物探参数孔成井工艺及测井方法研究

张青海

(核工业二〇八大队，内蒙古 包头　014010)

在地浸砂岩型铀矿普查、详查或在铀矿床后续的地浸开采工作中，需要测定放射性平衡系数，进行平衡破坏规律的研究，并对γ测井(或γ取样)的测量结果作平衡破坏修正(章晔等，1990)。铀镭平衡系数和镭氡平衡系数为主要的评价指标，铀镭平衡系数可通过取样分析获得，而物探参数孔是获取镭氡平衡系数的重要途径，参数孔的建井质量是确定镭氡平衡系数准确性的关键。在参数孔施工中，通过地球物理测井技术来揭露矿体情况和确定建井质量(刘则尧等，1990；余水泉等，2003；何春明等，2006)。且现今地球物理测井技术在地浸工艺及物探参数孔施工流程中基本达到了生产需求，并取得了明显的应用效果(李强等，2016)。笔者对近几年在鄂尔多斯盆地东北部完成的物探参数孔施工流程进行了详细的剖析，针对参数孔作业现状和存在的问题，提出建井工艺及γ状态观测方法技改的建议，并以实例验证技改的可行性。

1　参数孔施工现状

近年来在鄂尔多斯盆地东北部，随着砂岩型铀矿找矿工作的不断深入，已施工完成了一定数量的参数孔，参数孔的建井工艺和技术也得到了长足的发展，方法也日趋成熟和完善；但在实际工作中难免会遇到一些新的问题需要解决，常规的施工模式有待进一步改进。

参数孔的布设原则：根据矿体形态、品位、厚度、埋深及矿层的渗透性，在矿体不同地段和不同部位布设，参数孔应均匀分布、并具有代表性*苗爱生，王贵，邢立民，等.2012.内蒙古达拉特旗纳岭沟铀矿床普查(内部资料):135-136。

物探参数孔常规作业流程：选址、设计、变径止水段钻探、扩孔、井径井斜测量、钻探成井、综合测井、铁套管下置、顶板止水、钢套管底部封堵、洗井、γ状态观测。

1.1　常规裸井钻探

根据地质设计要求，专门设计的水文孔、物探参数孔及有特殊要求的钻孔，岩心采取率不低于85%(姜德英等，2003)。钻孔采用常规口径的钻具施工，进行止水段钻探，井孔口径为φ110 mm，钻进至隔水顶板后，再将井口至隔水顶板处扩成φ152 mm口径的井孔，隔水顶板保留约1.50 m不扩穿。扩孔后，需将钻孔内的残渣清理干净，换用新鲜泥浆，进行井径井斜测量。测井结束后，按设计要求立即进行目的层的钻进施工，三个阶段钻探施工的钻孔深度及变径止水位置见图1。

1.2　地球物理测井

成井后，用新鲜泥浆冲孔后，进行地球物理测井，以便准确定位参数孔γ强度、建井质量和变径止水位置。一般测井方法有γ、视电阻率、自然电位、井径、井斜等，对物探参数孔、水文孔、工程钻孔，应增加井温井液电阻率、声波等测井方法(常桂兰等，2003)。这些是评价建井质量的重要指标。

1.3　套管底部封堵

地球物理测井工作结束后，进行φ89 mm无缝钢套管的下置工作，止水位置及成孔精确深度以测井结束后提供的数据为准。采用止水托盘缠绕干海带的方法进行密封止水。套管接口处使用螺扣加涂抹油漆止漏，并拧紧螺扣，外部再用钢筋焊接加固。

钢套管下置完毕后，下钻具用新鲜泥浆冲孔，并尽可能冲洗出目的层段内的泥浆残渣。冲孔完毕提钻，向套管内下入圆木塞，用钻具压入底板泥岩中一定距离(10～20 cm)，并确保圆木塞留在套管内 (长40～50 cm)，随后投入直径约30 mm的黄泥球，投入量由现场情况计算确定，再放入圆柱形压铁块，下入钻具到孔底压实，以达到底部封堵的目的。

