董瑞，高士彬，李震，蔡順山，孟祥森

（核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

中國核工業(yè)地質(zhì)局地浸砂巖型鈾礦鉆探工作量近年來呈穩(wěn)步增長趨勢，其中北方3 個核工業(yè)地質(zhì)大隊承擔(dān)主要勘查任務(wù)［1-2］。伊犁盆地南緣鈾礦資源豐富，是砂巖型鈾礦勘探的主攻方向，年鉆探工作量占據(jù)核工業(yè)二一六大隊總工作量的40%以上［3］。伊犁盆地南緣作為我國目前最大、最重要的砂巖型鈾礦勘探開發(fā)基地［4］，近年來在鈾礦找礦工作上不斷取得新進(jìn)展，各大礦床在持續(xù)擴(kuò)大的同時，找礦空間也逐漸向新地段、新層位延伸，其中深部找礦作為主要突破方向之一，探索范圍逐步向1 000 m 以深過渡。2022 年是核工業(yè)鈾礦勘查會戰(zhàn)的開局之年，千米鉆孔的安全、高質(zhì)量施工對深部鈾礦勘查具有重要意義，千米鉆孔施工工藝必須突破孔斜防控技術(shù)瓶頸，形成一套穩(wěn)定可靠、行之有效的防斜工藝技術(shù)措施，才能不斷滿足伊犁盆地未來日益增長的深部勘查工作需求，最終達(dá)到有效獲取盆地深部成礦條件和地質(zhì)環(huán)境信息，拓展區(qū)域找礦空間和找礦有利區(qū)塊的目標(biāo)［5］。

1 工區(qū)概況

伊犁盆地南緣位于新疆察布查爾錫伯自治縣以南，為天山山脈隆升過程中局部凹陷下沉形成的大型山間凹陷盆地［6］，盆地南部斜坡帶自西向東分為多個構(gòu)造單元，地層發(fā)育相對齊全，是砂巖型鈾礦的主要產(chǎn)出空間［7］。

鉆探工區(qū)位于伊犁盆地南緣察布查爾山北坡的緩斜坡地帶，根據(jù)不同勘查階段、勘查目的和區(qū)域控制情況，由西向東劃分為洪海溝、中西段、蒙其古爾等子工區(qū)。根據(jù)近年地質(zhì)資料和鉆孔揭露情況，鉆遇地層以中－新生界地層為主，主要為第四系、新近系、侏羅系、三疊系，其中力學(xué)不穩(wěn)定地層和水敏地層施工占比較大，是影響千米鉆孔施工安全和鉆孔質(zhì)量的重要因素。

第四系：層厚約50～300 m 不等，沉積厚度由西向東呈遞減趨勢，以砂卵礫石、亞砂土等松散堆積物為主，礫石含量高達(dá)70%，粒徑約50～100 mm，可鉆性為4～6 級，鉆進(jìn)時地應(yīng)力釋放，孔壁易出現(xiàn)掉塊、坍塌等問題，為卡埋鉆事故多發(fā)地層。

新近系：層厚為150～300 m，以紅色黏土巖、雜色泥巖、砂巖為主，地層黏土含量偏高，為主要的強(qiáng)水敏地層，可鉆性為3～5 級。新近系泥巖地層水敏坍塌導(dǎo)致的鉆孔超徑現(xiàn)象較為普遍［8］，鉆探常見問題有造漿、塌孔、超徑、縮徑等。

侏羅系：層厚為300～400 m，包含砂礫巖、中粗砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、煤等地層，可鉆性為3～5 級，地層水敏性強(qiáng)，巖性變換頻繁。

三疊系：頂板為厚層泥巖、巖性致密，鉆進(jìn)困難，其下部為小泉溝群砂礫巖、礫巖，地層具有傾角，不均質(zhì)、松散，易發(fā)生卡鉆和偏斜。

2 近年千米鉆孔施工現(xiàn)狀

2.1 施工設(shè)備

近年來伊犁盆地南緣施工的千米鉆孔孔深為1 000～1 200 m，根據(jù)設(shè)計孔深和施工工藝，設(shè)備以XY-6N 型鉆機(jī)、NBB260/7 型泥漿泵和18 m“A”字形鉆塔為主，輔以相關(guān)泥漿固控設(shè)備。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

