對改進地浸工藝鉆孔施工的思考

楊 俊

（湖南中核勘探有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410016）

地浸采鈾是世界上十分先進的采礦技術(shù)，其基本原理是一種在天然埋藏條件下，對可地浸砂巖型鈾礦按一定網(wǎng)度布置工藝鉆孔，溶浸液通過鉆孔注入礦層，與礦物的化學(xué)反應(yīng)選擇性地溶解礦石中的鈾，經(jīng)抽液提出，在地表工廠進行萃取鈾的過程。該技術(shù)不使礦石產(chǎn)生位移，集采、冶于一體的新型鈾礦開采方法。自20 世紀80 年代我國開始地浸實驗成功并投入開采，二十多年的實踐形成了目前的鉆孔工藝流程：正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機配三牙輪鉆頭鉆進、泥漿護壁成孔，安放環(huán)形骨架過濾器和絲扣型UPVC 塑料井管，采鈾礦層泵送法填礫，正向注漿(管外環(huán)狀空間插注漿管注水泥漿)固井，活塞洗井后用空壓機直吹法洗井[1]。該成孔工藝流程簡單直接、可操作性強、技術(shù)成熟、設(shè)備易維護，施工隊伍積累了多年的經(jīng)驗，施工成本較低，對于中淺孔，是一套較為普遍、易于推廣的有效成井方法。

隨著地浸開采深度的加大，400m～600m 深度的礦層將是今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)開采的主要對象，地浸工藝性鉆孔的重點也向中深孔轉(zhuǎn)移發(fā)展。通過近年開展的中深孔地浸試驗可凸顯出常規(guī)施工方法對中深孔的一些不適應(yīng)方面，除施工經(jīng)驗與管理方面外，尚有較多的技術(shù)工藝問題值得總結(jié)、試驗研究和改進，如鉆探設(shè)備的不匹配、運用中淺孔的傳統(tǒng)鉆進參數(shù)致使鉆孔效率較低，致使要求使用其他先進鉆進方法(如反循環(huán)鉆進、泡沫鉆進等)時有提及；正向注漿要求的較大孔徑及報廢孔率增加；填礫難度的加大及對其他工藝的限制等。在要求中深孔鉆孔成本的降低，成井合格率上升的前提下，使逆向注漿、射孔技術(shù)、減小孔徑、減小井管壁厚等系列先進技術(shù)與工藝的試驗與研究正在進行，也有盡快投入生產(chǎn)中的迫切；對水量與開采礦層滲透性的要求，也使得要求采用更高效的洗井設(shè)備與更有效的洗井方法[2]。

1 鉆探設(shè)備與鉆進方法

1.1 鉆探設(shè)備

目前中淺孔施工普遍使用的是1500 型、2000 型回轉(zhuǎn)鉆機，配置3NBB-390/15 型泥漿泵。該套鉆探設(shè)備組合在我國地質(zhì)鉆探普遍采用，設(shè)備技術(shù)非常成熟、性能穩(wěn)定可靠，運用也十分普遍，配件易得。由于要求提升能力、扭矩、排渣能力增大，中淺孔施工鉆機設(shè)備組合不適合深孔施工要求。從經(jīng)濟和質(zhì)量方面分析，必須配置大功率、大扭矩、2000 型以上的大口徑工程鉆機，同時配備高壓力、大泵量的泥漿泵（TBW-850/50、3NB350 型），才能滿足700m 以內(nèi)地浸工藝鉆孔施工的需求[3]。