至此，参数孔的成井工作全部结束。钢套管的系统下置和底部封堵工作必须在8 h内完成(余水泉等，2008)。

1.4　γ状态观测

成井工作结束后，立即进行第一次γ状态观测。

(1) 氡射气积累情况采用γ测井方法进行状态观测。测井提升速度，矿段为2 m/min，其它深度段为4 m/min(余水泉等，2005)。γ探测仪器为FD-3019型定量γ辐射仪(上海申核电子仪器有限公司)。γ辐射仪必须在参数孔观测前进行标定，并在整个观测过程中使用同一编号的仪器。

(2) φ89 mm无缝钢套管下置及系统成井工作结束后。以终孔的测井时间为基准，下完套管并将套管充满清水后测量一次，前3 d每8 h测量一次，4～8 d每24 h测量一次，以后每2～3 d测量一次，直到镭氡达到平衡。整个观测时间约为38 d。γ检查测井次数应不少于状态观测的10%(余水泉等，2008)。

2　存在的问题

2.1　钻进成井方法

(1) 先扩孔，再进行目的层钻进成井；这样可能会出现止水位置井眼不居中，导致钻孔偏斜距增大，下置钢套管时困难或无法下置的情况。

(2) 由于止水位置井眼不居中，下置钢套管时会导致止水盘靠向井壁某一侧，尽管钻孔偏斜距符合要求，但会出现止水位置密封效果不佳，而影响到后续氡气的积累以及γ状态观测的结果。

(3) 止水密封层(下部直径约110 mm)可能被二次钻进的钻具(上下钻)严重破坏而扩大(直径可能达到152 mm)，达不到密封止水的目的，同样会影响到后续氡气的积累及γ状态观测的结果。

(4) 二次钻进成井后，如果裸孔γ测井解释结果和井斜测量结果都达不到参数孔的要求(如钻孔非工业铀矿孔或钻孔水平偏斜距过大无法下置套管)，成为报废孔。需挪孔或重新选择孔位，这样无疑增加了扩孔成本，造成了浪费。

2.2　套管底部封堵

(1) 原先下置套管完毕后，用清水冲孔后向套管内下入圆木塞，并用钻具压入底板泥岩中一定距离(10～20 cm)，并保留40～50 cm在套管内，随后投入直径约30 mm的黄泥球，再放入圆柱形压铁块；这样可能存在圆木塞没有压入底板泥岩中，出现随机(几天或十几天)上浮，连同黄泥球柱和压铁进入矿层或上浮于矿层之上，导致γ辐射仪测不穿矿层或测不到矿层，再重新封堵已无法实施，出现参数孔报废。

(2) 向钢套管内下入圆木塞，并用钻具压入底板泥岩中一定距离(10～20 cm)，并保留40～50 cm在套管内，这样在实际操作上就很难把握尺度，尤其对矿层直接上覆于底板之上的参数孔，要求更加精准。另外也存在圆木塞被下压出套管外，而出现重复封堵的情况，达不到底部封堵的要求或封堵效果不佳，以致影响到后续氡气的积累及γ状态观测的结果。

图1　物探参数孔施工设计示意图Fig.1　Sketch map showing the design of the geophysical parameter borehole

2.3　γ状态观测

近几年来，由于钻探工作量的加大，测井工作量也相应增加，另外随着每个项目各勘查阶段参数孔数量的增加，原先的观测方法已不适应现在工作的需要，需进行观测方法的合理改进。

3　方法的改进和建议

基于上述建井工艺和γ状态观测中存在的问题，结合几年来在参数孔中施工总结的实践经验，提出对部分施工环节及状态观测优化和改进的建议，以便在今后的工作中参考借鉴。

3.1　钻进方法改进

(1) 改变原来先扩孔再钻进的成孔方式，采用一次性钻进成井，冲孔后进行地球物理测井工作，如钻孔非工业铀矿孔或钻孔水平偏斜距过大，可重新选孔，避免先扩孔再钻进造成的浪费，降低了生产成本。

