地调局成都探矿工艺所攻克若尔盖铀矿钻探难题纪实

摘要：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。

攻克若尔盖铀矿钻探难题

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。