鉆頭是鉆探生產(chǎn)過程的重要部分，對施工效率的提高起到重要的作用。牙輪鉆頭鉆進是動、靜載相結(jié)合的碎巖方式，因此，碎巖效率較高，目前廣泛應(yīng)用于鉆進硬巖層，是主要的破巖工具之一。牙輪鉆頭在井底的運動由三部分組成：牙輪繞鉆頭軸線的“公轉(zhuǎn)”；牙輪繞自己軸線的反時針“自轉(zhuǎn)”；鉆頭在旋轉(zhuǎn)的同時，由于單齒與雙齒交替接觸井底的結(jié)果，還做上下往復(fù)運動（振動）。所以，實際牙輪鉆頭在井底工作時，是上述幾種運動的復(fù)合，依靠復(fù)合運動所產(chǎn)生的沖擊壓碎和剪切作用來破碎巖石。

當(dāng)前，地浸工藝鉆孔施工時采用Φ311、Φ215、Φ151 等規(guī)格的合金牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進，把各種地層磨成巖粉后，利用泥漿把巖粉帶到地表，逐步加深鉆桿，達到設(shè)計孔深而成孔。

1.2 鉆進方法

1.2.1 反循環(huán)鉆進

反循環(huán)鉆進由于其排渣效果大大優(yōu)于正循鉆進，加上洗井液在孔壁環(huán)形空間流速慢，對孔壁損傷小、易護壁、少污染，特別適合松散地層（如砂礫層）大口徑水井的成井，其鉆進效率較高。但也正由于洗井液在孔壁環(huán)形空間流速慢的原因，使其對含泥質(zhì)的中軟巖層鉆進效率一般，加上其需要較大水量，孔內(nèi)不宜漏水，且需專門的反循環(huán)配套設(shè)備，其制約性對其在地浸工藝性鉆孔中采用是明顯的。

1.2.2 輕質(zhì)鉆井液

鉆井液質(zhì)量對機械轉(zhuǎn)速的影響：

1.密度：井液密度大小決定著液柱對巖層的壓力。壓力越大，巖層被壓得越緊，鉆頭破碎巖層就越困難，因此在保證孔底安全的條件下，應(yīng)盡量減少鉆井液密度。

2.鉆井液固相含量：實踐證明，使用低固相、低密度的鉆進泥漿，可取得較高鉆進效率。因為固相含量小，可增強鉆井液清洗孔底能力，加大鉆頭牙輪對孔底的沖擊力，同時可改善鉆頭軸承的工作條件，使其磨損減少。因此，低固相泥漿更能滿足需求。

3.鉆井液粘度和切力：鉆井液粘度和切力增加，必然升高泵壓，對井底的沖洗能力越差，巖屑粘附在井壁和鉆頭的可能性越大，嚴重時可能造成泥包。

4.輕質(zhì)鉆井液使用：使用輕質(zhì)鉆井液能提高鉆機轉(zhuǎn)數(shù)、增大鉆頭對孔底沖擊力、延長機具設(shè)備的使用，對鉆進效率有提高，但大量使用也會使成本上升，且用何種配伍的輕質(zhì)鉆井液也要經(jīng)試驗方可確定，加上運輸、存放至使用等方面的制約也影響到輕質(zhì)鉆井液在地浸孔中的大規(guī)模使用。

5.鉆井液的排量：大排量泥漿泵在中深孔中得到廣泛應(yīng)用。隨鉆井液排量增大，機械轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增大，鉆頭總進尺也相應(yīng)提高，當(dāng)排量增加到一定程度時，機械轉(zhuǎn)速變化就不大了。一般要求鉆井液上返速度在1m/s 以上，最小不能小于0.5m/s。原因在于巖屑需要及時帶離孔底，避免井下復(fù)雜情況發(fā)生。

1.3 換漿、破壁

1.3.1 換漿

使用優(yōu)質(zhì)稀泥漿的注入，置換孔內(nèi)含巖屑的濃泥漿，返漿粘度上限要求為18Pa·s。

1.3.2 破壁

由于鉆進過程中井壁泥皮導(dǎo)致出水量降低。為此，在鉆完井換漿后必須把井壁泥皮清除掉，以保證成井后的有效出水量。

破壁器自行加工，在粗徑鉆具上加焊肋骨片，其直徑略小于孔徑（以與鉆頭直徑相同為宜）。下入礦層位置，開車回轉(zhuǎn)鉆具，一邊送水一邊反復(fù)上下提拉，將井壁泥皮清除掉。

