陀螺儀定向糾斜法在中關(guān)鐵礦區(qū)的應(yīng)用實踐

王扶志,張心劍,仝在平

(1.秦皇島華勘地質(zhì)工程有限公司,河北秦皇島 066013;2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊,河南鄭州 450016;3.秦皇島天元 515鉆探工程有限公司,河北秦皇島 066013)

陀螺儀定向糾斜法在中關(guān)鐵礦區(qū)的應(yīng)用實踐

王扶志1,張心劍2,仝在平3

(1.秦皇島華勘地質(zhì)工程有限公司,河北秦皇島 066013;2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊,河南鄭州 450016;3.秦皇島天元 515鉆探工程有限公司,河北秦皇島 066013)

中關(guān)鐵礦是 20世紀 60年代中期探明的儲量為 9300萬 t的礦區(qū),因地下水位埋藏深,排水難度大,為防止開采成本大和影響生態(tài)環(huán)境,決定采用帷幕灌漿方法解決治水問題。帷幕灌漿工程的試驗孔對鉆孔垂直度要求很高,全孔段孔斜不能大于 2 m,防斜、糾斜成一大難題,實踐中摸索出陀螺儀定向糾斜法并獲得成功。

帷幕灌漿試驗孔;陀螺儀定向糾斜;活楔子;螺桿鉆糾斜;鉆孔垂直度;中關(guān)鐵礦

1 工程概況

中關(guān)鐵礦是 20世紀 60年代中期探明的儲量為9300萬 t的礦區(qū),因地下水位埋藏深,排水難度大,為防止開采成本大和影響生態(tài)環(huán)境,國家做出暫時限采的決定。邯鋼集團公司為解決鐵礦原料緊缺問題,提出開采中關(guān)鐵礦,并決定采用帷幕灌漿方法解決治水問題。

從 2005年開始,我單位先后承擔(dān)了該帷幕灌漿工程的試驗孔、注漿孔、加密孔、檢查孔等多個鉆孔的鉆進任務(wù)。由于中關(guān)鐵礦地質(zhì)條件、水文條件的特殊性和復(fù)雜性,對技術(shù)要求很高,在鉆探方面,由于鉆孔深度大,最深達 1100 m,而且對鉆孔垂直度要求也很高,全孔段孔斜不能超過 2 m,防斜、測斜、糾斜成一大難題。我單位通過不斷的實踐和探索,逐步形成了一套完整的、實用的、可行的防斜、糾斜工藝。

盡管在施工中采取了鉆機的安裝要水平牢固、開孔粗徑鉆具要隨孔深的延伸而增加、增強鉆具的導(dǎo)向和穩(wěn)定性、采用合理的鉆進工藝及操作方法等等多種技術(shù)措施,但由于施工地層過于復(fù)雜,軟硬地層變化頻繁,在鉆進過程中還是不可避免的出現(xiàn)各種不同程度的孔斜情況,要想完成鉆孔的設(shè)計要求,就必須對鉆孔進行糾斜。

2 試驗使用的主要設(shè)備及特殊工具

現(xiàn)場試驗使用的主要設(shè)備和工具有:XY-44型、XY-4型、XY-5型巖心鉆機,250型泥漿泵,1715 m鉆塔,JDT-6型防磁陀螺測斜儀及陀螺測斜定向儀,5LZ65X7.0型螺桿鉆具,活楔子等。

3 幾種糾斜方法及比較

3.1 普通活楔子糾斜

在以前的地質(zhì)找礦小口徑鉆探中經(jīng)常使用普通活楔子糾斜,并且比較成熟。地質(zhì)找礦小口徑鉆探糾斜時,只是在偏離勘探線較大時才采取糾斜措施,糾正后,只要能向相反方向回歸即可,不需增加偏距就可滿足要求,精度差。而本次帷幕灌漿孔要求整個孔段任何一點都不能超過 2 m半徑,因此要求下楔子時一定要下精確,才可能滿足要求。經(jīng)過分析,地表母線法楔子定位不可取,這種方法不能使用。

