地浸砂岩型铀矿松散岩层取心钻进技术研究

【摘要】： 20世纪90年代初，核工业地质局作出了将铀矿勘查的重点由中国南方转向北方、由硬岩型转向盆地地浸砂岩型的重大调整部署。目前，地浸砂岩型铀矿床已经成为我国铀资源勘查的主攻类型矿床。 我国地浸砂岩型铀矿床的勘查区域主要分布在北方的中新生代盆地中，钻探施工难度大，生产中出现的主要问题有：(1)岩矿心采取率低；(2)钻孔护堵困难，成孔率低；(3)孔内事故多；(4)钻进效率低，施工成本高；(5)卵砾岩层钻进困难。“松散岩层取心”与“卵砾石层钻进”是盆地地浸砂岩型铀矿钻探施工中的两大重要难题。 论文选题来源于核工业地质局“十五”铀矿地质科研课题《地浸砂岩型铀矿松散岩层取心钻进技术研究及其应用》，主要介绍作者近年来在“松散岩层取心技术研究”和“卵砾石层取心钻进技术研究”方面所进行的一些课题研究及取得的部分成果。论文全文共分四章：第一章绪论；第二章松散岩层取心技术研究；第三章卵砾石层取心钻进技术研究；第四章结论。论文第二章和第三章是全文的中心内容。 论文第二章综述了岩矿心采取率和采取质量的重要性，影响因素，以及要提高采取率和取心质量必须采取的一系列措施。探讨了冲洗液在岩矿心柱表形成的“泥皮”对岩矿心采取质量的影响，适当厚度(1～3mm)且具有一定结构强度的“泥皮”对岩矿心起着保护作用。通过对岩矿心在单动双管、双动双管与单管三种常用取心钻具钻头处和钻具内的受力状态分析，建立了相关的力学模型，得出了取心钻进时回次进尺长度与岩石的机械强度、钻具内管直径、冲洗液动压力、岩石与钻具内管内壁的摩擦系数、钻具的内外环间隙、冲洗液性能之间的影响关系。 地浸砂岩型铀矿钻探取心的目的层是含矿、含水的松散砂岩层，该岩层胶结程度差、松散、破碎，钻进过程中，岩心怕冲洗液水流冲蚀、怕震动、怕磨蚀。另外，松散砂岩层与泥岩换层频繁，岩层软硬不均，取心操作工艺不易掌握，在这类松散砂岩层中，钻探取心难度较大。论文第二章介绍了投球式单管取心钻具、投球式双动双管取心钻具、HD-216取心钻具、HD-216A取心钻具、射流式取心钻具、双阀式单动双管取心钻具、喷反式单动双管取心钻具七种钻具。重点介绍了投球式单管取心钻具、投球式双动双管取心钻具、HD-216取心钻具、HD-216A取心钻具的结构特点、操作工艺技术、钻进规程、适用地层以及在北方各大盆地的生产试验情况。 在松散岩层钻探取心时，如何将岩矿心从提升到地表的钻具中完好地取出也是一项值得注意的操作技术。论文第二章介绍了目前核地质系统地浸砂岩型铀矿钻探生产中广泛采用的泵压退心技术，详细介绍泵压退心的原理、退心装置的连接方法、操作规程和实际应用效果。 论文第二章简要介绍了目前核工业地浸砂岩型铀矿钻探常用的硬质合金钻头、金刚石复合片PDC钻头以及其所适应的地层。 在论文第二章中，提出了在松散岩层取心钻进应采用“双护”(护壁与护心)型冲洗液的观点，介绍了目前核地质系统常用的三种“双护”泥浆的配方，分析了“双护”泥浆中处理剂的作用机理及其护心功能。经过野外生产试验和推广应用，可以达到如下效果：(1)大幅提高松散砂岩层的岩矿心采取率，减少冲洗液对松散岩矿心的浸染，保持原状；(2)实现全孔无套管裸眼钻进，节省大量管材，降低成本，提高生产效率；(3)缩短钻孔终孔后测井前冲孔换浆的时间，使测井工作更为顺利，和使用普通高固相泥浆相比，缩短测井时间近40％。 核工业地浸砂岩型铀矿钻探施工中经常会钻遇到卵砾石层，在卵砾石层钻进，钻头消耗快、成本高、效率低、设备机械故障多、孔内事故频繁、钻孔质量差。卵石层钻进研磨材料的成本消耗约占钻孔研磨材料总成本的80％左右，所消耗的时间是钻进相同厚度其它岩层的几倍甚至几十倍。随着地浸砂岩性型铀矿勘查工作的进一步深入，勘查地区的扩展，这一难题对钻探生产和地质找矿的影响越来越明显。 论文第三章介绍了作者在“卵砾石层取心钻进技术研究”方面所进行的课题研究。