千米鉆孔鉆進(jìn)中通常存在地層復(fù)雜多變、鉆進(jìn)厚度大、施工周期長、工程造價高等特點(diǎn)，因此鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以安全、經(jīng)濟(jì)為基本原則［9］。區(qū)內(nèi)千米以深鉆孔采用全孔裸眼鉆進(jìn)、四級孔身結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 千米鉆孔孔身結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Brief diagram of drilling hole structure

開孔孔徑：設(shè)計為132 mm，針對第四系砂、土、卵礫石覆蓋層，采用Ф132 mm 牙輪鉆頭無巖心鉆進(jìn)，鉆穿厚度為30～300 m 不等；

二級孔徑：設(shè)計為113 mm，針對新近系、侏羅系等及水敏程度較高的泥砂巖地層，采用Ф113 mm 三翼刮刀鉆頭無巖心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)150～300 m 后鉆穿；

三級孔徑：設(shè)計為104 mm，針對侏羅系、三疊系等較為穩(wěn)定的泥砂巖地層，采用Ф104 mm 復(fù)合片鉆頭取心鉆進(jìn)，鉆穿厚度為300～400 m；

四級孔徑：設(shè)計為98 mm，針對侏羅系、三疊系等鉆孔施工目的層，采用Ф98 mm 單動雙管鉆具取心鉆進(jìn)至終孔標(biāo)志層。

2.3 施工存在的問題

鉆孔偏斜是伊犁盆地南緣千米鉆孔施工存在的突出問題，通常表現(xiàn)出鉆孔越深，地層越復(fù)雜，孔斜越難控制的趨勢。2018—2019年，在伊犁盆地南緣施工了3 個千米以深鉆孔，其中有2 個鉆孔均因偏斜遠(yuǎn)超規(guī)范設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)造成鉆孔降級，千米鉆孔工程合格率僅33%，孔斜情況見表1。施工中所采取的工藝控制措施無法有效、可靠地解決孔斜問題，致使防控措施的盲目性和偏斜趨勢的不確定性較大，嚴(yán)重影響鉆孔質(zhì)量和地質(zhì)找礦線索。

表1 2018—2019 年伊犁盆地南緣千米鉆孔施工情況Table 1 Kilometer drills in the southern margin of Yili basin from 2018 to 2019

3 千米鉆孔孔斜問題分析

在鉆探施工過程中發(fā)生鉆孔彎曲是必然的［10］，鉆孔彎曲是受地質(zhì)、技術(shù)和工藝3 種因素共同作用的結(jié)果，在不同條件下其主導(dǎo)因素各不相同［11］。伊犁盆地南緣形成孔斜的主要因素如下：

3.1 地層因素

一是，第四系覆蓋層、小泉溝群地層的卵礫石含量高，其中砂、土、卵礫石堆積雜亂，在鉆進(jìn)過程中鉆頭易沿著礫石斜面一側(cè)方向發(fā)生彎曲，使其成為工區(qū)造斜地層之一。

二是，新近系水敏性泥巖地層的超徑問題是造成孔斜的重要原因之一。根據(jù)伊犁工區(qū)以往鉆孔的測井資料解釋，在新近系水敏泥巖段采用Φ113 mm 或Φ104 mm 口徑施工，鉆孔超徑系數(shù)可達(dá)1.1～1.3，局部孔段高達(dá)1.5 以上，較大的環(huán)空間隙使鉆具失去了穩(wěn)定和扶正效果，增大孔斜發(fā)展趨勢。

三是，巖石的各向異性及軟硬互層情況頻繁，如在某些粗砂巖、砂礫巖地層中存在石英和礫石，煤層頂板存在的致密泥巖以及煤層中的裂隙等，均會導(dǎo)致鉆頭與孔底接觸面位置的軟硬不均而發(fā)生鉆孔彎曲。

