為攻克若爾蓋鈾礦田惡劣地理?xiàng)l件和復(fù)雜地層條件的鉆探技術(shù)難題，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都工藝所組織實(shí)施了“高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)綜合鉆探技術(shù)應(yīng)用示范”項(xiàng)目。

在四川省核工業(yè)地質(zhì)局的共同參與和大力協(xié)助下，2013年～2015年，項(xiàng)目組攻堅(jiān)克難，集成創(chuàng)新多項(xiàng)鉆探技術(shù)成果，建立了高原生態(tài)綠色鉆探技術(shù)體系并取得了階段性成果，鉆孔質(zhì)量合格率100%、優(yōu)質(zhì)率高達(dá)70%，平均臺(tái)月效率和機(jī)械鉆速分別提高76%和44%以上。這組閃亮的數(shù)據(jù)，即便是在很容易進(jìn)行鉆探施工的平原地區(qū)也很難實(shí)現(xiàn)，但該項(xiàng)目硬是在山高坡陡、地層異常復(fù)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(jì)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(guó)四大基本類(lèi)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(hù)的要求和對(duì)修路的限制，項(xiàng)目面臨著設(shè)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(shí)走路都得喘大氣，更不用說(shuō)開(kāi)展勘探工作，還有大型鉆探設(shè)備的搬遷了。”長(zhǎng)期從事科學(xué)鉆探和深孔復(fù)雜地層鉆探技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)工作、2015年獲得中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局第二屆“杰出青年”稱(chēng)號(hào)的“高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)綜合鉆探技術(shù)應(yīng)用示范”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人吳金生說(shuō)。

而更令地質(zhì)工作者頭疼和棘手的是該礦田極端復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造。相關(guān)地質(zhì)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(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，受到無(wú)數(shù)條構(gòu)造斷裂帶控制；區(qū)內(nèi)地層條件也異常復(fù)雜，為灰?guī)r、硅灰?guī)r、炭質(zhì)板巖及斷層破碎帶交互進(jìn)行，換層頻繁，漏失與垮塌并存；區(qū)內(nèi)還發(fā)育高陡構(gòu)造，巖層傾角70°～80°，局部接近垂直；區(qū)內(nèi)地層軟硬不均，各向異性，易孔斜。

“若爾蓋鈾礦田鉆探技術(shù)難題多，一直被我國(guó)地質(zhì)鉆探工程界稱(chēng)為‘五毒俱全’地區(qū)。”吳金生介紹，鉆探施工中能遇見(jiàn)的所有復(fù)雜難題，都在若爾蓋鈾礦田存在，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：孔壁坍塌、超徑嚴(yán)重；嚴(yán)重漏失；鉆孔極度偏斜；取心率低；綜合鉆進(jìn)效率低，成本高、質(zhì)量差。

不能不說(shuō)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(kāi)展鉆探工作，植被一旦被破壞后，自然恢復(fù)的速度極低，其結(jié)果會(huì)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(shí)施綠色勘查，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)，也至關(guān)重要。

沒(méi)有金剛鉆，難攬瓷器活。毋庸置疑，在這樣的區(qū)域內(nèi)開(kāi)展地質(zhì)勘探工作，難度可想而知。所以，若爾蓋鈾礦田在歷史上雖經(jīng)歷了兩輪地質(zhì)勘查，但均以鉆孔偏斜、取心質(zhì)量不好和鉆探施工效率低等原因，沒(méi)有取得令人滿意的結(jié)果，一般的地勘單位更是把它視為地質(zhì)工作的“禁區(qū)”，不敢再輕易進(jìn)入。

然而，若爾蓋鈾礦成礦條件特別優(yōu)越，蘊(yùn)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(guó)西部最大的具備良好經(jīng)濟(jì)性的硬巖型鈾礦田，也是目前我國(guó)硬巖型保有儲(chǔ)量最大的鈾資源大基地，并已納入國(guó)家整裝勘查區(qū)范圍。

