地浸采铀定向井施工与成井技术研究

张 渤，李喜龙，季扬威，口文杰，董惠琦，刘佳斌

(中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000)

定向井最早应用在石油开采行业，钻井深度大多在2 000～3 500 m，采用定向井技术可以使地面和地下条件受限的油气资源得到经济、有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，具有显著的经济效益和社会效益。当矿体埋藏在高山、城镇、森林、沼泽海洋、湖泊、河流等地貌复杂的地下，或设置井场遇到障碍时，通常利用定向井揭露矿体。目前中国新疆、内蒙古等砂岩型铀矿床采用垂直型钻孔进行矿体开拓，当地表施工遇到的障碍较小时，可将孔位进行小范围偏移后继续施工；但当偏移距离大于井距时，继续采用垂直型钻孔不仅造成施工成本增加，而且铀资源也得不到最大化的回收利用。

随着砂岩型铀资源的不断开发[1]，地表的地形地貌更加复杂，垂直型钻孔难以满足地浸采铀矿山绿色发展需求。因此，在有限的土地条件下，如何将铀资源利用最大化，是地浸采铀矿山生产亟待解决的问题。以内蒙古钱家店钱Ⅳ块地浸铀矿床为例，探索定向井施工工艺和成井技术在地浸铀矿山的可行性。

1 矿床特点及生产现状

1.1 矿床特点

内蒙古钱家店铀矿床的地层由基底和盖层组成，基底岩性主要为变质岩和花岗岩或闪长岩；盖层由中新生代沉积的砾岩、砂岩和泥岩等组成。盖层自下而上包括白垩系、古近系、新近系、第四系(图1)，其中：白垩系的上白垩统是盖层沉积的主体，也是矿体富集的主要层位，岩性为泥岩和砂岩互层，厚度约150 m；古近系岩性以泥岩、页岩、泥质粉砂岩为主，自下向上成岩性差，含钙质结核，夹煤层，厚度约120 m，不整合于白垩系之上；新近系岩性主要为松散砂砾岩、薄层砂岩，成岩性差，厚度约100 m，与下伏地层不整合接触；第四系为一套风积、冲积、洪积而成的松散堆积，厚度小于140 m，地面地形平坦，地表为植被、草场。

1.2 生产现状

钱家店钱Ⅳ块铀矿床矿体埋深400～420 m，地层具备稳定的“泥-砂-泥”结构特征，顶、底板以泥岩为主，厚度大且稳定，含矿含水层岩性主要由红色、灰色细砂岩及少量的中粗、粗砂岩构成，多泥岩、粉砂岩夹层，结构疏松，以泥质胶结为主，固结程度低，富水性好，渗透性弱。生产钻孔采用“七点型”井型布置，井距为30 m，井场主要占用耕地(面积占比62%)、草地(面积占比27%)和林地(面积占比11%)，因部分土地征用困难、林带行间距较小等限制，地表不具备垂直型钻孔施工条件(图2)。

1—第四系；2—嫩江组；3—姚家组1～6段；4—青山口组；5—还原砂体；6—红色氧化砂体；7—黄色氧化砂体；8—泥岩；9—地层界线；10—地层角度不整合界线；11—地层平行不整合界线；12—工业铀矿体；13—钻孔及编号。图1 钱家店地区姚家组岩石地球化学环境剖面示意图

图2 “七点型”钻孔布置和垂直型钻孔示意图

2 定向井井身设计

根据钱家店钱Ⅳ块铀矿床地层特征，结合石油行业定向井施工经验，定向井造斜点设计深度为150～200 m。钻井井身剖面采用“垂直段+造斜段+稳斜段”的形式，即地表松散地层采取垂直钻进，进入稳定地层后进行定向造斜，井斜角达到设计角度时进行稳斜钻进。

本次设计施工定向井2个，设计钻孔垂直深度420 m，以5551周边为开孔位置，定向钻进至5449和5450孔位，水平偏移距离分别为51.30 m和30.99 m。定向井施工孔位布置、定向井井身结构如图3～4所示。

图3 定向井施工孔位布置示意图

图4 定向井井身结构示意图

3 定向井施工

3.1 主要施工设备及检测仪表

定向井施工主要设备设施见表1。

表1 定向井施工主要设备设施

3.2 施工工艺

根据钱家店钱Ⅳ块铀矿床地层特点，参照扩孔式可更换防砂钻孔结构[2]，本次定向钻井施工工艺包括垂直段裸孔钻进、造斜控制、稳斜控制、综合测井、套管安装、固井、裸孔洗井、过滤器安装、质量检测工序。