(2) 在一次性钻进成井过程中，建议增加每50 m或100 m进行一次井斜测量工作，以便保证建井质量。

(3) 测井工作结束后，若符合参数孔的要求，则再按原先的设计进行扩孔，可减少对变径止水密封层的破坏程度，又可保证原孔眼相对居中。扩孔完成后，再进行井径测量，确定止水位置，之后再按要求开始钢套管的下置工作。

这样的成井方式可克服原来成孔的不足和缺点，达到节能增效的目的。

3.2　套管底部封堵方法改进

针对上述底部封堵出现的问题，提出改进的方法。下置套管前，将中间带有20 mm圆孔的锥形堵头以螺丝扣的形式与套管底部连接，并将直径为40 mm的钢球放入，也使用螺扣加涂抹油漆止漏。在下置过程中，泥浆可通过底部圆孔顶起钢球进入套管内，加接钢套管时，钢球会自然落下封口。然后与常规方法一样下置套管，完毕后，用清水洗孔，随后投入直径约30 mm的黄泥球，投入量现场计算确定，再放入圆柱形压铁块压实；洗孔结束后，开始第一次γ状态观测。

(1) 按照现行改进的封堵工艺，可以避免原先封堵时，圆木塞可能没有被压入底板泥岩中，或被压出套管外，再进行重复封堵，而达不到底部封堵的目的或封堵效果不佳的情况出现。也可以避免部分地段由于隔水底板(泥岩或粉砂岩)很薄或不连续，以及在底板之上发育有底砾岩的区段，圆木塞无法被压入底板中，而出现底部封堵困难的情况。

(2) 按照现行改进的封堵方法，如果矿层与隔水底板距离较大(大于10 m或30 m)，钻进成井时，穿过矿层3～5 m即可终孔，进行下一步的封堵工作。不必钻进至隔水底板，避免钻探工作量的浪费。

这样的封堵方法可一次性完成，避免了原来重复封堵或封堵效果不佳的情况出现。既简化了参数孔的封堵工序，也弥补了部分地段特殊底板封堵难的问题。同时也扩大了今后设计参数孔时的选址范围，提高了套管封堵质量，同样也降低了生产成本。

3.3　γ状态观测方法改进

有些地区，由于钻探工作量的加大，原先的观测方法已不适应工作的需要，须进行观测方法的合理改进。

(1) 物探参数孔封堵后，由于前3 d氡射气积累缓慢，单天测量3次的γ计数虽增加，但变化不大，可将前3 d测量次数改为一次，以后2～3 d测量一次，共观测38 d。改变原来(前3 d每8 h测量一次，之后的4～8 d每24 h测量一次，以后2～3 d测量一次)的观测方法。这样既不影响参数孔的观测质量，又保证了其它参数孔及地质孔测井工作的顺利完成。

(2) 参数孔封堵后，γ测井提升速度，矿段为2 m/min，穿过矿层后，由于非矿段的γ计数不参与统计计算和趋势分析，参照测井下放速度不大于20 m/min(余水泉等，2005)的规范标准，其它深度段测井提升速度，可由原来的4 m/min提升到10 m/min以上，以便提高测井效率，而并不影响γ状态观测质量。

4　实例检验论证

根据成井工艺及γ状态观测方法的改进建议，结合核工业二〇八大队地勘二处在鄂尔多斯盆地东北部承担的XX年度“内蒙古达拉特旗纳岭沟铀矿床普查”项目的要求，在该地区沙沙圪台和纳岭沟地段中侏罗统直罗组地层施工两个物探参数孔WT-17和WTn-1 (图2)。

图2　WT-17和WTn-1 γ状态观测曲线图Fig.2　γ diagram of the borehole WT-17 and WTn-1

γ状态观测结束后，采用非线性拟合方法对参数孔γ状态观测曲线进行拟合。镭氡平衡系数用物探参数孔状态观测曲线的拟合曲线测量时间t趋于0的极限值与趋于无穷大的极限值之比确定(余水泉等，2008)。

