鄂尔多斯盆地铀矿复杂地层钻探施工技术

杨爱军，要二仓，张富兰

（核工业二〇八大队，内蒙古 包头014010）

1 前言

根据国家对铀资源的需求，近10年来中央加大了铀矿地质找矿和勘探工作力度，投入了大量的钻探工作量。在内蒙古鄂尔多斯盆地和巴音戈壁盆地，仅2011年就投入了大量资金，开动钻机20余台，完成钻探工作量120000m。钻探深度从300～400m增加到700～800m，600m以上深孔占80%。坚硬地层致密泥岩、钙质砂岩、卵砾石层等越来越厚，可钻性级别在7级以上，钻进难度越来越大；深孔复杂地层也使孔内事故增加。这给我们钻探工艺技术提出更高的要求。通过近10年的钻探施工和调查分析之后，笔者认为在铀矿复杂地层钻探中，必须对长期沿用的一套钻探方法和技术进行技术改造，针对不同的地层设计选用不同钻头，根据深孔施工难度制定出预防事故的措施。现已初步形成一套地浸砂岩铀矿钻探施工经验和技术基础。

1 钻探施工难题

（1）致密泥岩平均厚度在50m左右，一些地段厚度达200m。硬致密泥岩中含有较多石英、钙质成分，其粒度很细，结构紧密，表现为一般切削具很难切入，即使切入，其切入深度也很小，切入后由于细颗粒的研磨，很快将切削刃口磨钝，表现为打滑不进尺。再加之致密泥岩具有高弹性，切削具压入泥岩后产生的变形被泥岩的弹性变形所抵消，切削具向前移动时，所产生的变形很快恢复正常，现场把这种泥岩地层形象地称为“橡皮层”。该地层钻进时，泥岩抵抗切削工具压入能力强。另外，岩石中粘土矿物成分含量高，水敏性强，易发生糊钻和缩径现象。这些因素造成钻进时进尺慢、效率低，采用普通钻头钻进，开始具有一定钻速，很快切削具被磨钝，失去切削能力，平均小时效率低于1．0m／h，同时由于易缩径、护壁难，造成提下钻困难，严重时会引发孔内事故。

（2）钙质胶结砂岩，平均厚度在150m左右，该类岩石硬度大、研磨性强、可钻性级别高，钻进切削岩石时，对切削工具磨损快。采用合金钻头钻进，由于硬质合金硬度、耐磨性不能满足需要，研磨损耗特别快，钻头寿命短，钻进效率低，引发事故多。

（3）卵砾石岩层厚度大，进尺慢，事故多。90%的钻孔在不同孔段出现卵砾岩层。该工作区卵砾岩层主要有两种类型，一类是钻孔上段的白垩系上部卵砾岩层；另一类是钻孔下段的白垩系底部卵砾岩层。钻孔上段白垩系上部卵砾岩层，深度在100m以上。最大厚80m，平均厚度在35m左右，该段卵砾岩层卵砾石间有泥质或砂质成份的充填物，与砂岩、泥岩夹层，软硬互层频繁，胶结性差，有的极为松散，卵砾石砾径大小不等，2～6cm左右。白垩系底部卵砾岩层是该工作区普遍存在的一层卵砾岩层，深度280m以下，在工作区自北向南厚度逐步增大，最大厚度200m，平均厚度40m左右。卵砾石砾径大小不等，最小6cm，最大为超过几百毫米的漂石。卵砾石成份以石英岩为主，部分为花岗岩。岩石的硬度大、抗压强度高、研磨性强，可钻性级别大于Ⅶ级。由于卵砾石岩层结构松散，甚至无胶结，其间存有很大的自由度，在外力的作用下，卵砾石非常容易转动。钻进过程中岩粉出屑多、颗粒较大，常发生卡钻、埋钻、蹩断钻杆、探头石等孔内事故，加之卵砾石石质坚硬，钻探效率低。