主要包括三方面的内容：(1)卵砾石层钻进用特殊硬质合金钻头的研究；(2)金刚石—硬质合金复合球齿钻头的研究与开发；(3)孕镶金刚石—针状合金复合式取心钻头的研究。 在论文第三章中，通过对卵砾石层回转钻进特点的分析，明确地提出了钻头在孔底回转钻进的三种工作状态：(a)切(磨)削、(b)排挤、(c)套取，其中大多情况下为挤压和套取状态。绘制出了“卵砾石层回转钻进钻头孔底工作状态示意图”，形象、直观地反映了卵砾石层回转钻进时钻头与钻具在孔底的工作状态。 通过对卵砾石回转钻进特点、岩石破碎机理、卵砾石层钻进钻头失效形式等方面的分析研究，提出了在卵砾石层钻进以“挤压套取为主、切(磨)削为辅”的思路。从而打破了过去在该地层钻进“拼消耗”的被动局面，也为以后开展相关科研、采取相关措施指明了方向。 论文第三章内容反映了作者近年来在核地质系统从事“卵砾石层取心钻进技术研究”的研究历程与研究路线：卵砾石取心钻进技术研究问题的提出——综合分析研究——提出在卵砾石层钻进以“挤压套取为主、切(磨)削为辅”的研究思路——抗冲击性能较好的硬质合金齿(如球形齿和勺形齿)钻头研究与试验——金刚石—硬质合金复合球齿钻头的研究与开发——孕镶金刚石—针状合金复合式取心钻头的研究。 在盆地地浸砂岩型铀矿钻探过程中，由于卵砾石硬度大、可钻性级别高、卵砾石砾径大小不等及形状不规则等特点，普通带刃角的硬质合金钻头、钢粒钻进、PDC复合片钻头和普通孕镶金刚石钻头均不适合卵砾石层取心钻进。 本文在综合考虑以往普通硬质合金钻头钻进卵砾岩石存在各种问题的基础上，从合金钻头结构设计、硬质合金型号选择、镶焊组合方式等方面着手，提高卵砾石层钻进用硬质合金钻头的机械钻速和钻头使用寿命。采取的具体技术措施主要有二个：一是选用抗冲击性能较好的球齿(Q型)硬质合金和勺形齿(S型)硬质合金作为钻头主切削具；二是适当增大钻头内径。野外生产试验表明，设计制作的混镶式合金钻头与普通八角合金钻头相比，钻头寿命提高了7倍以上，每米钻头成本降低了75％。 球齿和勺型齿硬质合金钻头在钻进砾径较小的卵砾石地层时效高、寿命长，但在砾径大或含漂石的卵砾石地层中，由于钻头合金齿的切(磨)削功能差，钻进时效低。在此基础上，作者开展了《金刚石—硬质合金复合球齿钻头的研究》课题。 研制的金刚石—硬质合金复合齿综合了金刚石和硬质合金的优点，具有高耐磨性、高硬度、高冲击韧性。其超硬复合部分在钻进硬度大、研磨性强的漂、卵石地层时能象孕镶金刚石钻头那样切削岩石。野外钻进试验效果表明，复合齿钻头和普通合金钻头相比：回次进尺提高1倍以上，小时效率提高1.5倍以上，平均寿命提高2.5倍以上，而每米进尺钻头成本降低了35％。 金刚石—硬质合金复合球齿钻头虽然解决了难度很大的大砾径卵砾石层和漂石地层的钻进技术难题，但由于技术上原因，如果要对复合球齿钻头进行规模化生产或大面积推广应用，还需要进行大量的研究工作。另外，从试验结果来看，复合球齿钻头的使用寿命较短。为了进一步攻克地浸砂岩型铀矿钻探生产中卵砾石层钻进的难题，作者向核工业地质局申报了《孕镶金刚石—针状合金复合式取心钻头研究》课题。 在钻进卵砾石地层时，钻头承受的冲击载荷大，孕镶金刚石—针状合金复合式取心钻头胎体中的针状合金可提高钻头的抗崩能力，并能为金刚石磨削岩石创造了较好的条件，使金刚石免受剧烈冲击载荷。一般情况下，在卵砾石层钻进，孕镶金刚石钻头胎体消耗速度非常快，针状合金的存在可起硬支作用，减慢金刚石的换层速度，在钻进中保持胎体与岩石的接触面不变，始终维持克取岩石的能力，保持较高的钻进效率，提高钻头的使用寿命。 孕镶金刚石—针状合金复合式取心钻头综合了孕镶金刚石钻头与普通硬质合金钻头的优点，胎体具有较高的耐磨性和抗冲击韧性。野外钻进试验表明，孕镶金刚石—针状合金复合式取心钻头钻进卵砾石层，每米钻头成本仅为普通硬质合金钻头的1／5，经济效益显著。 孕镶金刚石—针状合金复合式取心钻头的成功研制，为卵砾石层钻进工作量较大的地浸砂岩型铀矿勘探、煤田地质勘探、工程地质勘探等提供了有利的碎岩工具，有很好推广前景。