典型的鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 除第四系外全孔取心普通地質(zhì)孔結(jié)構(gòu)Fig.1 Conventional core drilling structure for the full hole (below overburden)

圖2 目的層取心普通地質(zhì)孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Conventional core drilling structure for the target formation

2 伊犁片區(qū)普通取心鉆進(jìn)孔斜控制現(xiàn)狀

2.1 典型中深孔孔斜控制情況

2018 年，核工業(yè)二一六大隊(duì)鉆探工程院在伊犁南緣中西段、洪海溝地區(qū)開展中深孔鉆探施工研究，勘查中深部三疊系小泉溝群。該項(xiàng)目施工的ZK7057 號(hào)鉆孔，終孔孔深1100.86 m，為歷年來(lái)在伊犁盆地鈾礦勘查工作中施工的最深孔，該孔終孔頂角28.65°，偏斜距176.99 m，孔斜超標(biāo)。

2019 年，核工業(yè)二一六大隊(duì)鉆探工程院在伊犁南緣中西段地區(qū)繼續(xù)開展中深孔施工科研工作。該項(xiàng)目施工的445353 鉆孔終孔孔深1047.88 m，孔斜頂角28.10°，孔斜超標(biāo)。

2.2 2019 年鉆孔孔斜技術(shù)指標(biāo)

2019 年共施工鉆孔87 個(gè)，累計(jì)工作量55676.16 m，平均孔深639.68 m，孔斜數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。

表1 2019 年伊犁片區(qū)鉆孔孔斜數(shù)據(jù)匯總Table 1 Borehole deviation data of the Yili drilling area for Year 2019

2019 年伊犁片區(qū)鉆孔孔斜平均偏斜距較大，各子項(xiàng)目平均偏斜距差距較大，因偏斜距超標(biāo)導(dǎo)致的降級(jí)孔有2 個(gè)，對(duì)地質(zhì)成果質(zhì)量和鉆探經(jīng)濟(jì)效益影響較大。

2.3 影響中深孔孔斜防控技術(shù)分析

伊犁片區(qū)普通取心鉆進(jìn)軟巖中深孔導(dǎo)致孔斜的因素有操作因素、地層因素、鉆具組合和鉆進(jìn)工藝因素等。其中地層復(fù)雜，普通取心鉆進(jìn)鉆桿剛度低，在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)甩動(dòng)幅度大，是導(dǎo)致中深孔孔斜控制困難的主要影響因素［2-4］。

根據(jù)伊犁片區(qū)歷年測(cè)井資料統(tǒng)計(jì)，水敏、破碎、坍塌等易擴(kuò)徑孔段的成孔直徑比鉆頭直徑平均大約10%。其它孔段擴(kuò)徑、縮徑現(xiàn)象并存，但幅度皆較小，孔徑比鉆頭直徑超差在±2%左右。因區(qū)內(nèi)復(fù)雜地層占比較大，超徑與縮徑現(xiàn)象并存，如使用直徑較小的鉆頭，形成較小的環(huán)狀空間，則孔內(nèi)泵壓不穩(wěn)，影響巖心采取率和孔內(nèi)鉆進(jìn)安全。區(qū)內(nèi)非目的層鉆進(jìn)段使用?113 mm 及以上直徑的鉆頭居多，下部目的層孔段在孔內(nèi)占比較小，占5%～10%，多采用?98 mm 雙套鉆頭，鉆孔成孔的環(huán)狀空間較大。據(jù)孔徑和孔斜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比分析得出，超徑幅度在10%左右的孔段的孔斜增長(zhǎng)率是非超徑孔段的1～2 倍，孔內(nèi)環(huán)狀空間越大導(dǎo)致的鉆桿甩動(dòng)幅度就越大，對(duì)孔斜的影響就越大。

3 2020 年伊犁片區(qū)孔斜防控技術(shù)改進(jìn)措施

核工業(yè)二一六大隊(duì)在伊犁片區(qū)開展過(guò)繩索取心鉆探技術(shù)的研究，孔斜控制較好，但伊犁片區(qū)全孔取心鉆孔數(shù)量很少，使用繩索取心鉆進(jìn)目的層取心鉆孔經(jīng)濟(jì)性差，未在該片區(qū)普及使用。近年來(lái)在伊犁片區(qū)開展的孔斜防控改進(jìn)技術(shù)研究主要針對(duì)普通取心鉆進(jìn)工藝。2020 年針對(duì)普通取心鉆進(jìn)鉆桿剛度低、在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)甩動(dòng)彎曲幅度大而導(dǎo)致孔斜的問(wèn)題，進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。