破壁宜在下管前進行，破壁后立即下管。

1.4 套管連接

目前采用絲扣連接。由于塑料套管車絲扣時，絲扣處車絲后厚度變薄，強度顯著降低，若遇孔內(nèi)壓力增大，絲扣連接處井內(nèi)最易斷裂。因此中深孔應(yīng)采用膠結(jié)，目前膠結(jié)工藝成熟，只需選擇合適的膠粘劑即可。

1.5 注水泥漿固井

1.5.1 前置隔離液

通常下注漿管后，再進行水泥漿注入。由于水泥漿與鉆井液的化學(xué)成分不同，且鉆井液含地層巖屑后，多含鹽類，交迭面二者要混合，一方面二者混合后可使水泥漿增稠，鉆井液內(nèi)鹽份也能使水泥漿較早初凝，導(dǎo)致環(huán)空流動摩阻增大，注漿壓力顯著增高，嚴重時套管破裂造成井漏。另一方面，鉆井液與水泥漿混合液可能很稠，不易被水泥漿頂替，或者水泥漿可加速鉆井液內(nèi)泥質(zhì)沉淀形成泥包，這些混合物可能竄槽，而影響水泥漿體質(zhì)量。為了解決此問題，石油部門的做法是：在注水泥漿前面通常注入一段隔離液。隔離液的應(yīng)用有助于順利注漿。另外，高濃度水泥漿應(yīng)用于初次注入，原因在于水泥漿、隔離液、鉆井液的密度增大所產(chǎn)生的浮力作用。

1.5.2 注漿時間

水泥漿液規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的終凝時間是在12 小時內(nèi)，超過該時間即認為水泥不合格。而實際水泥漿液初凝在1-2 小時內(nèi)，終凝在3-5 小時內(nèi)，目前中深孔注漿有的多達十幾個小時，超過水泥終凝時間。雖然水泥漿液在擾動情況下終凝速度會變慢，但漿液中逐步增多的固化微粒會顯著降低漿液的流塑性，而引起注漿壓力驟增，注漿、撥管困難，甚至引起井漏。因此，應(yīng)縮短注漿時間，改善水泥流塑性（如添加減水緩凝劑）。

1.5.3 正向與逆向注漿

逆向注漿的優(yōu)點是：工藝直接，適用于小環(huán)狀空間，不存在卡管問題。缺點是：注漿一次性，注漿時間不宜過長，整個注漿過程水泥漿液的流塑性應(yīng)較好，注漿管與井管要密封良好、漿液不能竄入上層井管內(nèi)，成井不能采用填礫方法或應(yīng)進行后填礫。正向注漿的優(yōu)點是：注漿管可根據(jù)情況上拔，對注漿時阻力大和對注漿時間稍長的中深孔有優(yōu)越性。缺點是：要求孔徑較大；注漿管從外環(huán)狀空間插入拔出可能較困難，有時無法插入與撥出；影響采用薄壁管與縮小孔徑工藝；同時注意注漿管插入與拔出對井壁破壞。

1.6 洗井

目前洗井方式有兩種：先活塞洗井與空壓機洗井，舊井有的建議脈沖式洗井。

1.6.1 活塞洗井

活塞洗井是通過鉆機卷揚機的向上活動，形成負壓，向下活動時活塞門開啟，將泥水帶出，是水井施工中一種常用的洗井形式。

活塞膠皮外徑一般與井管內(nèi)徑一致或稍小，形成負壓小，洗井時間長，對孔壁泥皮的沖洗作用不強。由于連續(xù)的上下活動，極易在套管絲口處發(fā)生碰撞，極易損壞套管，若膠皮外徑略大于井管內(nèi)徑，用力地上下拉撥也易損壞套管，特別是對中深孔更是如此，是一個較為有質(zhì)量隱患的工藝。中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《供水水文地質(zhì)鉆探與管井施工操作規(guī)程》（CJJ/T13-2013）第7.3.6 條中明文指出：“用塑料管、石棉水泥管、礫石水泥管、鋼筋骨架管作井管時，不宜使用活塞洗井[4]?！?/p>