3.2 螺桿鉆糾斜

3.2.1 螺桿鉆糾斜試驗過程

螺桿鉆糾斜在石油鉆探、煤田鉆探、定向井施工中應(yīng)用極為廣泛,并取得了相當成熟的經(jīng)驗,為此,我們試驗了此方法。購買了 5LZ65X7.0型螺桿鉆具一套,其中鉆頭外徑為 65 mm,造斜角度為 115°,當把鉆具下入孔底進行導(dǎo)斜時,按照正常鉆進參數(shù)鉆進 5 h后,發(fā)現(xiàn)并沒有明顯的有效進尺,上鉆后,觀察鉆頭胎體無磨損,說明螺桿鉆在孔底沒有有效工作。螺桿鉆不工作原因有二,其一為水量和水壓不足;其二為鉆具本身定子、轉(zhuǎn)子之間無相對運動。檢查后,鉆具完好,只能判斷是水量和水壓不足。

再次下鉆,將水量調(diào)整為 96 L/min,鉆壓 20 kN,鉆進 4 h后仍無進尺,最后將鉆壓調(diào)至 40 kN也無效果。提鉆至地面,進行通水實驗,螺桿鉆轉(zhuǎn)動正常。鉆頭無磨損,只是被沖洗液沖刷得很光亮,說明螺桿鉆在孔內(nèi)還是沒有有效工作。此法不可用。

3.2.2 螺桿鉆不能有效工作原因分析

螺桿鉆在施工較大口徑時,如石油鉆探、煤田鉆探、定向井等其口徑都在 “130 mm以上,而使用的鉆桿是 “73 mm或 “89 mm,井壁間隙很大,沖洗液上返速度較慢,對螺桿鉆的上浮和反作用力較小,鉆機作用力能較大程度的作用于鉆頭上,使鉆頭能有效的刻取巖石,完成鉆進目的。而小口徑中,如 “75 mm鉆頭使用 “71 mm鉆桿,孔壁間隙極小,沖洗液在環(huán)狀間隙上返速度很大,使得對螺桿鉆的上浮力和反作用力較大,真正作用到鉆頭上的力并不大,不足以刻取巖石,取得不了好的碎巖效果。

3.3 陀螺儀定向糾斜法

采用陀螺儀定向糾斜法,即在傳統(tǒng)的利用偏心楔子糾斜的基礎(chǔ)上,配合采用了陀螺儀的精確定向來實現(xiàn)糾斜。

3.3.1 活楔子

3.3.1.1 楔子的設(shè)計與制作

一個完整的偏心楔一般由 2部分組成——楔體、連接裝置。

3.3.1.1.1 楔體

楔體是一端帶有導(dǎo)斜槽的圓柱形鋼體,是偏心楔起偏斜作用的主體結(jié)構(gòu)部分。偏心楔有 3個結(jié)構(gòu)要素 (圖 1):楔頂角、楔體直徑與楔面 (斜槽面)直徑、楔面長度。

圖 1 楔體示意圖

(1)楔頂角φ:楔體導(dǎo)斜槽偏離楔體中心線的偏角,也是其改變鉆孔軸線的全彎曲角。設(shè)計與加工制作楔體時,為保證楔體正常發(fā)揮作用,避免鉆孔軸線急劇彎曲角度過大,楔頂角φ一般為 1°～6°,巖層軟、偏斜后鉆進時間不長時φ可取大值,反之,則取小值。

(2)楔體直徑 dT與楔面 (斜槽面)直徑 dM:圓弧型導(dǎo)斜槽面的直徑稱為楔面直徑,圓柱型鋼體的直徑稱為楔體直徑。設(shè)計與加工制作時,楔面直徑 dM一般比偏斜鉆進鉆頭的直徑大 1～3 mm,楔體直徑dT可近似等于或小于鉆孔直徑 1～2 mm。

(3)楔面長度:導(dǎo)斜槽起點至終點的垂直長度l。一般長度 l=115～3 m。

3.3.1.1.2 偏心楔與鉆柱連接裝置

偏心楔上端加工成鉆桿絲扣,這樣便于與鉆桿的連接。

現(xiàn)場設(shè)計使用的活楔子實物如圖 2所示。

圖 2 普通活楔子實物圖

3.3.1.2 楔子的下放與使用

在地表將偏心楔與鉆桿連接穩(wěn)固,慢慢下入距孔底 50～100 mm,使用 JDT-6型防磁陀螺測斜儀定好方位,在地表將整個鉆柱固定牢固。下入小一徑造斜鉆具,進行造斜鉆進。

