綠色鉆探有“法寶”
2016年06月28日 9:12 1284次瀏覽 來源： 中國有色網 分類： 科技創(chuàng)新
為攻克若爾蓋鈾礦田惡劣地理條件和復雜地層條件的鉆探技術難題，中國地質調查局成都工藝所組織實施了“高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)綜合鉆探技術應用示范”項目。
在四川省核工業(yè)地質局的共同參與和大力協(xié)助下，2013年～2015年，項目組攻堅克難，集成創(chuàng)新多項鉆探技術成果，建立了高原生態(tài)綠色鉆探技術體系并取得了階段性成果，鉆孔質量合格率100%、優(yōu)質率高達70%，平均臺月效率和機械鉆速分別提高76%和44%以上。這組閃亮的數(shù)據，即便是在很容易進行鉆探施工的平原地區(qū)也很難實現(xiàn)，但該項目硬是在山高坡陡、地層異常復雜的高海拔地區(qū)——四川省若爾蓋鈾礦田奇跡般地創(chuàng)造出了這樣的鉆探紀錄。
藝高人膽大 勇向虎山行
四川省若爾蓋碳硅泥巖型鈾礦田位于川西北高原的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，是我國四大基本類型鈾礦之一。礦區(qū)地處高原藏區(qū)，海拔高度3500米～4000米，山高坡陡、空氣稀薄。由于生態(tài)環(huán)境保護的要求和對修路的限制，項目面臨著設備搬遷的困難，再加上氣候環(huán)境惡劣，施工周期十分短暫。
“在這樣陡峭的高海拔地區(qū)，平時走路都得喘大氣，更不用說開展勘探工作，還有大型鉆探設備的搬遷了。”長期從事科學鉆探和深孔復雜地層鉆探技術研究與開發(fā)工作、2015年獲得中國地質調查局第二屆“杰出青年”稱號的“高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)綜合鉆探技術應用示范”項目負責人吳金生說。
而更令地質工作者頭疼和棘手的是該礦田極端復雜的地質構造。相關地質資料顯示，位于西秦嶺褶皺帶南亞帶的若爾蓋鈾礦田，區(qū)內斷裂構造十分發(fā)育，受到無數(shù)條構造斷裂帶控制；區(qū)內地層條件也異常復雜，為灰?guī)r、硅灰?guī)r、炭質板巖及斷層破碎帶交互進行，換層頻繁，漏失與垮塌并存；區(qū)內還發(fā)育高陡構造，巖層傾角70°～80°，局部接近垂直；區(qū)內地層軟硬不均，各向異性，易孔斜。
“若爾蓋鈾礦田鉆探技術難題多，一直被我國地質鉆探工程界稱為‘五毒俱全’地區(qū)。”吳金生介紹，鉆探施工中能遇見的所有復雜難題，都在若爾蓋鈾礦田存在，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：孔壁坍塌、超徑嚴重；嚴重漏失；鉆孔極度偏斜；取心率低；綜合鉆進效率低，成本高、質量差。
不能不說的是，若爾蓋鈾礦田還地處川西藏族聚集區(qū)，生態(tài)脆弱，環(huán)境特殊，若在此開展鉆探工作，植被一旦被破壞后，自然恢復的速度極低，其結果會惡化生態(tài)環(huán)境，成為藏區(qū)不穩(wěn)定不和諧的因素之一。因此，如何實施綠色勘查，減少對生態(tài)環(huán)境的擾動，也至關重要。
沒有金剛鉆，難攬瓷器活。毋庸置疑，在這樣的區(qū)域內開展地質勘探工作，難度可想而知。所以，若爾蓋鈾礦田在歷史上雖經歷了兩輪地質勘查，但均以鉆孔偏斜、取心質量不好和鉆探施工效率低等原因，沒有取得令人滿意的結果，一般的地勘單位更是把它視為地質工作的“禁區(qū)”，不敢再輕易進入。
然而，若爾蓋鈾礦成礦條件特別優(yōu)越，蘊藏豐富的鈾資源，而且，深部成礦作用明顯，礦量集中，品位較富，是我國西部最大的具備良好經濟性的硬巖型鈾礦田，也是目前我國硬巖型保有儲量最大的鈾資源大基地，并已納入國家整裝勘查區(qū)范圍。