“鈾礦作為國(guó)家戰(zhàn)略資源，直接關(guān)系著國(guó)家的能源安全。而我國(guó)的鈾礦資源明顯不足，需要大量進(jìn)口，加快若爾蓋鈾礦的勘探開(kāi)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(zhǎng)胡時(shí)友態(tài)度十分堅(jiān)決地說(shuō)。四川省核工業(yè)局局長(zhǎng)任勝也高度重視，經(jīng)雙方充分協(xié)商，并在工作中發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，決心要在若爾蓋鈾礦勘查中實(shí)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(kāi)技術(shù)研討會(huì)，經(jīng)過(guò)周密部署和精心安排，各自抽選精兵強(qiáng)將成立了聯(lián)合項(xiàng)目部。成都工藝所任命長(zhǎng)期從事探礦工程科學(xué)研究、曾任汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人的地質(zhì)工程博士吳金生為項(xiàng)目負(fù)責(zé)，四川省核工業(yè)局在施工設(shè)備機(jī)具、后勤保障及人員安排上給予強(qiáng)有力的配合。大家目的只有一個(gè)：不干則已，干就必須干好，干出個(gè)示范來(lái)！一場(chǎng)挺進(jìn)高原、攻難克艱、智慧“降虎”的攻堅(jiān)戰(zhàn)由此拉開(kāi)了帷幕。

鉆探多險(xiǎn)阻 科研來(lái)領(lǐng)路

知易行難，有備無(wú)患。成都工藝所雖然在鉆探技術(shù)、裝備和工藝等方面在國(guó)內(nèi)是一流，具有其他地勘單位無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但在若爾蓋這個(gè)其他地勘單位“屢戰(zhàn)屢敗”的特殊高原地區(qū)開(kāi)展地質(zhì)勘查工作也尚屬首次，必須發(fā)揮科研優(yōu)勢(shì)，利用國(guó)內(nèi)先進(jìn)鉆探技術(shù)成果，科學(xué)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(lái)啃若爾蓋鈾礦這個(gè)“硬骨頭”，其目標(biāo)還遠(yuǎn)不止于要在該地區(qū)成功完成勘查工作，而是要以此來(lái)形成一套適合若爾蓋鈾礦田復(fù)雜地層的綠色綜合鉆探技術(shù)體系。

從中國(guó)地調(diào)局下達(dá)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(shù)應(yīng)用示范”項(xiàng)目的目標(biāo)任務(wù)中，也不難看出實(shí)施該項(xiàng)目的重大意義所在：依托若爾蓋鈾礦整裝勘查區(qū)，開(kāi)展高原生態(tài)脆弱地區(qū)綜合鉆探應(yīng)用示范，充分利用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的鉆探技術(shù)成果，進(jìn)行集成創(chuàng)新，開(kāi)展維護(hù)鉆孔施工安全、保證鉆探質(zhì)量、提高鉆探效率的綜合性鉆探技術(shù)研究，解決礦區(qū)鉆探施工中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題，研究制訂一套優(yōu)質(zhì)、輕便、高效和低成本的綜合鉆探技術(shù)方法，形成一套適合于惡劣地理和地形條件以及復(fù)雜地層條件的鉆探技術(shù)體系，最大限度地減少對(duì)高原生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的擾動(dòng)。預(yù)期目標(biāo)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(zhì)量，平均機(jī)械鉆速提高30%，平均臺(tái)月效率提高40%，鉆孔質(zhì)量合格率達(dá)90%、優(yōu)質(zhì)孔率達(dá)70%。

