定向鉆進技術在礦山注漿中的應用

趙曉明

(華北有色工程勘察院有限公司)

定向鉆進技術在礦山注漿中的應用

趙曉明

(華北有色工程勘察院有限公司)

為減少深部注漿鉆探工作量、縮短施工工期，將定向鉆進技術引進到礦山注漿領域。在原來主孔的基礎上進行定向分支孔施工，分定向階段、造斜階段、斜孔鉆進、降斜階段和直孔鉆進5個階段完成，最終進入設計靶域，完成注漿施工；定向分支孔減少了上部非注漿段大部分輔助鉆探工作量，并達到了設計靶域，保證了注漿效果。采用定向鉆進技術大大減少了礦山投資，加快了礦山建設，為礦山早日投產提供了有力的保障。

定向鉆進技術 鉆壓 分支孔

70—80年代，隨著我國的改革開放，研究、引進和開發(fā)受控定向鉆進技術取得了巨大的發(fā)展，利用地層自然彎曲規(guī)律鉆孔和采用人工強制手段改變鉆孔軌跡等技術迅速發(fā)展起來，鉆探和鉆井工程由過去的被動防斜轉變?yōu)橹鲃尤斯た刂?，實現了鉆探史上的一次飛躍[1]。

定向鉆進技術是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設計要求鉆進到預定目標的一種鉆進方法[2]。利用定向鉆進技術可進行鉆孔局部糾偏、局部孔段按設計軌跡定向鉆進或全孔按設計軌跡定向鉆進[2]，在石油、天然氣、探礦和井下救援、防護等領域得到了廣泛的應用。隨著礦山注漿技術的發(fā)展，為了加快礦山的建設，減少資金投入，定向鉆進技術也得到了進一步應用。

1 工程概況

某鐵礦位于河北省沙河市白塔鎮(zhèn)西南，目前正處于基建期。礦體圍巖為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，透水性較強；礦區(qū)基底為燕山期火成巖，與石灰?guī)r接觸帶附近普遍發(fā)育著厚層矽卡巖化破碎地層，破碎帶受開掘擾動后極易導通上部灰?guī)r地下水，造成工作面突水，而中奧陶系石灰?guī)r裂隙水就是礦坑的主要充水水源。為了保證溜破系統(tǒng)工作面正常施工，采用地表預注漿的施工方法治理地下水。

本溜破系統(tǒng)由溜井、破碎硐室和下部礦倉組成，各部分的注漿頂底板標高相差較大(表1)，由于破碎硐室和下部礦倉埋深較大，采用直孔鉆探施工會造成上部大量非注漿段的輔助鉆探工作量，增加成本。因此，采用直孔與“S”型定向分支孔相結合的方式施工，即每個直孔分出2個“S”型定向分支孔(圖1)。

表1 溜破系統(tǒng)注漿頂底板

圖1 注漿孔孔位布置

2 “S”型定向分支孔施工

定向分支孔鉆進過程主要分為5個階段：定向、造斜、斜孔鉆進、降斜及直孔鉆進階段。

2.1 定向階段

定向階段在所有環(huán)節(jié)中最為重要，它關系著定向孔傾斜段能否最終到達設計靶心位置。以12#分支孔為例，由5#直孔向12#孔進行定向分支，分支段長160 m，孔距為7.5 m。

在選擇分支點位置時，主要遵循以下原則：選擇巖石較軟孔段，鉆孔頂角小，盡量不大于5°。通過地層情況可知，361.93～391.43 m為矽卡巖化破碎帶，且通過已完工的5#鉆孔測斜資料可知，390 m 位置處鉆孔頂角較小，為0.77°。綜上所述，390 m位置作為分支點是最合適的。

分支孔施工采用螺桿鉆具與JDT-6型陀螺測斜儀，為便于后期螺桿鉆具造斜，在螺桿鉆具上部使用一根具有一定彎度的鉆桿(圖2)。

圖2 具有一定彎度的鉆桿(單位：mm)

2.2 造斜階段

在螺桿鉆具定位完成后，進入造斜階段。利用BW-850泥漿泵提供液體沖擊壓力，5LZ146螺桿鉆馬達轉動，從而帶動φ190 mm牙輪鉆頭；利用鉆桿和鉆鋌自身重量提供鉆壓。