3.2 鉆井工具因素

根據(jù)分層鉆進(jìn)技術(shù)需求，在以往千米鉆孔施工中，主要采用表2 中鉆具組合形式，該鉆具組合與工區(qū)常規(guī)孔深鉆孔施工鉆具組合一致，在粗徑鉆具數(shù)量、鉆鋌使用等方面均存在不利于孔斜防控的因素，通常在常規(guī)淺孔施工時孔斜問題不凸顯，但隨著孔深遞增，各類不利因素積累加劇孔斜發(fā)展，影響逐漸增大。

表2 常規(guī)孔深鉆孔施工采用的鉆具組合Table 2 The combination of drilling assembly used for the conventional hole

因鉆具使用和操作造成孔斜的原因如下：

一是鉆鋌。Φ68 mm 鉆鋌在直徑和數(shù)量方面均無法滿足千米鉆孔防斜扶正和孔底加壓的鉆進(jìn)需求。鉆鋌與孔壁存在較大的環(huán)空間隙使其扶正效果差，此外僅采用12 根鉆鋌進(jìn)行孔底加壓，在施工中鉆壓控制困難，中和點(diǎn)容易上移超出鉆鋌段，造成鉆桿柱發(fā)生彎曲。

二是鉆具剛性。常規(guī)R60-L 鉆桿剛性低，在孔內(nèi)受到橫向及縱向作用力時，易發(fā)生變形彎曲，導(dǎo)致孔內(nèi)鉆具在未達(dá)到既定鉆壓的情況下即發(fā)生彎曲。

三是環(huán)空間隙。鉆具組合中巖心管直徑為Φ89 mm，與之配用的鉆頭口徑有Φ132 mm、Φ118 mm、Φ113 mm、Φ104 mm，環(huán)空 間隙為7.5～21.5 mm，在超徑孔段則擁有更大的環(huán)空間隙，由此造成鉆具在孔內(nèi)具有足夠的彎曲傾倒空間；

四是粗徑鉆具。鉆具組合中粗徑鉆具僅為Φ89 mm，底部粗徑鉆具及巖心管長度通常在4.5～5.5 m，粗徑鉆具類型單一、數(shù)量和長度不足，致使底部鉆具在大環(huán)空間隙的條件下抗傾倒能力差，難以實(shí)現(xiàn)防斜功效。

3.3 鉆探操作因素

鉆進(jìn)參數(shù)對鉆孔施工結(jié)果具有直接影響，其中鉆壓的控制對孔斜影響因素最大。千米鉆孔施工時，由于孔內(nèi)鉆桿數(shù)量多且自重大，往往采用鉆機(jī)卡盤和卷揚(yáng)機(jī)配合共同實(shí)現(xiàn)減壓鉆進(jìn)，此時鉆壓操作精度較差，鉆壓過大容易發(fā)生鉆具失穩(wěn)、孔內(nèi)鉆具彎曲等情況造成孔斜，鉆壓過小則容易造成孔底重復(fù)破碎、鉆頭打滑等情況導(dǎo)致孔徑擴(kuò)大，從而造成孔斜。

4 2022 年千米鉆孔孔斜防控關(guān)鍵技術(shù)

鉆具組合及其操作是控制孔斜的關(guān)鍵因素，不同種類的防斜鉆具組合，由于其自身結(jié)構(gòu)的差異，適用情景也不同［12］。2020—2021 年，針對伊犁盆地南緣的孔斜問題，從設(shè)備安裝調(diào)整、規(guī)范鉆進(jìn)參數(shù)、提升操作技能、穩(wěn)定器使用等方面開展防斜打直研究，取得了一定的成效，但在千米以深鉆孔中仍未達(dá)到穩(wěn)定可靠的控制效果。2022 年在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對千米鉆孔底部鉆具組合進(jìn)行全面優(yōu)化改進(jìn)，同時研究鉆具中和點(diǎn)位置控制技術(shù)，使千米鉆孔底部鉆具組合具備主動防斜、控斜和穩(wěn)斜性能，降低人為操作因素對孔斜的影響。