“若爾蓋鈾礦田是漏失、垮塌及孔斜并存，解決復(fù)雜條件下的鉆探施工難題是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。我們開(kāi)展此項(xiàng)工作的總技術(shù)思路是集成創(chuàng)新多項(xiàng)先進(jìn)的鉆探技術(shù)，進(jìn)行綜合治理，主要從改善孔內(nèi)安全、提高鉆進(jìn)效率、改善施工質(zhì)量、減少鉆機(jī)搬遷以及提高搬遷效率等五大方面進(jìn)行綜合性鉆探技術(shù)研究，解決礦區(qū)鉆探施工中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題。”吳金生介紹說(shuō)，項(xiàng)目根據(jù)研究?jī)?nèi)容設(shè)置了七個(gè)專(zhuān)題，分別開(kāi)展強(qiáng)水敏地層的泥漿護(hù)壁技術(shù)，復(fù)雜地層的取心鉆進(jìn)技術(shù)，復(fù)雜地層的套管取心技術(shù)，漏失層鉆進(jìn)與快速堵漏技術(shù)，防斜、糾斜和多分支孔定向鉆進(jìn)技術(shù)，鋁合金鉆桿/液動(dòng)錘提鉆取心技術(shù)，液動(dòng)錘繩索取心技術(shù)等方面的研究。

思路清則方向明，方向明則措施準(zhǔn)。在鉆探施工中，他們博采眾長(zhǎng)，采用國(guó)內(nèi)最成熟、可靠和先進(jìn)技術(shù)，依靠國(guó)內(nèi)鉆探界的力量來(lái)解決技術(shù)難題，并針對(duì)關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。

小直徑隨鉆定向/分支孔技術(shù)是成都工藝所在若爾蓋鈾礦田成功鉆探的最大亮點(diǎn)和“利器”。“定向鉆進(jìn)技術(shù)在石油鉆井中是一項(xiàng)成熟先進(jìn)技術(shù)，但我國(guó)西部地區(qū)地層異常復(fù)雜，定向技術(shù)在地質(zhì)找礦中應(yīng)用較少，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多，特別是若爾蓋鈾礦田存在諸多定向技術(shù)難題，需要開(kāi)展針對(duì)性的研究。”吳金生介紹說(shuō)，針對(duì)若爾蓋鈾礦田鉆孔直徑?。?phi;96mm）、受控定向制精度高等要求，項(xiàng)目?jī)?yōu)選螺桿馬達(dá)/有纜隨鉆測(cè)斜（MWD）技術(shù)進(jìn)行定向鉆進(jìn)的技術(shù)路線，并成功進(jìn)行定向鉆進(jìn)/分支孔/糾斜/側(cè)鉆繞障等，都獲得了高質(zhì)量的定向效果。

由于高陡構(gòu)造地層與普通地層相比，定向鉆進(jìn)時(shí)頂角上升較快，所以鉆探人員在定向鉆進(jìn)時(shí)，需要通過(guò)不斷對(duì)稱(chēng)變化高邊工具面角，降低造斜強(qiáng)度。

“根據(jù)該地區(qū)地層自然造斜規(guī)律，一般情況下頂角會(huì)上漂，定向軌跡控制時(shí)頂角預(yù)留2°左右，一方面可以減少定向段長(zhǎng)度，節(jié)約定向鉆進(jìn)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(jìn)。”吳金生說(shuō)。

針對(duì)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(xiàng)目組從優(yōu)選螺桿馬達(dá)與定向鉆頭、嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度和高邊工具面角、頂漏定向鉆進(jìn)等方面采取了相應(yīng)的控制措施。

“定向鉆進(jìn)時(shí)，采用較大彎度螺桿、平底鉆頭、對(duì)稱(chēng)變化以及精準(zhǔn)控制工具面等措施，軌跡控制均取得良好效果。”吳金生進(jìn)一步舉例說(shuō)：“ZK3-5分支孔第一次定向分支時(shí)采用0.75°螺桿馬達(dá)開(kāi)始定向，頂角變化異常；后更換1°螺桿鉆具，強(qiáng)增方位，可是方位變化不大，頂角上升更快。第二次定向鉆進(jìn)時(shí)，我們采用1.25°較大彎度螺桿馬達(dá)，鉆頭換成平底復(fù)合片鉆頭，從孔深360米開(kāi)始定向鉆進(jìn)，嚴(yán)格控制高邊工具面角度，確保定向方位精度，定向鉆進(jìn)結(jié)束后，完全符合設(shè)計(jì)要求。”