（4）由于在沉积岩地层施工，钻孔深，孔壁稳定性差，引发钻孔自然事故多。地层大多为各沉积体系的松散砂岩、砂砾岩、致密泥岩、钙质胶结砂岩和卵砾石层，钻进揭露时孔壁裸露一定时间后，在钻具的回转振动、敲击孔壁以及提下钻具抽吸等外力的作用下，易出现孔壁坍塌等现象，造成孔段多处严重超径，从而引发埋钻、卡钻、钻杆折断等事故。

3 不同钻头在铀矿复杂地层钻探中的应用

3．1 致密泥岩地层

设计新型齿形复合片，钻进时切削齿单位压力增大，切入岩石较深，并在孔底形成多个齿形环，即形成多个自由面，使岩石产生拉应力破碎。同时新型齿形复合片的高耐磨性，使切削具保持锋利，表现为钻头钻进该地层时具有高效率和长寿命。齿型复合片切削具比圆片复合片出刃锋利，与孔底接触面积小，所需要的钻压小，易于切入岩石，进尺快，但抗弯能力差，在钻头保径方面，较软的致密泥岩，采用条状合金，较硬的致密泥岩，采用金刚石聚晶体。

根据岩石的硬度，合理布置齿形复合片钻头的镶焊密度。钻进硬度小致密泥岩镶焊4组复合片，硬度大致密泥岩的镶焊6组复合片。选用Φ110mm双环式齿形复合片钻头（6组）和Φ110mm双环式齿形复合片钻头（4组）。钻进效率达到2．58～2．6m／h，比普通复合片钻头提高27～73%。Φ110mm双环式齿形复合片钻头（4组）钻头寿命71m，Φ110mm双环式齿形复合片钻头（6组）钻头寿命100m，基本能解决鄂尔多斯盆地铀矿致密泥岩钻进困难。

钻头特点是水口大、出刃大，有利于排除岩粉，进尺快，避免岩心堵塞，泥包钻头和烧钻，如图1和图2。

图1 Φ110mm双环平底齿形复合片钻头（4组）

3．2 钙质胶结砂岩

图2 Φ110mm双环齿形复合片钻头（6组）

根据钙质胶结砂岩硬度高、研磨性强的特点和复合片高硬度、高耐磨性、高抗冲击的性能，设计加工了Φ110mm双环式圆片状复合片钻头、Φ110mm交错式圆片状复合片钻头。

Φ110mm双环式圆片状复合片钻头底唇面镶焊6组12片Φ10×4．5的复合片，呈双环状排列，如图3所示。

Φ110mm交错式圆片状复合片钻头，底唇面镶焊6组Φ13．3×4．5的复合片，呈交错状排列；镶焊角取15°，径向角取15°，出刃高度设计为半出露型，钻头保径采用合金，如图4所示。

图3 Φ110mm双环式圆片状复合片钻头

图4 Φ110mm交错式圆片状复合片钻头

钙质胶结砂岩钻进效果：用普通合金钻头小时效率不足1m／h，用Φ110mm交错式圆片状复合片钻头，平均小时效率4．1m／h，用Φ110mm双环式圆片状复合片钻头，平均小时效率4m／h。

3．3 卵砾石地层

浅部松散小砾石（2～3cm）地层用牙轮钻头，钻进速度5～10m／h。深部强胶结大卵砾石 （大于8cm）地层用加强型复合片钻头（图5），钻进速度2～4m／h，钻头寿命30～40m．用普通复合片钻头钻进速度小于1m，寿命不足10m。加强型复合片比普通型复合片更大、更厚、密度更高、两层结合更牢固。具有超强的耐磨性及抗冲击性，寿命更长、效率更高。加强型复合片钻头焊接的复合片与其他复合片的区别在于其硬质合金与超硬磨料层之间结合状态不同，其硬质合金结合面由平面改为网状沟槽面，其形状有半圆形、方形、梯形等，有各种分布形式，对称排布。