“鈾礦作為國家戰(zhàn)略資源，直接關系著國家的能源安全。而我國的鈾礦資源明顯不足，需要大量進口，加快若爾蓋鈾礦的勘探開發(fā)就顯得更加重要和緊迫。”具有戰(zhàn)略眼光的成都工藝所所長胡時友態(tài)度十分堅決地說。四川省核工業(yè)局局長任勝也高度重視，經雙方充分協(xié)商，并在工作中發(fā)揮各自優(yōu)勢進行頂層設計，決心要在若爾蓋鈾礦勘查中實現(xiàn)新突破。
明知山有虎，偏向虎山行。成都工藝所和四川省核工業(yè)局多次召開技術研討會，經過周密部署和精心安排，各自抽選精兵強將成立了聯(lián)合項目部。成都工藝所任命長期從事探礦工程科學研究、曾任汶川地震斷裂帶科學鉆探現(xiàn)場負責人的地質工程博士吳金生為項目負責，四川省核工業(yè)局在施工設備機具、后勤保障及人員安排上給予強有力的配合。大家目的只有一個：不干則已，干就必須干好，干出個示范來！一場挺進高原、攻難克艱、智慧“降虎”的攻堅戰(zhàn)由此拉開了帷幕。
鉆探多險阻 科研來領路
知易行難，有備無患。成都工藝所雖然在鉆探技術、裝備和工藝等方面在國內是一流，具有其他地勘單位無可比擬的優(yōu)勢，但在若爾蓋這個其他地勘單位“屢戰(zhàn)屢敗”的特殊高原地區(qū)開展地質勘查工作也尚屬首次，必須發(fā)揮科研優(yōu)勢，利用國內先進鉆探技術成果，科學部署，精心施工。
而讓成都工藝所和四川省核工業(yè)局聯(lián)合來啃若爾蓋鈾礦這個“硬骨頭”，其目標還遠不止于要在該地區(qū)成功完成勘查工作，而是要以此來形成一套適合若爾蓋鈾礦田復雜地層的綠色綜合鉆探技術體系。
從中國地調局下達給成都工藝所的“高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)綜合鉆探技術應用示范”項目的目標任務中，也不難看出實施該項目的重大意義所在：依托若爾蓋鈾礦整裝勘查區(qū)，開展高原生態(tài)脆弱地區(qū)綜合鉆探應用示范，充分利用國內先進的鉆探技術成果，進行集成創(chuàng)新，開展維護鉆孔施工安全、保證鉆探質量、提高鉆探效率的綜合性鉆探技術研究，解決礦區(qū)鉆探施工中遇到的關鍵問題，研究制訂一套優(yōu)質、輕便、高效和低成本的綜合鉆探技術方法，形成一套適合于惡劣地理和地形條件以及復雜地層條件的鉆探技術體系，最大限度地減少對高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的擾動。預期目標是，顯著提高該礦區(qū)的鉆探施工效率，降低鉆探施工成本，改善鉆探施工質量，平均機械鉆速提高30%，平均臺月效率提高40%，鉆孔質量合格率達90%、優(yōu)質孔率達70%。
“若爾蓋鈾礦田是漏失、垮塌及孔斜并存，解決復雜條件下的鉆探施工難題是一項系統(tǒng)工程。我們開展此項工作的總技術思路是集成創(chuàng)新多項先進的鉆探技術，進行綜合治理，主要從改善孔內安全、提高鉆進效率、改善施工質量、減少鉆機搬遷以及提高搬遷效率等五大方面進行綜合性鉆探技術研究，解決礦區(qū)鉆探施工中遇到的關鍵問題。”吳金生介紹說，項目根據研究內容設置了七個專題，分別開展強水敏地層的泥漿護壁技術，復雜地層的取心鉆進技術，復雜地層的套管取心技術，漏失層鉆進與快速堵漏技術，防斜、糾斜和多分支孔定向鉆進技術，鋁合金鉆桿/液動錘提鉆取心技術，液動錘繩索取心技術等方面的研究。
思路清則方向明，方向明則措施準。在鉆探施工中，他們博采眾長，采用國內最成熟、可靠和先進技術，依靠國內鉆探界的力量來解決技術難題，并針對關鍵性問題進行技術研發(fā)。
