鄂爾多斯盆地鈾礦復雜地層鉆探施工技術

楊愛軍，要二倉，張富蘭

（核工業二〇八大隊，內蒙古 包頭014010）

1 前言

根據國家對鈾資源的需求，近10年來中央加大了鈾礦地質找礦和勘探工作力度，投入了大量的鉆探工作量。在內蒙古鄂爾多斯盆地和巴音戈壁盆地，僅2011年就投入了大量資金，開動鉆機20余臺，完成鉆探工作量120000m。鉆探深度從300～400m增加到700～800m，600m以上深孔占80%。堅硬地層致密泥巖、鈣質砂巖、卵礫石層等越來越厚，可鉆性級別在7級以上，鉆進難度越來越大；深孔復雜地層也使孔內事故增加。這給我們鉆探工藝技術提出更高的要求。通過近10年的鉆探施工和調查分析之后，筆者認為在鈾礦復雜地層鉆探中，必須對長期沿用的一套鉆探方法和技術進行技術改造，針對不同的地層設計選用不同鉆頭，根據深孔施工難度制定出預防事故的措施。現已初步形成一套地浸砂巖鈾礦鉆探施工經驗和技術基礎。

1 鉆探施工難題

（1）致密泥巖平均厚度在50m左右，一些地段厚度達200m。硬致密泥巖中含有較多石英、鈣質成分，其粒度很細，結構緊密，表現為一般切削具很難切入，即使切入，其切入深度也很小，切入后由于細顆粒的研磨，很快將切削刃口磨鈍，表現為打滑不進尺。再加之致密泥巖具有高彈性，切削具壓入泥巖后產生的變形被泥巖的彈性變形所抵消，切削具向前移動時，所產生的變形很快恢復正常，現場把這種泥巖地層形象地稱為“橡皮層”。該地層鉆進時，泥巖抵抗切削工具壓入能力強。另外，巖石中粘土礦物成分含量高，水敏性強，易發生糊鉆和縮徑現象。這些因素造成鉆進時進尺慢、效率低，采用普通鉆頭鉆進，開始具有一定鉆速，很快切削具被磨鈍，失去切削能力，平均小時效率低于1．0m／h，同時由于易縮徑、護壁難，造成提下鉆困難，嚴重時會引發孔內事故。

（2）鈣質膠結砂巖，平均厚度在150m左右，該類巖石硬度大、研磨性強、可鉆性級別高，鉆進切削巖石時，對切削工具磨損快。采用合金鉆頭鉆進，由于硬質合金硬度、耐磨性不能滿足需要，研磨損耗特別快，鉆頭壽命短，鉆進效率低，引發事故多。

（3）卵礫石巖層厚度大，進尺慢，事故多。90%的鉆孔在不同孔段出現卵礫巖層。該工作區卵礫巖層主要有兩種類型，一類是鉆孔上段的白堊系上部卵礫巖層；另一類是鉆孔下段的白堊系底部卵礫巖層。鉆孔上段白堊系上部卵礫巖層，深度在100m以上。最大厚80m，平均厚度在35m左右，該段卵礫巖層卵礫石間有泥質或砂質成份的充填物，與砂巖、泥巖夾層，軟硬互層頻繁，膠結性差，有的極為松散，卵礫石礫徑大小不等，2～6cm左右。白堊系底部卵礫巖層是該工作區普遍存在的一層卵礫巖層，深度280m以下，在工作區自北向南厚度逐步增大，最大厚度200m，平均厚度40m左右。卵礫石礫徑大小不等，最小6cm，最大為超過幾百毫米的漂石。卵礫石成份以石英巖為主，部分為花崗巖。巖石的硬度大、抗壓強度高、研磨性強，可鉆性級別大于Ⅶ級。由于卵礫石巖層結構松散，甚至無膠結，其間存有很大的自由度，在外力的作用下，卵礫石非常容易轉動。鉆進過程中巖粉出屑多、顆粒較大，常發生卡鉆、埋鉆、蹩斷鉆桿、探頭石等孔內事故，加之卵礫石石質堅硬，鉆探效率低。

