地浸砂巖型鈾礦繩索取心鉆探沖洗液固相控制技術探析

江海宇，閆立鵬，郝長旭，菅凱，商敬寧

（核工業二〇八大隊，內蒙古 包頭 014010）

1 施工概況

1.1 區域巖石主要物理力學性質及可鉆性

項目工作區主要分布在鄂爾多斯盆地北部，工作區第四系覆蓋層主要以厚度大的沖積黃土為主，巖石松軟，鉆進容易，可鉆性1 ～2 級。其他地段黃土層被剝蝕后形成堆積物，以沙土、礫石為主的第四系巖石，厚度小、可鉆性差別大，沙土、淤泥為1 ～2 級，礫石為6 ～7 級，該層巖石孔壁極不穩定，滲漏嚴重，易坍塌掉塊。

1.2 鉆探施工情況

我隊砂巖型鈾礦繩索取心工藝鉆孔施工鉆探設備、鉆具組合和泥漿體系如下：

鉆探設備為：張探產XY-6D 立軸鉆機，河北永明產A-18 型落地鉆塔，石探產NBB390 型泥漿泵，200kW 發電機組和離心機等輔助鉆探設備。

鉆具組合為：φ113 繩索取心鉆頭+φ113mm 下擴孔器+φ101.6mm 取心鉆具總成+φ113mm 上擴孔器+φ101.6mm 彈卡室+φ101.6mm 彈卡擋頭+φ101.6mm繩索取心鉆桿+φ89mm 變絲接手+φ89 主動鉆桿。

泥漿體系為：鈉基膨潤土(10 ～15kg)+氫氧化鈉（2 ～8kg）+防塌防卡劑（10 ～15kg）+廣譜護壁劑Ⅲ型（4 ～10kg）+高黏防塌劑（4 ～6kg）+Na-CMC（4～5kg）。性能要求：密度1.02 ～1.09g/cm3，失水量≤15mL/30min，漏斗黏度22 ～30s，PH 值8.5 ～9.0,含砂量≤0.5%。

2 固相含量高的因素及其對大直徑繩索取心鉆探的影響

地浸砂巖鈾礦鉆探所鉆遇巖層一般為砂巖、泥巖、砂礫石層，鉆探施工過程中，巖層中的泥質成分混入泥漿中，導致泥漿黏度增大，巖層中的砂?；烊肽酀{中，導致泥漿固相含量上升；泥漿中固相含量越高，顆粒分散的越細，固相的吸水性越強，泥漿的粘度和切力越高，流動性不好，泥漿性能惡化，濾失量增大，泥餅虛厚，摩擦系數升高，沖洗液中的固相得不到清除，會在沖洗液中水化分散，再通過機械破碎愈變愈細表面積無限增大，最終導致一系列的問題：（1）鉆桿柱內孔結垢，造成內管投放打撈困難。（2）容易發生井漏、井塌。（3）鉆頭泥包，發生鉆桿柱粘附卡鉆、沉沙卡鉆等孔內事故。（4）易造成地層的膨脹、縮徑、剝落坍塌，導致起下鉆遇阻遇卡，固井質量不好。鉆孔護壁效果差，孔壁穩定壽命周期短，極易發生孔壁坍塌事故。（5）沖洗液中固相含量高，增加了重復破碎，影響鉆頭壽命，無用固相加劇對鉆具的磨損,有害固相不能及時凈化，在泥漿循環系統中反復進入泥漿泵，加劇泥漿泵的磨損，使鉆井周期無限延長，耗費大量的人力、物力，鉆井成本大幅度上升。（6）降低了機械轉速，沖洗液中細顆粒的含量越高，對鉆速的影響越大。有關實驗表明，泥漿中小于1 微米的膠體顆粒比大于1 微米的粗顆粒對鉆速影響大12 倍。

3 固相分析

按鉆屑粒度的大小可分3 類：

（1）黏土類。粒度小于2μm。（2）泥渣類。粒度為粒度為2 ～74μm。（3）砂類。粒度大于74μm。

通過表1 可以看出，沖洗液中過大的(大于2000微米)和特小的(小于2μm)顆粒都不多。大于74 微米的顆粒僅占3.7%～25.9%。也就是說，即使用200 目的振動篩也只能篩除整個固相含量的1/4，其余都是小于74 微米的顆粒，所以普通的除砂機已經不能滿足控制大部分固相含量的嚴格要求，而地浸砂巖型鈾礦繩索取心鉆探工藝要求固相含量＜10%,為此大隊采購了臥式螺旋沉降離心機，以滿足繩索取心鉆探工藝需要。