3.3.2 糾斜的具體做法

(1)測斜確定鉆孔偏斜的方位以及斜度、偏距。

(2)根據(jù)測到的數(shù)據(jù)綜合考慮,制作偏心楔子。

(3)下 “71 mm鉆桿柱到孔底 (制作好的偏心楔子接在鉆桿柱的下面)。

(4)陀螺定向儀定向,確定初始方位角,然后豎直把陀螺儀順 “71 mm鉆桿放入孔底,直到定向探頭進入偏心楔子。

(5)轉(zhuǎn)動鉆桿使陀螺定向角與所要糾偏的角度一致,把陀螺儀提上地面。

(6)在 “71 mm鉆桿內(nèi)下 “42 mm鉆桿 +“56 mm鉆具到孔底,在孔底鉆一個 3～8 m的 “56 mm先導(dǎo)孔。

(7)把孔內(nèi)的鉆桿鉆具全部提到孔外,下帶導(dǎo)正的 “75 mm鉆具擴孔,正常鉆進。

(8)鉆進 10 m左右,測斜檢驗糾斜效果。效果明顯則正常鉆進,不明顯則進行再一次的糾斜工作。

3.3.3 糾斜效果

由于此糾斜方法方便、節(jié)省時間,且糾斜精度高,成功率大,在中關(guān)鐵礦帷幕灌漿鉆探工程中,絕大多數(shù)鉆孔均采用了這種方法,其中 K-3號孔和 K-227號孔的測斜數(shù)據(jù)分別見表 1和表 2;閉合方位角平面圖見圖 3所示。

表 1 K-3號孔陀螺測斜儀測試報告

表 2 K-227號孔陀螺測斜儀測試報告

圖 3 K-3號及 K-227號孔閉合方位角平面圖

從表 1、2及圖 3可以看出,糾斜后偏距逐漸減小,糾斜效果非常明顯,最終均能達到設(shè)計要求。

4 結(jié)語

在中關(guān)鐵礦帷幕灌漿鉆探施工工程中,先后采取了普通活楔子糾斜法、螺桿鉆具糾斜法以及陀螺儀測斜定向糾斜法,最終只有陀螺儀測斜定向糾斜法取得了理想的效果。

普通活楔子簡單易作,楔頂角在地表易控制,精確無誤;JDT-6型防磁陀螺測斜儀及陀螺測斜定向儀隨鉆測斜及定向精準。兩者配合使用既節(jié)約楔子的制作成本,又達到了糾斜準確的目的,取得了較成熟的經(jīng)驗。

[1] 王扶志,等.地質(zhì)工程鉆探工藝與技術(shù)[M].湖南長沙:中南大學(xué)出版社,2008.

[2] 武漢地質(zhì)學(xué)院,等.鉆探工藝學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1981.

[3] 國土資源部人力資源開發(fā)中心.固體礦產(chǎn)鉆探工[M].北京:地質(zhì)出版社,1999.

[4] 向軍文.定向鉆進技術(shù)及其應(yīng)用[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2007,34(9).

Application Practice of Gyroscope DirectionalDeviation Correction in Zhongguan Iron M ine Area

WANG Fu-zhi1,ZHANG Xin-jian2,TONG Zai-ping3(1.Qinhuangdao Huakan Geologic Engineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao Hebei 066013,China;2.Henan ProvincialNon-ferrousMetals Geological andMineral ResourcesBureau No.1 Geological Team,Zhengzhou Henan 450016,China;3.Qinhuangdao Tianyun 515 Drilling Engineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao Hebei 066013,China)

In the mid 1960s,the proven reserve was 93 million tons in Zhongguan iron mine area.Because of the deep groundwater table and difficult drainage,curtain groutingwas adopted forwater control to avoid highmining cost and protect the ecological environment.The curtain grouting has high demand of borehole verticality,hole deviation of thewhole section should not be more than 2 m.Gyroscope directional deviation correction was explored in practice with success.

curtain grouting test hole;gyroscope directional deviation correction;active chock;deviation correction by PDM;borehole verticality;Zhongguan iron mine

P634. 7;TD74

A

1672-7428(2011)06-0040-03

2011-02-23

王扶志(1963-),男(漢族),河北臨西人,秦皇島華勘地質(zhì)工程有限公司教授級高級工程師,探礦工程專業(yè),從事巖心鉆探工作,河北省秦皇島市海港區(qū)北港鎮(zhèn),wang.fuzhi@yahoo.com.cn。