小直徑隨鉆定向/分支孔技術是成都工藝所在若爾蓋鈾礦田成功鉆探的最大亮點和“利器”。“定向鉆進技術在石油鉆井中是一項成熟先進技術，但我國西部地區(qū)地層異常復雜，定向技術在地質找礦中應用較少，可借鑒的經驗不多，特別是若爾蓋鈾礦田存在諸多定向技術難題，需要開展針對性的研究。”吳金生介紹說，針對若爾蓋鈾礦田鉆孔直徑?。?phi;96mm）、受控定向制精度高等要求，項目優(yōu)選螺桿馬達/有纜隨鉆測斜（MWD）技術進行定向鉆進的技術路線，并成功進行定向鉆進/分支孔/糾斜/側鉆繞障等，都獲得了高質量的定向效果。
由于高陡構造地層與普通地層相比，定向鉆進時頂角上升較快，所以鉆探人員在定向鉆進時，需要通過不斷對稱變化高邊工具面角，降低造斜強度。
“根據該地區(qū)地層自然造斜規(guī)律，一般情況下頂角會上漂，定向軌跡控制時頂角預留2°左右，一方面可以減少定向段長度，節(jié)約定向鉆進成本；另一方面利用地層自然造斜規(guī)律增斜，軌跡更加光滑，利于后續(xù)取心鉆進。”吳金生說。
針對若爾蓋鈾礦的軟硬不均、各向異性顯著、裂隙發(fā)育地層以及漏失等難題，項目組從優(yōu)選螺桿馬達與定向鉆頭、嚴格控制鉆進速度和高邊工具面角、頂漏定向鉆進等方面采取了相應的控制措施。
“定向鉆進時，采用較大彎度螺桿、平底鉆頭、對稱變化以及精準控制工具面等措施，軌跡控制均取得良好效果。”吳金生進一步舉例說：“ZK3-5分支孔第一次定向分支時采用0.75°螺桿馬達開始定向，頂角變化異常；后更換1°螺桿鉆具，強增方位，可是方位變化不大，頂角上升更快。第二次定向鉆進時，我們采用1.25°較大彎度螺桿馬達，鉆頭換成平底復合片鉆頭，從孔深360米開始定向鉆進，嚴格控制高邊工具面角度，確保定向方位精度，定向鉆進結束后，完全符合設計要求。”
“定向鉆探的目的是控制鉆孔空間位置，按地質設計要求揭穿設計靶區(qū)，這對找礦效果和提高儲量級別都特別重要。ZK3-5孔是在ZK3-1孔中進行分支孔施工，目的是揭穿下部更深的鈾礦層，這對擴大鈾礦儲量，增大礦區(qū)覆蓋范圍具有重要意義。”胡時友表示，若爾蓋地質鉆探受控定向鉆進技術取得重大突破，具有經濟性和實用性，為國家戰(zhàn)略資源——鈾礦找礦突破提供了重要技術支撐，也在西部高原地區(qū)起到了示范與推廣作用。
創(chuàng)新亮點多 勘查樹示范
“通過3年來的野外試驗與研究，我們在若爾蓋鈾礦田的勘探工作取得了階段性成果，主要創(chuàng)新點有三個方面：一是形成了一套適合若爾蓋鈾礦田惡劣地理條件和復雜地層條件下的鉆探技術體系，為若爾蓋鈾礦能源資源安全保障提供了技術支撐；二是首次在國內地質勘探極端復雜地層成功應用了套管取心鉆進技術，并創(chuàng)造國內地質鉆探連續(xù)套管鉆進270米的紀錄；三是研發(fā)新型復合凝膠堵漏材料(FHD-1)與多種先進快速堵漏工藝，堵漏一次性成功率達93%以上，成功實現(xiàn)了低密度泥漿漏失層鉆進。”談起若爾蓋鈾礦田勘探取得創(chuàng)新成果時，胡時友如數(shù)家珍。
實際上，成都工藝所在若爾蓋鈾礦田的鉆進勘探中取得的創(chuàng)新成果遠不止這些。據了解，若爾蓋鈾礦田共完成定向鉆進孔3個、分支孔2個、糾斜鉆進孔2個、側鉆繞障3次。該項目在地質鉆探小直徑受控定向技術取得重大突破，獲得高質量定向效果，成功實現(xiàn)“一基多孔、一孔多支”的綠色高效定向施工，減少了大型鉆探設備搬遷，保護了生態(tài)環(huán)境，提高了鉆探效率，在西部高原地區(qū)真正起到了示范與推廣作用。
而套管護壁取心鉆進技術在若爾蓋鈾礦極端復雜地層試驗成功，則創(chuàng)造出了國內地質勘探極端復雜地層條件下長孔段套管取心鉆進的紀錄，為地質勘探順利穿越復雜地層提供了實用、有效的鉆進方法，成為克服地質礦產勘查復雜地層鉆進難題的“法寶”。據了解，若爾蓋鈾礦田共完成套管取心鉆進3個孔，共計取心進尺580.08米，最大提鉆間隔126.06米，平均機械鉆速1.1米/小時。