图5 加强型复合片钻头

4 深孔孔内事故的预防措施

2003年孔内事故率为15%，经过实践摸索，制定出深孔事故预防措施后，事故率降为3%，提高了效率，降低了成本。深孔事故预防措施如下：

（1）深孔钻进钻杆承受扭矩和拉力大，为防止钻进中脱扣、跑钻、断钻，严禁把丝扣磨损严重、弯曲、裂纹的钻杆钻具下入孔内；深孔钻进钻杆接头多，要在丝扣上涂抹丝扣油，以便于卸扣和保护丝扣、预防漏水。

（2）上下钻时要严防跑钻，深孔上下钻起重量大，跑钻后冲击力更大，会造成钻杆墩鼓、钻头墩裂。发生跑钻时，应将钻具提出孔外检查，严禁在孔内对接继续钻进。控制合理的起下钻速度，操作升降机要平稳，尽量减小惯性力效应，避免和减少激动压力和抽吸作用，防止坍塌。

（3）钻进时要随时调整冲洗液性能，钻进前后多冲孔，保持孔内清洁。

（4）操作中每个回次的前后要仔细称重，避免脱扣、断钻时的判断失误，造成事故的复杂化。每个回次前后准确丈量机上余尺，保证出现事故时事故位置清楚。时刻注意孔内返水、泵压、电流变化及异常声响，防止断钻、烧钻。

（5）钻进合车时，由于深孔摩擦阻力大，钻头要离开孔底，缓慢轻合离合器，待转速接近选定速度时，钻头再接触孔底正常钻进，避免瞬间扭矩过大使钻杆折断。

（6）穿过主断层时，及时更换新钻具，钻具上部选用几根新钻杆，防止疲劳断裂，预防复杂事故的发生。孔内漏失不返水时，要在钻杆上涂抹润滑脂，降低回转阻力和钻杆磨损。

（7）在钻进复杂地层时，如出现机械事故或其它停待时间，应将孔内钻具提出，或提离复杂地层。

（8）用钻铤孔底加压，中和点离钻头较近，钻杆柱受力状况较好，不易折断；钻铤壁厚，能保证钻杆柱重压下的必要强度，减轻钻具的振动，摆动和跳动，有效控制孔斜，因此尽量用钻铤加压，使中和点落到钻铤上顶部。

（9）孔径太大钻杆摆动范围大，需要加强泥浆护壁以预防超径，在地质许可范围内应尽量用小径钻头钻孔。

（10）深孔尽量用卡簧、卡料取心，以防干钻采心而发生钻杆柱折断事故。

5 结束语

根据鄂尔多斯盆地和巴音戈壁盆地铀矿深孔复杂地层中的致密泥岩、钙质砂岩、卵砾石层的钻进困难问题，设计选用了齿形复合片钻头、圆片状复合片钻头、加强型复合片钻头，并取得了很好的钻进效率；采用预防深孔事故的措施，降低了施工事故率。

随着钻孔越来越深，施工难度越来越大，出现的问题会越多，因此需要我们对新的钻探难题多研究、多总结，尽量减少事故率。

［1］李天明，李大佛，陈洪俊，雷艳，刘红旗 ．用于砾石夹层钻进的新型PDC钻头的研制与使用［J］．探矿工程（岩土钻掘工程），2006（8）．

［2］李雨，蔡家品，贾美玲，张建元，赵尔信．硬致密泥岩钻进的新型复合片钻头的研究与应用［J］．探矿工程（岩土钻掘工程），2006（9）．

［3］要二仓，杨爱军，张富兰．地浸砂岩型铀矿中－深孔钻探技术研究科研成果报告［R］．2007．

［4］要二仓，杨爱军，张富兰．地浸砂岩型铀矿硬致密泥岩地层钻头的研究与应用科研成果报告［R］．2009．