新疆溫宿、庫車地區砂巖鈾礦繩索取心鉆探技術

趙河江

(青海省核工業地質局第一地質礦產勘查大隊，青海西寧 810008)

新疆溫宿、庫車地區砂巖鈾礦繩索取心鉆探技術

趙河江

(青海省核工業地質局第一地質礦產勘查大隊，青海西寧 810008)

介紹了在新疆溫宿縣、庫車縣煤田和砂巖型鈾礦鉆探施工中，將繩索取心鉆進技術應用于沉積巖和軟巖地層施工的技術措施及效果。實踐表明，繩索取心鉆進技術在沉積巖和軟巖地層同樣可以發揮鉆進效率高的優勢。

沉積巖;軟巖;繩索取心;斜孔;巖心鉆探;鉆井液

1 地層概況及鉆孔設計

施工地點位于新疆溫宿縣、庫車縣砂巖鈾礦勘探區內，鉆孔所鉆遇地層主要是第四系、第三系和侏羅系中下統地層，其中第四系為松散砂礫石、砂質粘土;第三系為褐灰色石子質礫巖，粉砂質泥巖;侏羅系中下統為主要目的層，巖性為砂巖、砂礫巖、泥巖和煤層。砂礫巖和砂巖多為泥質弱膠結，無膠結。由于巖層膠結性差，鉆進時只要鉆孔發生漏失，馬上就伴隨著卡、埋鉆事故。嚴重地阻礙了鉆探工程的正常進行，每當鉆孔深超過300 m后，施工困難加重，孔內事故頻繁發生。

從取出的巖心可以看到，巖心呈“豆腐渣”狀。屬砂巖松散巖心，在機械震動下很容易破碎，巖心膠結很差，可用手搓碎，這些巖石雖然松散，但是水銹不明顯，這說明有滲漏的可能或壓差漏失，但沒有大的漏失通道。

鉆孔設計均為斜孔。溫宿縣工區鉆孔方位角182°，傾角80°，鉆孔孔深一般在300～600 m之間;庫車縣工區鉆孔方位角185°，傾角為65°～75°不等，鉆孔孔深一般在400～700 m之間。

2 鉆探施工主要技術難題

依據該工區鉆孔設計及地層情況，該工區鉆探施工所面臨的主要技術難題有以下幾點:

(1)該工區地質設計鉆孔均為斜孔，且傾角在65°～80°，這將給鉆孔護壁、鉆孔防斜及鉆進取心帶來極大的困難;

(2)該工區地層:第四系為松散砂礫石、砂質粘土;第三系為褐灰色石子質礫巖，粉砂質泥巖;主要目的層侏羅系中下統，巖性為砂巖、砂礫巖、泥巖和煤層，砂礫巖和砂巖多為泥質弱膠結或無膠結，屬松散、易坍塌、易滲漏復雜地層。選擇并用好與以上地層相適應的鉆井液將是本工區鉆探成敗與否的關鍵所在。

3 鉆探設備、鉆探工藝及鉆孔護壁技術的選擇

3.1 主要設備及繩索取心鉆具的選擇

YDX－3L型全液壓鉆機3臺，XY－5型鉆機1臺套，繩索取心鉆具及配套設備4套，除砂器4臺。

針對地質要求和地層特點，我們選擇了無錫鉆探工具廠生產的N規格系列繩索取心鉆具及總成，以提高鉆具的防斜性能和在易坍塌地層中的鉆進能力，所選用的繩索取心鉆具具有以下優點:

(1)鉆具穩定性好，防斜性能強，耐磨性強，壽命長;

(2)鉆具總成簡單耐用，維修方便;

(3)打撈機構設有重錘，遇卡時可反向沖擊，內管可輕松提出。

3.2 鉆頭和擴孔器的選擇

根據巖石的可鉆性和研磨性等級，我們重點考慮選擇PDC復合片鉆頭。為穩定鉆具，提高轉速，結構形狀選擇臺階尖齒形復合片鉆頭。為降低泵壓，增大環狀間隙，有利于排除巖粉，則選擇80 mm鉆頭和80.5 mm擴孔器。

(1)PDC鉆頭以剪切方式碎巖，在較低的轉速條件下也可獲得較高的鉆速，特別適合于軟巖地層巖心鉆探。

(2)由于PDC既具有金剛石的耐磨性和硬度，又具有硬質合金的抗沖擊性能和結構強度，因而壽命較高，平均壽命195.75 m，最高壽命252.58 m。從磨損情況分析，PDC鉆頭的焊接工藝仍然存在問題，若加以改進，鉆頭的使用壽命將大大提高。

