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绿色钻探有“法宝”
——中国地质调查局成都探矿工艺所攻克若尔盖铀矿钻探难题纪实
http://www.chinamining.com.cn 2016年06月24日 作者:本报记者 王琼杰 编辑:

  为攻克若尔盖铀矿田恶劣地理条件和复杂地层条件的钻探技术难题,中国地质调查局成都工艺所组织实施了“高原生态环境脆弱区综合钻探技术应用示范”项目。
  在四川省核工业地质局的共同参与和大力协助下,2013年~2015年,项目组攻坚克难,集成创新多项钻探技术成果,建立了高原生态绿色钻探技术体系并取得了阶段性成果,钻孔质量合格率100%、优质率高达70%,平均台月效率和机械钻速分别提高76%和44%以上。这组闪亮的数据,即便是在很容易进行钻探施工的平原地区也很难实现,但该项目硬是在山高坡陡、地层异常复杂的高海拔地区——四川省若尔盖铀矿田奇迹般地创造出了这样的钻探纪录。
  艺高人胆大  勇向虎山行
  四川省若尔盖碳硅泥岩型铀矿田位于川西北高原的生态环境脆弱区,是我国四大基本类型铀矿之一。矿区地处高原藏区,海拔高度3500米~4000米,山高坡陡、空气稀薄。由于生态环境保护的要求和对修路的限制,项目面临着设备搬迁的困难,再加上气候环境恶劣,施工周期十分短暂。
  “在这样陡峭的高海拔地区,平时走路都得喘大气,更不用说开展勘探工作,还有大型钻探设备的搬迁了。”长期从事科学钻探和深孔复杂地层钻探技术研究与开发工作、2015年获得中国地质调查局第二届“杰出青年”称号的“高原生态环境脆弱区综合钻探技术应用示范”项目负责人吴金生说。
  而更令地质工作者头疼和棘手的是该矿田极端复杂的地质构造。相关地质资料显示,位于西秦岭褶皱带南亚带的若尔盖铀矿田,区内断裂构造十分发育,受到无数条构造断裂带控制;区内地层条件也异常复杂,为灰岩、硅灰岩、炭质板岩及断层破碎带交互进行,换层频繁,漏失与垮塌并存;区内还发育高陡构造,岩层倾角70°~80°,局部接近垂直;区内地层软硬不均,各向异性,易孔斜。
  “若尔盖铀矿田钻探技术难题多,一直被我国地质钻探工程界称为‘五毒俱全’地区。”吴金生介绍,钻探施工中能遇见的所有复杂难题,都在若尔盖铀矿田存在,主要表现在以下几个方面:孔壁坍塌、超径严重;严重漏失;钻孔极度偏斜;取心率低;综合钻进效率低,成本高、质量差。
  不能不说的是,若尔盖铀矿田还地处川西藏族聚集区,生态脆弱,环境特殊,若在此开展钻探工作,植被一旦被破坏后,自然恢复的速度极低,其结果会恶化生态环境,成为藏区不稳定不和谐的因素之一。因此,如何实施绿色勘查,减少对生态环境的扰动,也至关重要。
  没有金刚钻,难揽瓷器活。毋庸置疑,在这样的区域内开展地质勘探工作,难度可想而知。所以,若尔盖铀矿田在历史上虽经历了两轮地质勘查,但均以钻孔偏斜、取心质量不好和钻探施工效率低等原因,没有取得令人满意的结果,一般的地勘单位更是把它视为地质工作的“禁区”,不敢再轻易进入。
  然而,若尔盖铀矿成矿条件特别优越,蕴藏丰富的铀资源,而且,深部成矿作用明显,矿量集中,品位较富,是我国西部最大的具备良好经济性的硬岩型铀矿田,也是目前我国硬岩型保有储量最大的铀资源大基地,并已纳入国家整装勘查区范围。
  “铀矿作为国家战略资源,直接关系着国家的能源安全。而我国的铀矿资源明显不足,需要大量进口,加快若尔盖铀矿的勘探开发就显得更加重要和紧迫。”具有战略眼光的成都工艺所所长胡时友态度十分坚决地说。四川省核工业局局长任胜也高度重视,经双方充分协商,并在工作中发挥各自优势进行顶层设计,决心要在若尔盖铀矿勘查中实现新突破。
  明知山有虎,偏向虎山行。成都工艺所和四川省核工业局多次召开技术研讨会,经过周密部署和精心安排,各自抽选精兵强将成立了联合项目部。成都工艺所任命长期从事探矿工程科学研究、曾任汶川地震断裂带科学钻探现场负责人的地质工程博士吴金生为项目负责,四川省核工业局在施工设备机具、后勤保障及人员安排上给予强有力的配合。大家目的只有一个:不干则已,干就必须干好,干出个示范来!一场挺进高原、攻难克艰、智慧“降虎”的攻坚战由此拉开了帷幕。
  钻探多险阻  科研来领路