原始状态下裸孔γ测井结果可作为拟合曲线t趋于0的极限值。将γ状态观测最后三次测井结果的平均值可作为拟合曲线t趋于无穷大的极限值。对裸孔γ测井结果应进行冲洗液吸收系数修正，状态观测γ测井结果应进行钢套管和冲洗液吸收系数修正(余水泉等，2008)。

镭氡平衡系数计算如下：

(1) 沙沙圪台地段

WT-17成井后原始γ计数和(矿段面积)

Sum(γ) = 189656，冲洗液修正系数0.809

Sum(γ)修=sum(γ)/0.809=189656/0.809=234432.6

状态观测最后三次γ计数和(矿段面积)的平均值

Sum(γ均) =(169686+170193+170901)/3=170260，

冲洗液、钢套管修正系数0.677 3

Sum(γ均)修=Sum(γ均)/0.6872=170260/0.6773=251380.5

镭氡平衡系数PRa=Sum(γ)修/Sum(γ均)修= 234432.6/251380.5=0.93

矿心镭含量分析结果与γ测井解释结果对比计算的镭氡平衡系数为0.90

该地段铀矿体(带)镭氡平衡系数的算术平均值为0.95

(2) 纳岭沟地段

WTn-1成井后原始γ计数和(矿段面积)

Sum(γ)= 31102，冲洗液修正系数0.791

Sum(γ)修=sum(γ)/0.791=31102/0.791=39319.9

状态观测最后三次γ计数和(矿段面积)的平均值

Sum(γ均)=(29563+29655+29903)/3=29707

冲洗液、钢套管修正系数0.687 2

Sum(γ均)修=Sum(γ均)/0.6872=29707/0.6872=43229.05

镭氡平衡系数PRa=Sum(γ)修/Sum(γ均)修=39319.9/43229.05=0.91

矿心镭含量分析结果与γ测井解释结果对比计算的镭氡平衡系数为0.89

该地段铀矿体(带)镭氡平衡系数的算术平均值为0.92

根据参数孔的计算结果，获取沙沙圪台和纳岭沟地段单孔的镭氡平衡系数分别为0.93和 0.91，与矿心分析与γ测井解释结果计算出的镭氡平衡系数(0.90和0.89)比较接近。与对应两地段参数孔的平均计算值(0.95和0.92)相差甚小。说明改进的方法是成功的、可行的。

以上结论为两物探参数孔的作业成果，氡射气积累趋势见图2，γ检查观测结果及计算误差都符合设计和规范要求。通过优化参数孔的建井工艺和观测方法，提高了工程质量，缩短了建井和测井时间，既完成了项目的生产任务，又结合研究课题验证了技改的合理性和可行性。

5　结论

物探参数孔是地浸砂岩型铀矿普查、详查、铀矿床开采工作的重要组成部分，对于参数孔建井工艺和测井技改的研究，文中列举了针对建井环节中的扩孔方式、钢套管底部封堵方法、测井观察次数和测井速度等存在的问题和不足，在原来成熟经验的基础上，提出改变扩孔顺序、改进底部封堵工艺、减少前期γ状态观测次数和提升非矿段测井速度的技改措施，防止原来成井时对变径止水段的破坏，避免了重复封堵或封堵效果不佳的情况出现，也弥补了部分地段特殊底板封堵难的问题，既简化了参数孔的封堵工序，也扩大了今后参数孔设计的选址范围，同时也提高了测井效率。在一定程度上解决了在物探参数孔施工中遇到的新问题，取得了工艺改进预期的效果，达到了节能增效的目的。并通过实例成井任务的检验活动，验证了技改的合理性和可行性。值得在今后的工作中借鉴和推广。

另外，影响建井质量的因素还有很多，如钻探地层结构、矿体埋深、钻井设备、钻探工艺、配套材料、施工效率等，这些都需要在实践工作中逐步优化和完善，并建立科学合理的准入制度，使物探参数孔的成井工艺和技术更加系统化、专业化和规范化，能更好地为铀矿地质事业服务。