3.1 扶正器

扶正器（見(jiàn)圖3）設(shè)計(jì)規(guī)格為：直徑102 mm、長(zhǎng)度400 mm，對(duì)應(yīng)使用的鉆頭直徑為113、104、98 mm。扶正器長(zhǎng)度、直徑選用要適用于伊犁片區(qū)復(fù)雜地層［5］，防止孔內(nèi)坍塌、卡鉆等復(fù)雜情況發(fā)生時(shí)增加處理難度［6-7］，保證孔內(nèi)安全。扶正器表面開直槽以利于泥漿上返，直槽邊上鑲硬質(zhì)合金提高耐磨性。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)使用的扶正器Fig.3 Centralizer used for drilling

針對(duì)普通取心鉆進(jìn)鉆桿剛度小、成孔環(huán)狀空間大、孔內(nèi)超徑［8］現(xiàn)象普遍等對(duì)控制孔斜不利的因素，使用扶正器能達(dá)到滿眼鉆進(jìn)的效果，減少鉆桿彎曲對(duì)孔斜的影響?？商岣呖變?nèi)鉆桿、鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性、垂直度，保直防斜。

3.2 鉆具組合

扶正器主要在取心段使用，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)扶正器的使用位置做了多組對(duì)比使用效果驗(yàn)證，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)選最佳扶正器安放位置及相應(yīng)的鉆具組合。

3.2.1 非目的層鉆具組合及扶正器安放位置

優(yōu)化鉆具組合［9］：?104 mm/?113 mm 復(fù)合片單管取心鉆頭+?89 mm 巖心管（長(zhǎng)6 m 左右）+?83 mm 鉆鋌單根（長(zhǎng)4.75 m）+?102 mm 扶正器+?83 mm 鉆 鋌+?68 mm 鉆 鋌+?60 mm 鉆 桿+主 動(dòng)鉆桿。

3.2.2 目的層鉆具組合及扶正器安放位置

優(yōu)化鉆具組合：?98 mm 復(fù)合片鉆頭+單動(dòng)雙管鉆具（長(zhǎng)4.5 m 左右）+?83 mm 鉆鋌單根（長(zhǎng)4.75 m）+?102 mm 扶正器+?83 mm 鉆鋌+?68 mm 鉆鋌+?60 mm 鉆桿+主動(dòng)鉆桿。

伊犁片區(qū)松散砂巖礦層目的層段使用單動(dòng)雙管鉆具、?98 mm 復(fù)合片鉆頭取心鉆進(jìn)，因地層極松散，受鉆桿、鉆頭擺動(dòng)影響，實(shí)際成孔孔徑會(huì)略大于鉆頭直徑，因此?98 mm 復(fù)合片鉆頭搭配使用?102 mm 扶正器符合需求，實(shí)際使用效果較好。

3.3 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆進(jìn)參數(shù)的選擇要在保證孔內(nèi)鉆進(jìn)安全、高效的前提下，根據(jù)不同地層選擇有利于孔斜控制的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量，以取得良好的孔斜控制效果［10-11］。軟硬交替地層、含礫松散砂巖地層、傾斜地層使用推薦鉆壓的下限值［12-14］。鉆進(jìn)參數(shù)選擇見(jiàn)表2。

表2 鉆進(jìn)參數(shù)選擇Table 2 Drilling parameters

3.4 孔斜防控技術(shù)改進(jìn)原理分析

?102 mm 扶正器連接在?83 mm 鉆鋌單根上部，可與下部直徑較粗的取心鉆具、鉆頭在孔內(nèi)孔壁上形成穩(wěn)定的兩個(gè)滿眼支撐點(diǎn)，有效減少兩點(diǎn)之間鉆具的甩動(dòng)彎曲幅度。?83 mm 鉆鋌質(zhì)量大、剛度高，可減壓鉆進(jìn)，有效減少孔底使用?83 mm 鉆鋌段鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)甩動(dòng)彎曲的幅度，對(duì)孔斜有很好的控制校正作用。

4 2020 年試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施及工程量完成情況

4.1 設(shè)備配置

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)施工的鉆孔以普通地質(zhì)孔為主，設(shè)計(jì)孔深在500～900 m。根據(jù)鉆孔情況配置使用XY-5和XY-6N 型立軸式鉆機(jī)、A 字形18 m 鉆塔、NBB250、NBB-260 型泥漿泵等進(jìn)行施工。

4.2 試驗(yàn)區(qū)選擇

扶正器外徑較粗，在軟巖復(fù)雜地層使用會(huì)增加孔內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)區(qū)應(yīng)選在地層較穩(wěn)定的片區(qū)。蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾、梧桐溝片區(qū)上覆第四系地層厚度薄、穩(wěn)定，下部破碎地層少，扶正器及鉆具優(yōu)化組合孔斜防控現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要在以上3 個(gè)片區(qū)實(shí)施。