“定向鉆探的目的是控制鉆孔空間位置，按地質(zhì)設(shè)計(jì)要求揭穿設(shè)計(jì)靶區(qū)，這對(duì)找礦效果和提高儲(chǔ)量級(jí)別都特別重要。ZK3-5孔是在ZK3-1孔中進(jìn)行分支孔施工，目的是揭穿下部更深的鈾礦層，這對(duì)擴(kuò)大鈾礦儲(chǔ)量，增大礦區(qū)覆蓋范圍具有重要意義。”胡時(shí)友表示，若爾蓋地質(zhì)鉆探受控定向鉆進(jìn)技術(shù)取得重大突破，具有經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，為國(guó)家戰(zhàn)略資源——鈾礦找礦突破提供了重要技術(shù)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(diǎn)多 勘查樹(shù)示范

“通過(guò)3年來(lái)的野外試驗(yàn)與研究，我們?cè)谌魻柹w鈾礦田的勘探工作取得了階段性成果，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有三個(gè)方面：一是形成了一套適合若爾蓋鈾礦田惡劣地理?xiàng)l件和復(fù)雜地層條件下的鉆探技術(shù)體系，為若爾蓋鈾礦能源資源安全保障提供了技術(shù)支撐；二是首次在國(guó)內(nèi)地質(zhì)勘探極端復(fù)雜地層成功應(yīng)用了套管取心鉆進(jìn)技術(shù)，并創(chuàng)造國(guó)內(nèi)地質(zhì)鉆探連續(xù)套管鉆進(jìn)270米的紀(jì)錄；三是研發(fā)新型復(fù)合凝膠堵漏材料(FHD-1)與多種先進(jìn)快速堵漏工藝，堵漏一次性成功率達(dá)93%以上，成功實(shí)現(xiàn)了低密度泥漿漏失層鉆進(jìn)。”談起若爾蓋鈾礦田勘探取得創(chuàng)新成果時(shí)，胡時(shí)友如數(shù)家珍。

實(shí)際上，成都工藝所在若爾蓋鈾礦田的鉆進(jìn)勘探中取得的創(chuàng)新成果遠(yuǎn)不止這些。據(jù)了解，若爾蓋鈾礦田共完成定向鉆進(jìn)孔3個(gè)、分支孔2個(gè)、糾斜鉆進(jìn)孔2個(gè)、側(cè)鉆繞障3次。該項(xiàng)目在地質(zhì)鉆探小直徑受控定向技術(shù)取得重大突破，獲得高質(zhì)量定向效果，成功實(shí)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(shè)備搬遷，保護(hù)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(hù)壁取心鉆進(jìn)技術(shù)在若爾蓋鈾礦極端復(fù)雜地層試驗(yàn)成功，則創(chuàng)造出了國(guó)內(nèi)地質(zhì)勘探極端復(fù)雜地層條件下長(zhǎng)孔段套管取心鉆進(jìn)的紀(jì)錄，為地質(zhì)勘探順利穿越復(fù)雜地層提供了實(shí)用、有效的鉆進(jìn)方法，成為克服地質(zhì)礦產(chǎn)勘查復(fù)雜地層鉆進(jìn)難題的“法寶”。據(jù)了解，若爾蓋鈾礦田共完成套管取心鉆進(jìn)3個(gè)孔，共計(jì)取心進(jìn)尺580.08米，最大提鉆間隔126.06米，平均機(jī)械鉆速1.1米/小時(shí)。