4.1 底部鉆具組合優(yōu)化

底部鉆具是鉆桿柱最下端的一個相對獨(dú)立體，主要由鉆頭、巖心管、鉆鋌、穩(wěn)定器以及其他特殊工具和部件組成［13］。在鉆探過程中，底部鉆具除發(fā)揮與上部鉆桿相同的連接和動力傳遞作用外，仍需承擔(dān)加壓、扶正、導(dǎo)向、掃孔等重要作用，因此底部鉆具很大程度上決定了施工鉆孔的質(zhì)量，針對以往鉆探施工中底部鉆具組合存在防斜效果不佳的問題，進(jìn)行以下優(yōu)化改進(jìn)。

4.1.1 粗徑鉆具

粗徑鉆具可在滿足泥漿上返阻力的前提下，最大限度減小環(huán)空間隙，接近滿眼扶正效果。針對千米鉆孔施工中孔底粗徑鉆具長度不足、易彎曲的問題，根據(jù)鉆孔防斜打直的需求，將其優(yōu)化為長度6.5 m 的加長型厚壁巖心管，其規(guī)格為Φ89 mm×6 mm，以提升底部鉆具剛度和抗彎曲能力。

4.1.2 鐘擺鉆具與穩(wěn)定器

鐘擺鉆具是利用鉆柱與孔壁切點(diǎn)以下的懸臂段產(chǎn)生的鐘擺力制約鉆頭上受到的側(cè)向力，從而對孔斜進(jìn)行一定的控制［14］，其原理見圖2。由圖2 可見，T 代表發(fā)生傾倒或彎曲后，鉆具與孔壁產(chǎn)生的切點(diǎn)；FG為切點(diǎn)T 以下鉆具的質(zhì)量，單位為kg；θ代表鉆孔彎曲頂角，單位為°；Fd代表發(fā)生彎曲后，孔壁對鉆頭的橫向支撐力，單位為kN；F代表由鉆具自身產(chǎn)生的鐘擺力，單位為kN。

圖2 鐘擺鉆具原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the clock pendulum rill string

對于鐘擺鉆具，由于采用孔底鉆具自重加壓的方式，鉆鋌質(zhì)量大于孔底鉆壓，當(dāng)鉆孔軌跡發(fā)生彎曲時，鉆桿柱與孔壁產(chǎn)生一個切點(diǎn)，切點(diǎn)以下由鉆具重量產(chǎn)生的橫向分力將鉆頭向孔壁下方推移，由此產(chǎn)生減斜力，此時減斜力可采用以下公式計算：

式中：F—鐘擺力（減斜力），kN；FG—切點(diǎn)以下鉆鋌質(zhì)量，kg；θ—鉆孔頂角，°；L—切點(diǎn)至孔底距離，m；l—切點(diǎn)以下鉆具重心與切點(diǎn)的距離，m。

由式（1）可分析得出，在鉆孔彎曲頂角θ一定時，可通過增加鉆柱與孔壁切點(diǎn)以下的鉆具重量、或提高切點(diǎn)位置增大減斜力。使用Φ83 mm 粗徑鉆鋌可有效增加切點(diǎn)以下鉆具重量，在切點(diǎn)位置略高處增加一個穩(wěn)定器可提高切點(diǎn)位置，從而增大鉆具鐘擺力和防斜效果。穩(wěn)定器的位置主要通過理論計算和現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選，確定其在鉆具組合中的安裝位置［15］。

4.1.3 鉆鋌組合

鉆鋌作為一種剛性鉆具，可提高底部鉆具抗彎能力，增大中和點(diǎn)在剛性鉆具上的落點(diǎn)范圍，從而降低人員對鉆壓控制的精準(zhǔn)度要求，以此減少鉆壓對孔斜造成的影響。