表1 近3 年繩索取心鉆探施工的鉆孔數據

4 固相控制設備性能參數

4.1 JSN-2B 泥漿除砂機

我隊在工作區進行單管鉆進施工主要使用泥漿除砂機，泥漿除砂機處理能力為60 ～80m3/h，分離固相粒度為45 ～105μm，固相處理能力只能滿足環狀間隙較大的普通單管鉆進需求，不能滿足地浸砂巖型鈾礦繩索取心鉆探沖洗液固相控制。

4.2 臥式螺旋沉降離心機

（1）參數介紹。我們生產現場使用的是中速離心機，它的分離因素為800 左右，可分離5 ～7μm 以上的固相，用于清除泥漿中的有害固相，控制泥漿密度和黏度。最大處理量滿足目前繩索取心鉆進工藝需求。

圖1 離心機排出的泥砂

5 沖洗液固相凈化流程

施工現場使用三級泥漿凈化池，第一個泥漿池的作用主要是使固相顆粒沉降下來，進入除砂機分離粗固相，使細固相沖洗液流到第二個泥漿池，第二個泥漿池中的泥漿被泵入離心機中，再將凈化后的泥漿排到第三個泥漿池，最終凈化后的泥漿經390 泥漿泵泵入鉆桿柱內，進行正常鉆進，從孔口流出的泥漿經過泥漿槽再進入第一個泥漿池，循環往復。

6 采用固相控制后施工鉆孔沖洗液關鍵指標的對比

對比表1 近3 年我隊繩索取心鉆孔的孔深、成建孔周期、鉆孔事故等數據，可以看出，在孔深800 ～900m孔深范圍，使用前文介紹的鉆探設備、鉆具組合和泥漿體系情況下，對于2019 年度、2020 年度未使用固控技術的情況下，2021 年通過固相含量控制所施工的繩索取心鉆孔含砂量明顯降低，泥皮厚度明顯變薄，孔內事故明顯減少，提高鉆進效果與臺月效率，成孔周期相比前2 年大幅縮短。

7 取得的成效與建議

通過表2 同項目區內近三年繩索取心鉆探所施工的鉆孔數據可以計算出，2019 年施工鉆孔平均孔深為868.94m，周期內日平均進尺28.96m；2020 年施工鉆孔平均孔深為693.84m，周期內日平均進尺41.63m；2021年施工鉆孔平均孔深為751.00m，周期內日平均進尺51.63m。以上數據可以看出，2021 年通過對沖洗液固相含量控制后，鉆進效率比2020 年、2019 年大幅度提高，孔內事故率大幅度降低，取得的具體成效如下。

表2 近3 年繩索取心鉆探所施工的鉆孔數據

（1）相比于單管取心鉆進技術采用的以膨潤土材料為主的泥漿體系和以除砂機為主的泥漿凈化設備所造成的多次換漿排漿極易污染環境，目前我們開展地浸砂巖型鈾礦沖洗液固相控制研究，研制的泥漿凈化處理系統，既能有效提高生產效率，還可提高泥漿利用率，減少換漿次數，減少廢漿排放，降低鉆探施工對環境的影響。（2）全年施工的鉆孔中未出現一例內管投放和打撈失敗的案例；沒有一例因為泥漿密度黏度增加，泥漿失水量增高，泥餅加厚，泵壓升高，造成孔漏、孔塌；未發生鉆桿柱黏附卡鉆、鉆頭泥包、沉沙卡鉆等孔內事故；未發生縮徑、剝落坍塌，起下鉆遇阻遇卡，固井質量差的情況，測井期間鉆孔穩定，無掉塊卡阻探管的事件。（3）有效地提高了機械鉆速，減少了重復破碎，提高了鉆頭壽命，減少了對鉆具的磨損,延長了泥漿泵的使用壽命，使鉆井周期縮短，節約大量的人力、物力，鉆井成本一定程度的下降。

8 結語

通過對地浸砂巖繩索取心工藝泥漿體系固相含量的控制后，雖取得了顯著成效，但是，在以后的施工中著重開展適用于地浸砂巖鈾礦繩索取心鉆探相匹配的小型化一體化沖洗液不落地系統研究，優化升級固相含量控制工藝和技術裝備，更好地維護泥漿體系，支撐綠色勘查，提升地層和工藝的匹配性。