（4）由于在沉積巖地層施工，鉆孔深，孔壁穩定性差，引發鉆孔自然事故多。地層大多為各沉積體系的松散砂巖、砂礫巖、致密泥巖、鈣質膠結砂巖和卵礫石層，鉆進揭露時孔壁裸露一定時間后，在鉆具的回轉振動、敲擊孔壁以及提下鉆具抽吸等外力的作用下，易出現孔壁坍塌等現象，造成孔段多處嚴重超徑，從而引發埋鉆、卡鉆、鉆桿折斷等事故。

3 不同鉆頭在鈾礦復雜地層鉆探中的應用

3．1 致密泥巖地層

設計新型齒形復合片，鉆進時切削齒單位壓力增大，切入巖石較深，并在孔底形成多個齒形環，即形成多個自由面，使巖石產生拉應力破碎。同時新型齒形復合片的高耐磨性，使切削具保持鋒利，表現為鉆頭鉆進該地層時具有高效率和長壽命。齒型復合片切削具比圓片復合片出刃鋒利，與孔底接觸面積小，所需要的鉆壓小，易于切入巖石，進尺快，但抗彎能力差，在鉆頭保徑方面，較軟的致密泥巖，采用條狀合金，較硬的致密泥巖，采用金剛石聚晶體。

根據巖石的硬度，合理布置齒形復合片鉆頭的鑲焊密度。鉆進硬度小致密泥巖鑲焊4組復合片，硬度大致密泥巖的鑲焊6組復合片。選用Φ110mm雙環式齒形復合片鉆頭（6組）和Φ110mm雙環式齒形復合片鉆頭（4組）。鉆進效率達到2．58～2．6m／h，比普通復合片鉆頭提高27～73%。Φ110mm雙環式齒形復合片鉆頭（4組）鉆頭壽命71m，Φ110mm雙環式齒形復合片鉆頭（6組）鉆頭壽命100m，基本能解決鄂爾多斯盆地鈾礦致密泥巖鉆進困難。

鉆頭特點是水口大、出刃大，有利于排除巖粉，進尺快，避免巖心堵塞，泥包鉆頭和燒鉆，如圖1和圖2。

圖1 Φ110mm雙環平底齒形復合片鉆頭（4組）

3．2 鈣質膠結砂巖

圖2 Φ110mm雙環齒形復合片鉆頭（6組）

根據鈣質膠結砂巖硬度高、研磨性強的特點和復合片高硬度、高耐磨性、高抗沖擊的性能，設計加工了Φ110mm雙環式圓片狀復合片鉆頭、Φ110mm交錯式圓片狀復合片鉆頭。

Φ110mm雙環式圓片狀復合片鉆頭底唇面鑲焊6組12片Φ10×4．5的復合片，呈雙環狀排列，如圖3所示。

Φ110mm交錯式圓片狀復合片鉆頭，底唇面鑲焊6組Φ13．3×4．5的復合片，呈交錯狀排列；鑲焊角取15°，徑向角取15°，出刃高度設計為半出露型，鉆頭保徑采用合金，如圖4所示。

圖3 Φ110mm雙環式圓片狀復合片鉆頭

圖4 Φ110mm交錯式圓片狀復合片鉆頭

鈣質膠結砂巖鉆進效果：用普通合金鉆頭小時效率不足1m／h，用Φ110mm交錯式圓片狀復合片鉆頭，平均小時效率4．1m／h，用Φ110mm雙環式圓片狀復合片鉆頭，平均小時效率4m／h。

3．3 卵礫石地層

淺部松散小礫石（2～3cm）地層用牙輪鉆頭，鉆進速度5～10m／h。深部強膠結大卵礫石 （大于8cm）地層用加強型復合片鉆頭（圖5），鉆進速度2～4m／h，鉆頭壽命30～40m．用普通復合片鉆頭鉆進速度小于1m，壽命不足10m。加強型復合片比普通型復合片更大、更厚、密度更高、兩層結合更牢固。具有超強的耐磨性及抗沖擊性，壽命更長、效率更高。加強型復合片鉆頭焊接的復合片與其他復合片的區別在于其硬質合金與超硬磨料層之間結合狀態不同，其硬質合金結合面由平面改為網狀溝槽面，其形狀有半圓形、方形、梯形等，有各種分布形式，對稱排布。