此外，項(xiàng)目還大膽引進(jìn)石油鉆井液先進(jìn)技術(shù)，探索出適合若爾蓋鈾礦強(qiáng)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(rùn)滑及抗污染性能，通過(guò)在若爾蓋13個(gè)鉆孔中進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)尺7054.44米，發(fā)現(xiàn)效果良好，孔壁穩(wěn)定與鉆進(jìn)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(gòu)造地層中防斜也取得了良好效果，成功在3個(gè)鉆孔中進(jìn)行防斜試驗(yàn)，鉆孔軌跡基本為一直線。”吳金生說(shuō)，項(xiàng)目還完成了復(fù)雜破碎地層取心鉆具的研制，分別研制出φ96K開(kāi)式單動(dòng)雙管取心鉆具和φ76mm鋼球單動(dòng)雙管取心鉆具。針對(duì)燧石含量較高的硅灰?guī)r，取心鉆頭壽命短，項(xiàng)目還進(jìn)行了巖石可鉆性分析，研制出多種規(guī)格與類(lèi)型的金剛石鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，鉆頭壽命由原來(lái)25米提高到35.96米，提高43.8%。

“在上述成果基礎(chǔ)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(dá)定向鉆進(jìn)、套管取心鉆進(jìn)、鉀石灰-聚磺泥漿、復(fù)合凝膠（FHD）快速堵漏等綠色高效的鉆探技術(shù)組合。”吳金生介紹說(shuō)，組合技術(shù)就是：上部覆蓋層等采用套管鉆進(jìn)技術(shù)，防止孔壁坍塌；中部采用定向鉆進(jìn)/分支孔技術(shù)，減少搬遷，保護(hù)生態(tài)；下部地層為礦層，采用普通金剛石取心鉆進(jìn)，同時(shí)配套強(qiáng)水敏泥漿體系、快速堵漏與漏失層鉆進(jìn)技術(shù)、高陡構(gòu)造防斜技術(shù)、復(fù)雜地層取心等技術(shù)進(jìn)行綜合治理。這一套高原生態(tài)鉆探技術(shù)體系在若爾蓋鈾礦田進(jìn)行了成功應(yīng)用，平均臺(tái)月效率提高76.6%，平均機(jī)械鉆速提高44%，鉆孔合格率達(dá)100%，為若爾蓋鈾礦資源能源安全保障提供了技術(shù)支撐。

事實(shí)上，高原生態(tài)綠色鉆探技術(shù)體系的形成，不僅為若爾蓋鈾礦能源資源勘探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)保障，也對(duì)西部高原生態(tài)脆弱區(qū)和深孔復(fù)雜地層鉆探具有示范與推廣作用，應(yīng)用前景十分廣闊。據(jù)了解，成都工藝所已先后在頁(yè)巖氣調(diào)查井（萬(wàn)地1井、巫地1井、雒容1井）、煤層氣勘探井（石地1井）、陽(yáng)山金礦、山東招金集團(tuán)等地開(kāi)展了定向鉆進(jìn)、漏失層鉆進(jìn)及快速堵漏、復(fù)雜地層泥漿體系、硬巖快速鉆進(jìn)、事故預(yù)防與處理等項(xiàng)目或提供技術(shù)服務(wù)，并取得了很好的社會(huì)效果。

“2015年國(guó)家核電項(xiàng)目重啟之后，按照國(guó)家中長(zhǎng)期規(guī)劃，‘十三五’期間，我國(guó)每年將新建6至8座核電站。而鈾礦資源是‘核電的糧食’，國(guó)家為加快核電發(fā)展，勢(shì)必要增強(qiáng)鈾礦資源的保障能力，因此，在若爾蓋鈾礦的勘探開(kāi)發(fā)中創(chuàng)造亮點(diǎn)、提供模板具有深遠(yuǎn)意義。”胡時(shí)友強(qiáng)調(diào)，成都工藝所一定將按照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局黨組的部署，加快創(chuàng)新成果的凝練提升與轉(zhuǎn)化應(yīng)用，進(jìn)一步完善若爾蓋鈾礦田惡劣環(huán)境和復(fù)雜地層條件下的鉆探技術(shù)體系，為國(guó)家能源安全、綠色勘查作出新貢獻(xiàn)。□