采用φ215.9 mm钻头钻进至目标层，钻进过程中控制钻压、转速、泵量，垂直段钻井液黏度25～30 Pa·s，造斜段和稳斜段钻井液黏度>35 Pa·s。裸孔综合测井结束后，采用φ148×10 mm的UPVC管完井，逆向注浆固井，最后安装φ108 mm可更换过滤器。

3.2.1 垂直段裸孔钻进

采用垂直地层钻进施工，主要目的是揭穿第四系松散地层，钻具组合为φ89 mm钻杆+φ215.9 mm牙轮钻头，采用膨润土钻井液。膨润土钻井液配比采用1 m3清水搅拌80～150 kg优质膨润土；钻井液黏度为25.42 Pa·s，密度为1.19 g/cm3。

3.2.2 造斜控制

高压的羧甲基纤维素钠钻井液[3]经钻具进入螺杆马达后，液体压力迫使转子旋转，将钻井液的水力能转化为机械能，通过传动轴把扭矩传递到钻头上，在马达下部安装固定角度的短接，从而达到造斜的目的，钻具组合为φ89 mm钻杆+无磁钻铤+螺杆钻具+φ215.9 mm牙轮钻头[4-5]。羧甲基纤维素钠钻井液配比采用1 m3清水搅拌优质膨润土80～150 kg、火碱3～5 kg、羧甲基纤维素钠(Na-CMC)3 kg，钻井液黏度为40.29 Pa·s，密度为1.04 g/cm3。

3.2.3 稳斜控制

钱家店钱Ⅳ块铀矿床的磁偏角为-7.35°，磁倾角为56.50°。稳斜钻进前，对随钻测量设备磁偏角和磁倾角进行校正。钻进过程中，由于大地磁场的影响，井斜方位误差较大；本次采用“随钻测量[6]+无磁钻铤”，消除大地磁场的影响，保证定向方位精准。施工中将无线脉冲发射装置安装在无磁钻铤内，地表设置司钻仪表，采用无线泥浆脉冲随钻测量方式，在泥浆的作用下产生正弦压力波；通过调制系统使这种正弦压力波在时间上出现角位移，在地面连续检测角位移的变化，实时调整造斜方位。

3.2.4 综合测井

综合测井主要包括定量γ测井、井斜测井、井径测井、电阻率测井、自然电位测井，其中利用定量γ测井，检测岩层的放射性强度，确定铀矿层深度及厚度；利用井斜测井，检测倾角和方位角变化情况，反映钻孔的弯曲程度；利用井径测井，获得钻孔直径沿深度变化情况；利用电阻率测井和自然电位测井，确定地下岩层岩性，划分渗透性和非渗透性地层。

3.2.5 套管安装

套管安装前，稀释孔内泥浆，以能够顺利安装套管为原则，并且避免垮孔。套管选用UPVC深井管材质，套管规格为φ148×10 mm，单根长为8 m。套管采用管箍丝扣连接，管箍采用φ166×18 mm的UPVC深井管材质，连接丝扣处采用生料带密封，并均匀涂抹704胶。套管安装至过滤器位置上端1 m处，套管末端预留“马蹄口”形状的注浆口(“马蹄口”斜口长度大于10 cm)，用于封孔阶段逆向注浆。

3.2.6 固井

采用预留孔逆向注浆法固井[7-8]，固定套管并防止因套管渗流导致地下水串层。固井液采用普通硅酸盐水泥425#配制而成，水灰比1∶1，固井液密度为1.5 g/cm3。由套管内下放φ40 mm注浆管至预留注浆孔上端1 m处，将地表套管管口封闭，并在注浆管上安装阀门、压力表和排气阀。开始注入固井液，利用裸孔扩大系数计算固井液用量，固井液由预留注浆孔注入至套管外壁与裸孔之间的环形空间。待孔口返出固井液后，向注浆管内加注与注浆管相同体积的清水，然后关闭注浆管上的阀门。随着固井液固化，注浆管上压力表的示数缓慢降低，当压力表读数为零时，提出注浆管，完成注浆固井工艺。

3.2.7 裸孔洗井

固井液完全固化后，采用压缩空气洗井方法[9-10]，清除套管内壁残留的钻井液。空压机压力为5.0 MPa(根据钻孔深度和地下水静水位确定空压机压力，地下水静水位每向上提升100 m，需要压力约为1.0 MPa)，每组由3台空压机串联运行，每台空压机风量为1.7 m3/min。