此外，項目還大膽引進石油鉆井液先進技術，探索出適合若爾蓋鈾礦強水敏地層的“鉀石灰-聚磺泥漿”體系。該體系具有抑制、防塌、封堵、潤滑及抗污染性能，通過在若爾蓋13個鉆孔中進行了試驗，試驗進尺7054.44米，發(fā)現(xiàn)效果良好，孔壁穩(wěn)定與鉆進效率均大幅提高。
“我們采用‘加重鉆桿＋穩(wěn)定器’鉆具組合在高陡構造地層中防斜也取得了良好效果，成功在3個鉆孔中進行防斜試驗，鉆孔軌跡基本為一直線。”吳金生說，項目還完成了復雜破碎地層取心鉆具的研制，分別研制出φ96K開式單動雙管取心鉆具和φ76mm鋼球單動雙管取心鉆具。針對燧石含量較高的硅灰?guī)r，取心鉆頭壽命短，項目還進行了巖石可鉆性分析，研制出多種規(guī)格與類型的金剛石鉆頭進行現(xiàn)場試驗，鉆頭壽命由原來25米提高到35.96米，提高43.8%。
“在上述成果基礎上，我們集成創(chuàng)新，優(yōu)化組合，成功探索出了一套小直徑有纜隨鉆/螺桿馬達定向鉆進、套管取心鉆進、鉀石灰-聚磺泥漿、復合凝膠（FHD）快速堵漏等綠色高效的鉆探技術組合。”吳金生介紹說，組合技術就是：上部覆蓋層等采用套管鉆進技術，防止孔壁坍塌；中部采用定向鉆進/分支孔技術，減少搬遷，保護生態(tài)；下部地層為礦層，采用普通金剛石取心鉆進，同時配套強水敏泥漿體系、快速堵漏與漏失層鉆進技術、高陡構造防斜技術、復雜地層取心等技術進行綜合治理。這一套高原生態(tài)鉆探技術體系在若爾蓋鈾礦田進行了成功應用，平均臺月效率提高76.6%，平均機械鉆速提高44%，鉆孔合格率達100%，為若爾蓋鈾礦資源能源安全保障提供了技術支撐。
事實上，高原生態(tài)綠色鉆探技術體系的形成，不僅為若爾蓋鈾礦能源資源勘探開發(fā)提供技術保障，也對西部高原生態(tài)脆弱區(qū)和深孔復雜地層鉆探具有示范與推廣作用，應用前景十分廣闊。據了解，成都工藝所已先后在頁巖氣調查井（萬地1井、巫地1井、雒容1井）、煤層氣勘探井（石地1井）、陽山金礦、山東招金集團等地開展了定向鉆進、漏失層鉆進及快速堵漏、復雜地層泥漿體系、硬巖快速鉆進、事故預防與處理等項目或提供技術服務，并取得了很好的社會效果。
“2015年國家核電項目重啟之后，按照國家中長期規(guī)劃，‘十三五’期間，我國每年將新建6至8座核電站。而鈾礦資源是‘核電的糧食’，國家為加快核電發(fā)展，勢必要增強鈾礦資源的保障能力，因此，在若爾蓋鈾礦的勘探開發(fā)中創(chuàng)造亮點、提供模板具有深遠意義。”胡時友強調，成都工藝所一定將按照中國地質調查局黨組的部署，加快創(chuàng)新成果的凝練提升與轉化應用，進一步完善若爾蓋鈾礦田惡劣環(huán)境和復雜地層條件下的鉆探技術體系，為國家能源安全、綠色勘查作出新貢獻?！?/p>
責任編輯：李幼玲
如需了解更多信息，請登錄中國有色網：m.bestexercisefitness.com了解更多信息。
中國有色網聲明：本網所有內容的版權均屬于作者或頁面內聲明的版權人。
凡注明文章來源為“中國有色金屬報”或 “中國有色網”的文章，均為中國有色網原創(chuàng)或者是合作機構授權同意發(fā)布的文章。
如需轉載，轉載方必須與中國有色網（ 郵件：cnmn@cnmn.com.cn 或 電話：010-63971479）聯(lián)系，簽署授權協(xié)議，取得轉載授權；
凡本網注明“來源：“XXX（非中國有色網或非中國有色金屬報）”的文章，均轉載自其它媒體，轉載目的在于傳遞更多信息，并不構成投資建議，僅供讀者參考。
若據本文章操作，所有后果讀者自負，中國有色網概不負任何責任。