圖5 加強型復合片鉆頭

4 深孔孔內事故的預防措施

2003年孔內事故率為15%，經過實踐摸索，制定出深孔事故預防措施后，事故率降為3%，提高了效率，降低了成本。深孔事故預防措施如下：

（1）深孔鉆進鉆桿承受扭矩和拉力大，為防止鉆進中脫扣、跑鉆、斷鉆，嚴禁把絲扣磨損嚴重、彎曲、裂紋的鉆桿鉆具下入孔內；深孔鉆進鉆桿接頭多，要在絲扣上涂抹絲扣油，以便于卸扣和保護絲扣、預防漏水。

（2）上下鉆時要嚴防跑鉆，深孔上下鉆起重量大，跑鉆后沖擊力更大，會造成鉆桿墩鼓、鉆頭墩裂。發生跑鉆時，應將鉆具提出孔外檢查，嚴禁在孔內對接繼續鉆進?？刂坪侠淼钠鹣裸@速度，操作升降機要平穩，盡量減小慣性力效應，避免和減少激動壓力和抽吸作用，防止坍塌。

（3）鉆進時要隨時調整沖洗液性能，鉆進前后多沖孔，保持孔內清潔。

（4）操作中每個回次的前后要仔細稱重，避免脫扣、斷鉆時的判斷失誤，造成事故的復雜化。每個回次前后準確丈量機上余尺，保證出現事故時事故位置清楚。時刻注意孔內返水、泵壓、電流變化及異常聲響，防止斷鉆、燒鉆。

（5）鉆進合車時，由于深孔摩擦阻力大，鉆頭要離開孔底，緩慢輕合離合器，待轉速接近選定速度時，鉆頭再接觸孔底正常鉆進，避免瞬間扭矩過大使鉆桿折斷。

（6）穿過主斷層時，及時更換新鉆具，鉆具上部選用幾根新鉆桿，防止疲勞斷裂，預防復雜事故的發生?？變嚷┦Р环邓畷r，要在鉆桿上涂抹潤滑脂，降低回轉阻力和鉆桿磨損。

（7）在鉆進復雜地層時，如出現機械事故或其它停待時間，應將孔內鉆具提出，或提離復雜地層。

（8）用鉆鋌孔底加壓，中和點離鉆頭較近，鉆桿柱受力狀況較好，不易折斷；鉆鋌壁厚，能保證鉆桿柱重壓下的必要強度，減輕鉆具的振動，擺動和跳動，有效控制孔斜，因此盡量用鉆鋌加壓，使中和點落到鉆鋌上頂部。

（9）孔徑太大鉆桿擺動范圍大，需要加強泥漿護壁以預防超徑，在地質許可范圍內應盡量用小徑鉆頭鉆孔。

（10）深孔盡量用卡簧、卡料取心，以防干鉆采心而發生鉆桿柱折斷事故。

5 結束語

根據鄂爾多斯盆地和巴音戈壁盆地鈾礦深孔復雜地層中的致密泥巖、鈣質砂巖、卵礫石層的鉆進困難問題，設計選用了齒形復合片鉆頭、圓片狀復合片鉆頭、加強型復合片鉆頭，并取得了很好的鉆進效率；采用預防深孔事故的措施，降低了施工事故率。

隨著鉆孔越來越深，施工難度越來越大，出現的問題會越多，因此需要我們對新的鉆探難題多研究、多總結，盡量減少事故率。

［1］李天明，李大佛，陳洪俊，雷艷，劉紅旗 ．用于礫石夾層鉆進的新型PDC鉆頭的研制與使用［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2006（8）．

［2］李雨，蔡家品，賈美玲，張建元，趙爾信．硬致密泥巖鉆進的新型復合片鉆頭的研究與應用［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2006（9）．

［3］要二倉，楊愛軍，張富蘭．地浸砂巖型鈾礦中－深孔鉆探技術研究科研成果報告［R］．2007．

［4］要二倉，楊愛軍，張富蘭．地浸砂巖型鈾礦硬致密泥巖地層鉆頭的研究與應用科研成果報告［R］．2009．