裸孔洗井采用逐段清洗方式，风管采用加厚PE管，规格为φ40×8 mm，风管每段下放深度为100 m；风管下放至矿层上部50 m处后，采用三角堰测量洗井水量，在连续出水30、45、60 min条件下分别测量3次堰高，计算每次测量水量，以多次测量水量的平均值作为最终出水水量。裸孔洗井要求出水中含砂量小于100 mg/L。

3.2.8 过滤器安装

裸孔洗井完成后，确定钻孔深度并配置可更换过滤器。可更换过滤器采用填砾过滤器，单根长度为1.5 m，过滤器规格为φ(108±1)mm；内部衬管为碳钢材质，规格为φ75×6 mm，衬管上打8排直径10 mm圆孔，每排42个孔；填砾层为0.5～1 mm的陶粒，填砾层厚度为(19±1)mm。过滤器上端连接提升装置，用于提放过滤器，提升装置采用φ89×4.5 mm碳钢管加工，长度为5 m，碳钢管上端加工L型卡口，自L型卡口向下，每间隔1 m设置膨胀橡胶固定卡(固定卡数量不少于3个，膨胀橡胶静水膨胀率≥250%)，利用膨胀橡胶遇水膨胀的性质，固定过滤器，并阻止矿层水直接进入套管。过滤器下端连接沉砂管，主要用于沉降砂体。

3.2.9 质量检测

利用随钻测量设备检测井斜[11]、水平偏移距离和靶心距；利用电流测井检测钻孔中过滤器的安装位置、套管的安装质量及完好程度；利用超声阻尼测井检测固井液充填及固结情况。

4 成井质量检测结果

4.1 水平偏移距离和靶心距

定向井井身检测结果如图5所示，定向井设计与实测数据对比见表2。可以看出，2个定向井的实测水平偏移距离和靶心距均达到了设计要求。

图5 定向井井身立体图

表2 定向井设计与实测数据对比

4.2 井管完整性

根据电流测井曲线，分析井管完整性，判断井管状态。非过滤器段的电流测井曲线平滑，无波动，无电流异常出现，表明井管完整性良好；电流测井曲线出现单个点的异常波动，电流异常峰值与对应正常电流值的比值介于1～2，表明该处井管发生渗漏；电流异常峰值与对应正常电流值的比值大于2，表明该处井管出现较大程度的破损。

2个定向井的电流测井曲线如图6所示。通过电流测井解释，5449定向井的井管完整性良好，5450定向井在200 m处的异常电流值与正常电流值的比值介于1～2，存在轻微渗流。

图6 定向井电流测井曲线

4.3 固井质量

采用超声阻尼测井检测固井质量。当胶结物的密度超过1.4 g/cm3，并且胶结良好时，阻尼值在70%以上。胶结物的密度越高，说明胶结越好，此时的阻尼值越大。

2个定向井的超声阻尼测井曲线如图7所示。可以看出，2个定向井的超声阻尼值均达到了80%以上，固井质量良好。

图7 定向井超声阻尼测井曲线

4.4 钻孔出水量

为保证钻孔出水量真实可靠，测量钻孔出水量之前，需要停止洗井3 h以上，使地下水水位在自然条件下恢复到本底值。钻孔出水量测量结果见表3，5449定向井、5450定向井的出水量分别为21.02、21.12 m3/h。取样检测表明，出水中的含砂量符合要求。

表3 定向井出水量测量结果

5 矿体资源变化情况

本次定向井施工结合“七点型”井型布置，在已施工钻孔的基础上，向矿体外开拓，共施工定向钻井2个，均为工业钻孔，定向钻井见矿情况见表4。可浸采矿体[12]平均厚度为7.90 m，平均品位为0.594‰，平均平米铀量为10.00 kg/m2，增加矿体面积约1 560 m2。

表4 定向钻井见矿情况

6 结论

定向井施工和测量结果表明，膨润土和羧甲基纤维素钠(Na-CMC)钻井液能够满足护壁和携砂要求，随钻测量设备能够精准控制施工井斜方位，井管的材质和规格达到了定向钻井成井要求，固井材料及配比达到了固定井管和防止地下水直接进入井管的效果，压缩空气洗井的水质、水量均达到了垂直型钻孔标准。

研究结果验证了定向钻井技术在地浸采铀的可行性，定向井工艺提高了地浸采铀生产钻孔地形地貌的适用性，解决了铀资源难利用的问题，具有广阔的应用前景。