(3)針對軟巖地層鉆進每米成本約6.5元，接近硬質合金鉆頭的水平，而且其成本下降的空間仍然很大。

(4)擴孔器與鉆頭和鉆具的級配較為合理，擴孔器使用壽命長。

3.3 對鉆頭的改進

PDC鉆頭在軟巖鉆進中取得了較好的技術效果，使整體的鉆探成本有所降低，但仍存在一定的問題，針對這些問題，我們對鉆頭進行了改進。一是在軟巖鉆進中，有時會發生憋泵現象，從而減少純鉆時間，為此將原水口高度增加;二是為降低單個鉆頭的成本，在不影響鉆頭內外保徑和使用壽命的前提下，在某些孔段采用4組8粒的尖齒PDC復合片作切削具。此外建議提高焊接工藝，防止PDC復合片脫落，采用聚晶保徑，提高鉆頭的使用壽命。

3.4 鉆井液的選擇

分析礦區的地層情況，并結合繩索取心鉆進對鉆井液的要求，我們把利用鉆井液維護孔壁安全、防止坍塌作為鉆井液選配的原則。經室內反復調配、分析、對比，最后確定在該礦區鉆進使用的鉆井液配方和使用維護方案。以達到保證孔壁安全，防止泥漿滲漏，潤滑穩定鉆具的目的。

3.4.1 鉆井液類型

開孔到穿過第四系地層使用低固相加入一定量水玻璃的鉆井液，下入孔口套管。穿過第四系地層以后，使用經過改良的植物膠為主的無固相鉆井液。在松散的砂礫巖使用水玻璃無固相鉆井液。

3.4.2 鉆井液的配方和性能

3.4.2.1 水玻璃鉆井液

配方:PHP 0.05% ～0.1%，硫酸銨0.5% ～

，水玻璃3%～8%，磺化瀝青0.05%～0.1%，其它復合處理劑1%～1.5%，潤滑劑0.3%～0.5%。

性能指標:漏斗粘度23 s，塑性粘度9 mPa·s，動切力3 Pa，密度1.04 g/cm3，pH值11。

樣品以砂土球、煤球、泥球在鉆井液中浸泡，久泡不散，而且表面有一層薄膜，說明該鉆井液的護壁和護心性能優良。

3.4.2.2 低固相鉆井液

配方:Na2CO30.01%～0.03%，PHP 0.05%～0.1%，膨潤土2.5%，植物膠0.2%～0.5%。

性能指標:漏斗粘度28 s，塑性粘度14 mPa·s，動切力3 Pa，密度1.03 g/cm3，pH值9，失水量10.5 mL/30 min，泥皮厚度＜1 mm。

3.4.2.3 植物膠無固相鉆井液

配方:Na2CO30.01% ～0.03%，高粘防塌劑0.1%～0.5%，植物膠0.3% ～0.7%，其它混合處理劑0.5%～1.5%，磺化瀝青0.5%～1%。

性能指標:漏斗粘度26 s，塑性粘度11 mPa·s，動切力3.5 Pa，密度1.02 g/cm3，pH值9。

3.4.3 鉆井液的防塌性能

采用簡單的巖樣靜態浸泡方法對鉆井液的防塌性能進行了試驗。表1列出了3種巖樣在3種不同的鉆井液中的浸泡試驗結果。結果表明，水玻璃無固相鉆井液具有使巖樣表層硬化的固壁作用，并且一旦硬化層被撞擊出現裂紋或局部剝離脫落后，出現的裂隙和新裸露的巖樣表面，又會很快的固結和形成新的硬化層，從而保護了孔壁和巖心。

表1 鉆井液浸泡試驗結果

4 防漏、防塌及堵漏措施

針對施工中孔內出現的復雜問題，我們堅持及時地封堵孔內的漏失通道和滲漏量較大的孔段，使鉆井液保持正常循環的主導思想。因此，在塌漏的鉆孔中，堵漏便成為護壁的重要環節。堵漏治塌的方法有多種，在該工區的繩索取心鉆進中選擇了以下幾種堵漏方法。

(1)PAM－水泥絮凝堵漏法:該方法見效快，有效而且經濟。

(2)水玻璃－硫酸銨膠凝堵漏:該方法對于滲漏嚴重的“豆腐渣”砂巖層，可實現不停鉆堵漏，而且效果很好。

(3)鉆進薄的松散層和煤層時，則從鉆桿內直接倒入水玻璃水溶液。以“大劑量，小范圍”的方式固化孔壁。

5 鉆探施工技術

5.1 鉆孔方法

5.2 鉆進參數及鉆具間隙

在軟巖地層采用繩索取心鉆進斜孔時，鉆進參數應該比直孔鉆進略大一些，具體參數視鉆孔傾角而定。傾角小，鉆壓大;傾角大，則鉆壓小，以保證鉆孔軌跡不離靶心。在硬巖地層鉆進，鉆具與孔壁的環狀間隙較小，使用清水+潤滑劑就基本可以保證鉆進要求。而軟巖則不同，要考慮許多孔內復雜情況，由于采用0DC復合片鉆頭鉆進，巖粉顆粒大，若不及時排出，將會產生不可預計的孔內事故，所以將環狀間隙加大，有利于排粉、降低泵壓。