為確保孔底鉆鋌加壓的有效性，并使中和點(diǎn)落在鉆鋌柱上，采用增加鉆鋌數(shù)量并延長鉆鋌柱長度兩種方法，通常情況下鉆鋌數(shù)量越多對防斜工作越有利。近年來，伊犁盆地南緣不同地層的鉆壓值通常在5～13 kN，干鉆卡心時鉆壓控制在15～20 kN，所選鉆鋌類型和數(shù)量在滿足鉆壓需求的前提下，應(yīng)留有鉆壓余量并盡量延長鉆鋌柱長度以擴(kuò)大中和點(diǎn)落點(diǎn)范圍，同時兼顧地層性質(zhì)、滿眼鉆進(jìn)、鉆具級配和現(xiàn)場施工的需求，千米鉆孔施工中需采用Φ83 mm 粗徑鉆鋌與常規(guī)Φ68 mm 鉆鋌組合使用，兩種鉆鋌規(guī)格參數(shù)見表3。

表3 千米鉆孔施工采用鉆鋌規(guī)格參數(shù)Table 3 Drilling collar specifications used for kilometer hole

鉆鋌配置數(shù)量應(yīng)充分考慮鉆壓、孔徑、鉆鋌段長度、鉆具級配、地層性質(zhì)等因素，結(jié)合以往伊犁盆地南緣鉆探經(jīng)驗(yàn)，在千米鉆孔中，優(yōu)化配置Φ68 mm 鉆鋌數(shù)量為21 根、Φ83 mm 粗徑鉆鋌數(shù)量為3 根，鉆鋌可提供鉆壓30 kN，可滿足正常鉆進(jìn)和干鉆卡心工作鉆壓，同時留有一定的鉆壓余量。通過對千米鉆孔底部鉆具的攻關(guān)研究，結(jié)合分層鉆進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)的千米鉆孔防斜鉆具組合見表4。

表4 優(yōu)化改進(jìn)后的千米鉆孔防斜鉆具組合Table 4 Optimized and improved combination of anti-inclined drilling tools in kilometer hole

4.2 中和點(diǎn)位置控制

中和點(diǎn)位置取決于鉆壓、鉆具組合、底部鉆具重量等，其控制的目的是將中和點(diǎn)控制在鉆鋌段或其他剛性鉆具上，利用不易發(fā)生彎曲的剛性鉆具提供鉆壓，從而確保中和點(diǎn)以上鉆柱受拉伸直，以此防止鉆柱彎曲造成孔斜。

基于中和點(diǎn)控制技術(shù)原理及優(yōu)化后的孔底鉆具組合，根據(jù)伊犁盆地南緣千米鉆孔鉆進(jìn)階段和表4 中不同孔底鉆具類型，可建立一個“鉆壓-中和點(diǎn)”位置函數(shù)關(guān)系式對中和點(diǎn)位置進(jìn)行理論確定。

式中：L0—鉆具中和點(diǎn)距孔底的位置，m；LY—巖心管或底端粗徑鉆具長度，m；L1—Φ83 mm鉆鋌單根長度，m；L2—Φ68 mm 鉆鋌單根長度，m；FN—孔底受到的鉆壓，kN；M1—Φ83 mm 鉆鋌米重量，kg；M2—Φ68 mm 鉆鋌米重量，kg；MY—巖心管或底端粗徑鉆具重量，kg；N1—Φ83 mm鉆鋌數(shù)量，根；N2—Φ68 mm 鉆鋌數(shù)量，根；g—重力常數(shù)，9.81m/s2。

當(dāng)L0＞N1L1+N2L2時，說明中和點(diǎn)位置超出鉆鋌柱范圍，上部鉆桿受壓發(fā)生彎曲。

以改進(jìn)后的千米鉆孔防斜鉆具組合為例，在鉆具組合設(shè)計中，中和點(diǎn)位置確定需考慮穩(wěn)定器數(shù)量、位置的裝配調(diào)整，以及各類變徑、變絲接頭的數(shù)量及長度，根據(jù)千米鉆孔不同孔段所采用的鉆具組合，引入“鉆壓-中和點(diǎn)”位置函數(shù)關(guān)系式（2）和（3）可計算得出表5中特定鉆具組合下鉆壓與中和點(diǎn)位置的關(guān)系數(shù)據(jù)。