4.3 工程量完成情況

2020 年伊犁鈾礦勘查項(xiàng)目共施工了4 個(gè)子項(xiàng)目：伊犁洪海溝北部項(xiàng)目、庫(kù)-烏調(diào)查項(xiàng)目、蒙其古爾P57-L0 項(xiàng)目、闊斯加爾項(xiàng)目，共施工鉆孔67 個(gè)，累計(jì)完成工作量42300.58 m，平均孔深631.35 m。

伊犁梧桐溝項(xiàng)目完成市場(chǎng)煤炭孔2 個(gè)。

5 防斜試驗(yàn)效果

5.1 蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾片區(qū)孔斜防控效果對(duì)比分析

2020 年在蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾片區(qū)使用扶正器共施工鉆孔32 個(gè)，其中800 m 以深鉆孔1個(gè)，700～800 m 深鉆孔9 個(gè)，600～700 m 深鉆孔16個(gè)，500～600 m 深鉆孔6 個(gè)，完成工作量20963.88 m。蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾片區(qū)孔斜防控技術(shù)改進(jìn)試驗(yàn)項(xiàng)目效果評(píng)價(jià)對(duì)比分析見(jiàn)表3。

表3 蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾片區(qū)2019 年、2020 年孔斜指標(biāo)對(duì)比Table 3 Comparison of borehole deviation between the Mengqiguer and Kuosijiaer drilling areas for Year 2019 and 2020

蒙其古爾片區(qū)孔斜達(dá)標(biāo)率為100%，平均偏斜距由2019 年的35.07 m 下降至16.79 m，降幅52.12%。闊斯加爾片區(qū)孔斜達(dá)標(biāo)率為100%，平均偏斜距由2019 年的19.01 m 下降至16.36 m，降幅13.94%。兩個(gè)片區(qū)的鉆孔平均偏斜距下降幅度明顯，扶正器及鉆具優(yōu)化組合的孔斜防控技術(shù)應(yīng)用效果良好。

5.2 伊犁梧桐溝項(xiàng)目孔斜防控效果對(duì)比分析

梧桐溝煤田市場(chǎng)項(xiàng)目處于山邊溝谷中，地勢(shì)起伏大，地層有傾角，軟硬地層交替頻繁，孔斜控制較為困難［15］。使用扶正器及鉆具優(yōu)化組合技術(shù)施工完成的100-4 號(hào)孔，設(shè)計(jì)為2°斜孔，終孔偏斜距72.48 m，達(dá)到了甲方的質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)。未使用扶正器及鉆具優(yōu)化組合技術(shù)施工的直孔98-4 號(hào)孔，終孔孔深912.03 m，孔斜偏斜距352.62 m，未達(dá)到甲方質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)。鉆孔技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 100-4、98-4 號(hào)孔鉆孔孔斜技術(shù)指標(biāo)Table 4 Deviation data of borehole 100-4 and 98-4

5.3 2020 年伊犁片區(qū)孔斜防控效果對(duì)比分析

2020 年伊犁片區(qū)孔斜數(shù)據(jù)匯總分析見(jiàn)表5。參與試驗(yàn)項(xiàng)目的伊犁蒙其古爾P57-L0、闊斯加爾地區(qū)鉆孔平均偏斜距為未參與試驗(yàn)項(xiàng)目的伊犁庫(kù)-烏調(diào)查、洪海溝北部地區(qū)鉆孔平均偏斜距的60.76%。伊犁庫(kù)-烏調(diào)查地區(qū)有一個(gè)鉆孔孔斜超標(biāo)，闊斯加爾、蒙其古爾P57-L0 地區(qū)無(wú)孔斜超標(biāo)鉆孔。

表5 2020 年伊犁片區(qū)孔斜數(shù)據(jù)匯總分析Table 5 Borehole deviation data of the Yili drilling area for Year 2020

6 結(jié)語(yǔ)

2020 年伊犁片區(qū)針對(duì)鉆孔內(nèi)鉆桿與井壁間環(huán)狀空間大導(dǎo)致的鉆桿甩動(dòng)彎曲這一影響孔斜控制的主要因素，采取使用扶正器、優(yōu)化鉆具組合等技術(shù)改進(jìn)措施，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證能大幅降低中深孔鉆孔的平均偏斜距，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值和前景。

2021 年計(jì)劃繼續(xù)完善孔斜防控技術(shù)項(xiàng)目實(shí)施方案，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)扶正器的設(shè)計(jì)及使用進(jìn)行改進(jìn)，采取多點(diǎn)扶正、分級(jí)扶正的技術(shù)方案，繼續(xù)提高扶正器的使用效果。