1.6.2 脈沖式洗井

脈沖式洗井是一種效果較好的洗井方式，但由于高壓的聚升聚降，第一次壓力未完全釋放，第二次高壓迭加，由于井管承受的最大壓力為1.5Mpa，遠小于脈沖的5Mpa。若含水層未被阻塞，脈沖壓力能很好釋放，則可達到較好洗井效果；若含水層有阻塞，脈沖壓力未及時釋放而迭加時，井管可能因承受不起高壓而破裂。脈沖法洗井對于地浸孔使用應(yīng)多加注意。

1.6.3 空壓機直吹法洗井

直接壓氣洗井法是當(dāng)前常用的洗井方法。該方法運用多年，操作簡單，對中深孔只要提高空壓機壓力也能達到較好的洗井效果。缺點是井管作為了出水管，無法量測靜止水位，也無法測到從動水位到靜止水位的水動力下降過程；由于沒有氣水混合器，開始洗井有反壓過程；由于風(fēng)管與出水井管內(nèi)徑相差較大，洗井效率稍低，洗井時間稍長；不能分層接力抽水。建議開展反循環(huán)洗井方法的據(jù)實應(yīng)用。

1.7 射孔技術(shù)

射孔技術(shù)自1932 年在美國石油開采時開始使用，技術(shù)已成熟，運用已十分普遍。射彈孔的應(yīng)用工藝在國外或國內(nèi)石油開采行業(yè)有成熟經(jīng)驗[5]。

型號YD-73 射孔器和型號YD-89 射孔器廣泛應(yīng)用于油田的開發(fā)、勘探井中，取得了較好的資源開發(fā)成果。新疆某單位于2009 年開始了應(yīng)用射彈技術(shù)的試驗，2009 年采用YD-89 槍射孔，孔密16-20 孔/米，主要問題是井管破壞嚴重，影響下一步試驗或生產(chǎn)的進行；2010 年采用YD-73 槍射孔，孔密12 孔/米，同時改進了井管材料，其效果是井管完整性較好，卻出現(xiàn)了部分孔射彈后水量小，即可能未完全射穿，也影響下一步工作。由于試驗未完全成功，在國內(nèi)地浸采鈾方面尚未推廣使用。[6]

2 結(jié)論

中深地浸工藝鉆孔施工中正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進和泥漿護壁成井，應(yīng)注重設(shè)備配套能力，使其能更好地適合中深孔施工。施工時注重加強鉆進參數(shù)、鉆井液、鉆具鉆頭的研究、改進與經(jīng)驗總結(jié)，總結(jié)出一套行之有效的方法以適用中深孔更鉆進。

若設(shè)備配套，鉆進參數(shù)與工藝合理，水泥漿頂托隔離技術(shù)、射孔技術(shù)能成功運用，則使逆向注漿、縮小孔徑、減小井管壁厚、一孔多層開采成為可能，生產(chǎn)效益將明顯上升，中深孔地浸工藝鉆探將上一個新臺階。

目前，地浸采鈾工藝鉆孔施工工藝雖然較成熟，但仍有較大的提升空間。應(yīng)加強對工藝技術(shù)、經(jīng)驗的總結(jié)、研究，提高整體施工工藝，如提高機械化、數(shù)字化、可視化、智能化程度，將當(dāng)前鉆探施工參數(shù)及施工狀況直觀地反映出來，降低勞動強度，提高施工效率；如改善工藝、提高鉆進效率等方面，為天然鈾的可持續(xù)發(fā)展提供堅實的技術(shù)支撐。