5.3 鉆井液的使用及維護

使用無固相鉆井液，循環槽內沉積的巖粉較多，說明它具有很好的排粉和清粉性能，而且巖粉堆積密實、易于清除，此時應注意補充相關的有機處理劑，以保證鉆井液性能。另外，現場使用旋流加振動篩組合式除砂器，有效地清除了鉆井液中的顆粒狀鉆屑。

6 鉆探技術經濟效果

(1)護壁效果:使用無固相鉆井液后，孔內事故明顯減少。鉆井過程中無卡鉆、埋鉆和縮徑等現象，實現了全孔裸眼安全鉆進。終后孔測井，探管上下順利，從物探測井資料上看，鉆孔孔徑完整，無超徑現象。

(2)護心效果:使用無固相鉆井液后，由于高分子聚合物大量的存在具有很好的固壁效果和包裹性能，在巖心表面形成一層良好的保護膜，有效地防止了水的滲透，從而有效地保護了巖(礦)心。從取出的煤心和松散砂巖(圖1)可以看出，巖心都能夠保持完整的圓柱狀。

圖1 在煤層和松散砂巖中取出的巖心

(3)鉆井液的潤滑性:繩索取心鉆桿外環間隙小，鉆桿與孔壁的接觸面積比較大，若想高速鉆進，減阻潤滑是關鍵問題，在鉆井液中加入磺化瀝青和潤滑劑有效地解決了鉆具潤滑和滲漏問題。

(4)繩索取心鉆探技術經濟指標與普通單動雙管鉆探的對比見表2。

其中，2009年度開動鉆機3臺，全部采用普通單動雙管鉆探工藝，工期6個月，完成總工作量7740 m;2010年度開動鉆機3臺，全部改用繩索取心工藝，工期5個月，完成總工作量12015 m。可見，改用繩索取心工藝后其經濟技術指標顯著改善，經濟效益明顯提高。

表2 鉆探技術經濟指標對比

7 結語

通過該工作區30多個鉆孔(方位角182°，傾角80°)，1萬多米鉆探工作量的施工證明:

(1)在沉積巖地層中采用繩索取心鉆進技術，鉆孔質量好，鉆進效率高，勞動強度低。我隊最大提鉆間距達285.47 m。其工藝優勢明顯。

(2)在軟巖中鉆進斜孔，關鍵在于對鉆井液的選用及維護。該工作區通過對所述3種鉆井液綜合使用，在鉆進過程中未出現塌孔、縮徑等不良現象，基本實現了全孔裸孔安全鉆進。終孔后測井顯示:孔內干凈，上下探管自如，無塌孔、擴徑、縮徑等現象。從物探測井曲線上看，鉆孔孔徑基本一致并保持完整。尤其是水玻璃鉆井液具有較強的護壁、護心能力，在松散砂巖及煤層取心鉆進時，鉆井液包裹在巖心表面，形成一層良好的保護膜，起到了護心的作用，從而使得巖(礦)心的采取率較高。平均全孔巖心采取率達80%以上。

實踐證明，在沉積巖軟巖地層中采用繩索取心鉆進技術進行斜孔鉆探施工，同樣可達到鉆孔質量好，鉆進效率高，勞動強度低等目的。但是，必須重視對鉆孔護壁堵漏技術和鉆井液的研究應用，只有靈活掌握和使用好與地層相適應的鉆井液，并在必要時輔助使用套管護壁，才可取得滿意的鉆探施工效果。

［1］陳爾志，陳禮儀，向昆明，等.高密度低失水泥漿體系在煤田繩索取心鉆探中的應用研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(2):15－18.

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［5］王文臣.鉆孔沖洗液與注漿［M］.北京:冶金工業出版社，1996.

Wire-line Core Drilling Technology in Sandstone Uranium Deposit

ZHAO He-jiang(No.1 Geology and Mines Investigation Branch，Qinghai Geology Survey of Nuclear Industry，Xining Qinghai 810008，China)

The paper introduced the technical measures and effect of application of wire-line core drilling in sedimentary rock and soft rock construction for coalfield and sandstone-type uranium mineral drilling in Kuche and Wensu Counties of Xinjiang.The practice shows that wire-line core drilling technology can also take advantages of high drilling efficiency in sedimentary rock and soft rock formations drilling.

sedimentary rock;soft rock;wire-line core drilling;inclined hole;core drilling;drilling fluid

P634.5

A

1672－7428(2012)03－0037－03

2011－04－21;

2012－02－23

趙河江(1963－)，男(漢族)，河南人，青海省核工業地質局第一地質礦產勘查大隊項目經理、助理工程師，鉆探工程專業，從事鉆探技術與管理工作，青海省西寧市新寧路2號青旅商務大夏701室，huangweidong7288@163.com。