表5 千米鉆孔鉆壓-中和點(diǎn)位置數(shù)據(jù)Table 5 Pressure-neutralization point location data in kilometer hole

在現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)中，鉆壓和鉆具組合情況需要根據(jù)地層和工藝需求進(jìn)行調(diào)整，為進(jìn)一步確定不同鉆具組合下鉆壓與中和點(diǎn)位置之間的關(guān)系，利用表5 數(shù)據(jù)可以構(gòu)建圖3 所示的“鉆壓-中和點(diǎn)”位置散點(diǎn)圖。根據(jù)基本數(shù)據(jù)形態(tài)，擬合出最適合表中數(shù)據(jù)的回歸方程：

圖3 千米鉆孔鉆壓-中和點(diǎn)位置散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of pressure-neutralization point location data in deep hole

該方程對于不同鉆具組合所取得的數(shù)據(jù)擬合優(yōu)度R2=0.921 7，因此在使用改進(jìn)后的鉆具組合進(jìn)行千米鉆孔施工時，可采用函數(shù)關(guān)系式（4）作為經(jīng)驗(yàn)公式快速對中和點(diǎn)位置進(jìn)行判斷，驗(yàn)證中和點(diǎn)位置是否在受控范圍內(nèi)，從而做出鉆壓調(diào)整，達(dá)到控制中和點(diǎn)位置的目的。

5 應(yīng)用效果

基于對千米鉆孔孔斜原因的分析，對鉆具類型、數(shù)量、級配等進(jìn)行了組合和調(diào)整優(yōu)化，形成適用于伊犁盆地南緣千米鉆孔的防斜鉆具組合，建立“鉆壓-中和點(diǎn)”經(jīng)驗(yàn)公式，用于確定鉆具的中和點(diǎn)位置，確保減壓鉆進(jìn)和防斜吊打取得實(shí)效。

2022 年在伊犁盆地南緣成功施工千米鉆孔3 個，共完成工作量3 303.32 m，應(yīng)用效果分析見表6。

表6 2022 年千米鉆孔孔斜控制效果Table 6 Inclination control effect of kilometer holes in 2022

其中L18862 終孔孔深為1 154.65 m，為伊犁盆地南緣近年來施工的最深孔，該孔孔斜偏距僅為25.20 m，達(dá)到了良好的孔斜控制效果。通過鉆孔孔斜防控技術(shù)的研究和進(jìn)步，與2018—2019年施工的千米鉆孔對比，如圖4 和圖5 所示最大孔斜偏距由198.90 m 降低至59.64 m，平均孔斜偏距由130 m 降低至46.14 m，降幅達(dá)64.50%，達(dá)到了千米鉆孔孔斜穩(wěn)定可靠的控制效果。

圖4 千米鉆孔孔斜偏距對比Fig.4 Bottom hole displacement of kilometer holes

圖5 兩種鉆具組合下平均偏斜對比Fig.5 Average displacement of the two drilling after combination

6 結(jié)論

1）基于對地層、鉆井工具、鉆探操作等方面關(guān)鍵因素的分析，對千米鉆孔施工中底部鉆具組合進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，形成了適用于伊犁盆地南緣千米鉆孔施工的防斜鉆具組合，從工藝方面實(shí)現(xiàn)鉆孔防斜鉆進(jìn)、多級扶正、鐘擺降斜等防控效果。

2）通過對鉆具的中和點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)回歸分析，得到“鉆壓-中和點(diǎn)”經(jīng)驗(yàn)公式，使鉆壓控制有據(jù)可依，從技術(shù)方面保證鉆具具備孔底加壓，有利于輕壓吊打防斜操作。

3）改進(jìn)后的防斜鉆具組合在工區(qū)3 個千米鉆孔獲得成功應(yīng)用，測斜證實(shí)鉆孔孔斜下降，達(dá)到了有效、穩(wěn)定、可靠的孔斜控制目標(biāo)，顯著提升了鉆探指標(biāo)和鉆孔質(zhì)量，可為今后千米鉆孔施工提供依據(jù)和借鑒，為未來相似地區(qū)深部資源勘查提供鉆探技術(shù)儲備。