  知易行难,有备无患。成都工艺所虽然在钻探技术、装备和工艺等方面在国内是一流,具有其他地勘单位无可比拟的优势,但在若尔盖这个其他地勘单位“屡战屡败”的特殊高原地区开展地质勘查工作也尚属首次,必须发挥科研优势,利用国内先进钻探技术成果,科学部署,精心施工。
  而让成都工艺所和四川省核工业局联合来啃若尔盖铀矿这个“硬骨头”,其目标还远不止于要在该地区成功完成勘查工作,而是要以此来形成一套适合若尔盖铀矿田复杂地层的绿色综合钻探技术体系。
  从中国地调局下达给成都工艺所的“高原生态环境脆弱区综合钻探技术应用示范”项目的目标任务中,也不难看出实施该项目的重大意义所在:依托若尔盖铀矿整装勘查区,开展高原生态脆弱地区综合钻探应用示范,充分利用国内先进的钻探技术成果,进行集成创新,开展维护钻孔施工安全、保证钻探质量、提高钻探效率的综合性钻探技术研究,解决矿区钻探施工中遇到的关键问题,研究制订一套优质、轻便、高效和低成本的综合钻探技术方法,形成一套适合于恶劣地理和地形条件以及复杂地层条件的钻探技术体系,最大限度地减少对高原生态环境脆弱区的扰动。预期目标是,显著提高该矿区的钻探施工效率,降低钻探施工成本,改善钻探施工质量,平均机械钻速提高30%,平均台月效率提高40%,钻孔质量合格率达90%、优质孔率达70%。
  “若尔盖铀矿田是漏失、垮塌及孔斜并存,解决复杂条件下的钻探施工难题是一项系统工程。我们开展此项工作的总技术思路是集成创新多项先进的钻探技术,进行综合治理,主要从改善孔内安全、提高钻进效率、改善施工质量、减少钻机搬迁以及提高搬迁效率等五大方面进行综合性钻探技术研究,解决矿区钻探施工中遇到的关键问题。”吴金生介绍说,项目根据研究内容设置了七个专题,分别开展强水敏地层的泥浆护壁技术,复杂地层的取心钻进技术,复杂地层的套管取心技术,漏失层钻进与快速堵漏技术,防斜、纠斜和多分支孔定向钻进技术,铝合金钻杆/液动锤提钻取心技术,液动锤绳索取心技术等方面的研究。
  思路清则方向明,方向明则措施准。在钻探施工中,他们博采众长,采用国内最成熟、可靠和先进技术,依靠国内钻探界的力量来解决技术难题,并针对关键性问题进行技术研发。
  小直径随钻定向/分支孔技术是成都工艺所在若尔盖铀矿田成功钻探的最大亮点和“利器”。“定向钻进技术在石油钻井中是一项成熟先进技术,但我国西部地区地层异常复杂,定向技术在地质找矿中应用较少,可借鉴的经验不多,特别是若尔盖铀矿田存在诸多定向技术难题,需要开展针对性的研究。”吴金生介绍说,针对若尔盖铀矿田钻孔直径小(φ96mm)、受控定向制精度高等要求,项目优选螺杆马达/有缆随钻测斜(MWD)技术进行定向钻进的技术路线,并成功进行定向钻进/分支孔/纠斜/侧钻绕障等,都获得了高质量的定向效果。
  由于高陡构造地层与普通地层相比,定向钻进时顶角上升较快,所以钻探人员在定向钻进时,需要通过不断对称变化高边工具面角,降低造斜强度。
  “根据该地区地层自然造斜规律,一般情况下顶角会上漂,定向轨迹控制时顶角预留2°左右,一方面可以减少定向段长度,节约定向钻进成本;另一方面利用地层自然造斜规律增斜,轨迹更加光滑,利于后续取心钻进。”吴金生说。
  针对若尔盖铀矿的软硬不均、各向异性显著、裂隙发育地层以及漏失等难题,项目组从优选螺杆马达与定向钻头、严格控制钻进速度和高边工具面角、顶漏定向钻进等方面采取了相应的控制措施。
  “定向钻进时,采用较大弯度螺杆、平底钻头、对称变化以及精准控制工具面等措施,轨迹控制均取得良好效果。”吴金生进一步举例说:“ZK3-5分支孔第一次定向分支时采用0.75°螺杆马达开始定向,顶角变化异常;后更换1°螺杆钻具,强增方位,可是方位变化不大,顶角上升更快。第二次定向钻进时,我们采用1.25°较大弯度螺杆马达,钻头换成平底复合片钻头,从孔深360米开始定向钻进,严格控制高边工具面角度,确保定向方位精度,定向钻进结束后,完全符合设计要求。”
  “定向钻探的目的是控制钻孔空间位置,按地质设计要求揭穿设计靶区,这对找矿效果和提高储量级别都特别重要。ZK3-5孔是在ZK3-1孔中进行分支孔施工,目的是揭穿下部更深的铀矿层,这对扩大铀矿储量,增大矿区覆盖范围具有重要意义。”胡时友表示,若尔盖地质钻探受控定向钻进技术取得重大突破,具有经济性和实用性,为国家战略资源——铀矿找矿突破提供了重要技术支撑,也在西部高原地区起到了示范与推广作用。