在造斜階段，泵壓及鉆壓控制至關重要，泵壓是牙輪鉆轉動的動力來源，鉆壓大小反作用于牙輪鉆。在相同的泵壓下，鉆壓大，則牙輪轉速變小，相反則變大。

造斜時，首先應控制泵壓，本孔泵壓控制在3.5 MPa 左右；在保證不憋壓的同時，鉆頭能夠與巖壁摩擦造斜，這就使得鉆壓相對鉆進而言要足夠小(一般為4～16 kN壓力)。

由于5#孔為直孔，在完成下部施工后,用水泥封堵至分支位置，進行12#孔定向分支施工。在本階段鉆進過程中，發(fā)現孔內返出的巖粉為水泥和閃長巖顆粒的混合物；與此同時增大鉆壓，鉆探進尺變緩慢，初步判定造斜成功。

2.3 斜孔鉆進

在斜孔鉆進時，應根據地層情況適時改變鉆壓；本孔鉆遇矽卡巖化破碎帶時，使用鉆壓為40 kN；遇蝕變閃長巖時，使用鉆壓45 kN，泵壓控制在3.5 MPa 左右。

定向分支斜孔鉆進過程中，20～30 m測斜一次，隨時掌握鉆孔軌跡變化情況，及時調整軌跡。

12#孔分支位置位于390 m，在500 m左右進行降斜，預計頂角為4°左右，390 m分支處初始頂角為0.77°，偏距為2.09 m，在首次造斜后鉆進20 m左右，通過測斜發(fā)現鉆孔頂角為3.95°，達到了預期目的。12#孔通過一次造斜達到偏距要求(圖3)。斜孔鉆進過程中，如頂角不理想，可在螺桿鉆具彎曲處墊一鐵板增加頂角度數。

圖3 鉆孔一次造斜軌跡

2.4 降斜階段

在降斜階段，應盡快降低頂角，當鉆進到注漿段孔深時，鉆孔在設計靶域范圍內的理想頂角應為0°，鉆孔垂直進入注漿段。降斜定向過程與造斜定向過程類似，不同的是在轉動螺桿鉆具時應多轉180°。12#分支孔于500 m左右降斜，頂角為3.11°，通過80 m降斜距離，頂角為2.56°，此時進入設計靶域，經過50 m的鉆進后，繼續(xù)降斜施工。

2.5 直孔鉆進

降斜完成后即進入直孔鉆進階段，直孔鉆進主要在注漿段。鉆進時，主要依靠鉆鋌及鉆桿自重給足鉆壓。根據現場地層，鉆壓基本為40 kN，在提高鉆壓的前提下，加快轉速，使其能夠盡量確保垂直，保證鉆孔軌跡在設計靶域內。

3 定向分支孔的鉆探參數

在分支孔施工過程中，參數控制相當重要，其決定著定向分支孔的成敗。不論造斜、降斜，還是斜孔、直孔鉆進，泵壓、鉆壓是施工中必不可少的工作參數。針對本工程所處地層，從施工過程中總結出的鉆探工作參數(表2)可以看出，在破碎地層中造斜段鉆壓最小，其次為完整地層中降斜階段，鉆進時鉆壓最大，保持在40 kN左右，而泥漿泵流量和泵壓變化不大。不同地層的鉆探施工參數是不同的，以上鉆探參數僅使用于本工程所處矽卡巖破碎帶和蝕變閃長巖地層，與其巖性相近的地層可參考使用。

表2 地層與分支孔控制參數對照

4 結 論

本工程采用直孔和分支孔相結合的施工工藝，在不同的地層中進行定向造斜施工，獲取了大量的鉆探參數，為不同地層定向分支孔施工積累了寶貴的經驗。同時，分支孔施工減少鉆探投資約300萬元，縮短工期約30 d，大大減少了礦山投資，加快了礦山建設，為礦山早日投產提供了有力的保障。

[1] 江天濤，馮士安.受控定向鉆探技術[M].北京：地質出版社，1994.

[2] 周興旺，高崗榮，薄志豐，等.注漿施工手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2014.

2015-05-05)

趙曉明(1979—)，男，工程師，050021 河北省石家莊市。