  创新亮点多  勘查树示范
  “通过3年来的野外试验与研究,我们在若尔盖铀矿田的勘探工作取得了阶段性成果,主要创新点有三个方面:一是形成了一套适合若尔盖铀矿田恶劣地理条件和复杂地层条件下的钻探技术体系,为若尔盖铀矿能源资源安全保障提供了技术支撑;二是首次在国内地质勘探极端复杂地层成功应用了套管取心钻进技术,并创造国内地质钻探连续套管钻进270米的纪录;三是研发新型复合凝胶堵漏材料(FHD-1)与多种先进快速堵漏工艺,堵漏一次性成功率达93%以上,成功实现了低密度泥浆漏失层钻进。”谈起若尔盖铀矿田勘探取得创新成果时,胡时友如数家珍。
  实际上,成都工艺所在若尔盖铀矿田的钻进勘探中取得的创新成果远不止这些。据了解,若尔盖铀矿田共完成定向钻进孔3个、分支孔2个、纠斜钻进孔2个、侧钻绕障3次。该项目在地质钻探小直径受控定向技术取得重大突破,获得高质量定向效果,成功实现“一基多孔、一孔多支”的绿色高效定向施工,减少了大型钻探设备搬迁,保护了生态环境,提高了钻探效率,在西部高原地区真正起到了示范与推广作用。
  而套管护壁取心钻进技术在若尔盖铀矿极端复杂地层试验成功,则创造出了国内地质勘探极端复杂地层条件下长孔段套管取心钻进的纪录,为地质勘探顺利穿越复杂地层提供了实用、有效的钻进方法,成为克服地质矿产勘查复杂地层钻进难题的“法宝”。据了解,若尔盖铀矿田共完成套管取心钻进3个孔,共计取心进尺580.08米,最大提钻间隔126.06米,平均机械钻速1.1米/小时。
  此外,项目还大胆引进石油钻井液先进技术,探索出适合若尔盖铀矿强水敏地层的“钾石灰-聚磺泥浆”体系。该体系具有抑制、防塌、封堵、润滑及抗污染性能,通过在若尔盖13个钻孔中进行了试验,试验进尺7054.44米,发现效果良好,孔壁稳定与钻进效率均大幅提高。
  “我们采用‘加重钻杆+稳定器’钻具组合在高陡构造地层中防斜也取得了良好效果,成功在3个钻孔中进行防斜试验,钻孔轨迹基本为一直线。”吴金生说,项目还完成了复杂破碎地层取心钻具的研制,分别研制出φ96K开式单动双管取心钻具和φ76mm钢球单动双管取心钻具。针对燧石含量较高的硅灰岩,取心钻头寿命短,项目还进行了岩石可钻性分析,研制出多种规格与类型的金刚石钻头进行现场试验,钻头寿命由原来25米提高到35.96米,提高43.8%。
  “在上述成果基础上,我们集成创新,优化组合,成功探索出了一套小直径有缆随钻/螺杆马达定向钻进、套管取心钻进、钾石灰-聚磺泥浆、复合凝胶(FHD)快速堵漏等绿色高效的钻探技术组合。”吴金生介绍说,组合技术就是:上部覆盖层等采用套管钻进技术,防止孔壁坍塌;中部采用定向钻进/分支孔技术,减少搬迁,保护生态;下部地层为矿层,采用普通金刚石取心钻进,同时配套强水敏泥浆体系、快速堵漏与漏失层钻进技术、高陡构造防斜技术、复杂地层取心等技术进行综合治理。这一套高原生态钻探技术体系在若尔盖铀矿田进行了成功应用,平均台月效率提高76.6%,平均机械钻速提高44%,钻孔合格率达100%,为若尔盖铀矿资源能源安全保障提供了技术支撑。
  事实上,高原生态绿色钻探技术体系的形成,不仅为若尔盖铀矿能源资源勘探开发提供技术保障,也对西部高原生态脆弱区和深孔复杂地层钻探具有示范与推广作用,应用前景十分广阔。据了解,成都工艺所已先后在页岩气调查井(万地1井、巫地1井、雒容1井)、煤层气勘探井(石地1井)、阳山金矿、山东招金集团等地开展了定向钻进、漏失层钻进及快速堵漏、复杂地层泥浆体系、硬岩快速钻进、事故预防与处理等项目或提供技术服务,并取得了很好的社会效果。
  “2015年国家核电项目重启之后,按照国家中长期规划,‘十三五’期间,我国每年将新建6至8座核电站。而铀矿资源是‘核电的粮食’,国家为加快核电发展,势必要增强铀矿资源的保障能力,因此,在若尔盖铀矿的勘探开发中创造亮点、提供模板具有深远意义。”胡时友强调,成都工艺所一定将按照中国地质调查局党组的部署,加快创新成果的凝练提升与转化应用,进一步完善若尔盖铀矿田恶劣环境和复杂地层条件下的钻探技术体系,为国家能源安全、绿色勘查作出新贡献。□


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