受控定向鉆探技術(shù)在科鉆施工中的應(yīng)用

蔡正水

摘 要：本文主要闡述了受控定向鉆探技術(shù)在科鉆施工中的應(yīng)用，結(jié)合工程實(shí)例，重點(diǎn)介紹了人工孔底的建造方法、鉆孔側(cè)鉆的施工程序，總結(jié)了螺桿鉆造斜的技術(shù)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：受控定向鉆探；封孔；側(cè)鉆；螺桿

目前，鉆探技術(shù)仍是地殼探測(cè)工程唯一有效的證實(shí)手段。我國(guó)科學(xué)鉆探與固體礦床勘探孔深很多已超過(guò)3000m。隨著鉆孔深度的增加，出現(xiàn)了一系列難以預(yù)料的孔內(nèi)施工難題?？變?nèi)事故的處理（繞障）、鉆孔軌跡的控制、油氣田的增產(chǎn)以及危機(jī)礦山的救治都離不開(kāi)受控定向鉆探技術(shù)。

本文著重介紹封孔側(cè)鉆技術(shù)在南嶺NLSD-1科鉆孔中的實(shí)際應(yīng)用。由于該孔地層強(qiáng)促斜，鉆孔頂角自然上漂造斜率5～8°/100m，為滿足科鉆質(zhì)量要求，必須采取糾偏措施，以及為保證特殊地層巖心采取率，某些孔段采取被迫先取心后封孔側(cè)鉆糾正鉆孔軌跡的方法。本科鉆孔利用了5LZ73、YL65、YL54系列螺桿鉆、LHE-2000隨鉆定向儀、FYD-2200全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)等機(jī)具。在南嶺NLSD-1科鉆孔中，共進(jìn)行了三次側(cè)鉆及96次造斜（糾偏），收到滿意效果，在地層極其復(fù)雜的情況下鉆孔能夠保持正常施工?？梢哉f(shuō)，受控定向鉆探是大陸深部探測(cè)不可缺少的輔助手段之一。

1 受控定向鉆探在南嶺NLSD-1科鉆孔中的應(yīng)用

南嶺NLSD-1科鉆孔位于江西省贛州市于都縣銀坑鎮(zhèn)銀坑礦田內(nèi)，是由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)承擔(dān)的《華南于都?—贛縣礦集區(qū)科學(xué)鉆探選址預(yù)研究》3000m科學(xué)鉆探工程任務(wù)。

該孔設(shè)計(jì)孔深3000m；鉆孔設(shè)計(jì)開(kāi)孔頂角0°；鉆孔終孔直徑≥Φ76mm（實(shí)際終孔口徑Φ97mm）；鉆孔彎曲度﹤1°/100m。該孔共進(jìn)行了三次側(cè)鉆，本文以第三次側(cè)鉆為例詳細(xì)介紹封孔側(cè)鉆的施工工藝、特點(diǎn)及注意事項(xiàng)。

1.1 封孔側(cè)鉆主要原因

1683.34～1764.36m孔段，為長(zhǎng)孔段連續(xù)煤系地層。由于該孔段地層膠結(jié)性差，軟、硬互層，構(gòu)造破碎，且鉆遇大量煤線，因而地層穩(wěn)定性較差，鉆孔易產(chǎn)生坍塌、縮徑、巖層錯(cuò)動(dòng)、孔斜超差等情況。因地層原因而造成如下問(wèn)題：

（1）鉆孔頂角上漂而需造斜糾偏；

（2）為保證重要孔段巖心采取率造成的鉆孔軌跡的嚴(yán)重偏離，需封孔側(cè)鉆。

為此，經(jīng)項(xiàng)目部研究決定封孔側(cè)鉆，得到課題組批準(zhǔn)后，開(kāi)始具體實(shí)施。

1.2 封孔側(cè)鉆施工工藝流程

封孔→（透）清孔→磨平孔底→校正孔深→孔斜測(cè)量→定向安裝角確定→造斜鉆頭選擇及螺桿鉆地面試驗(yàn)→地面定向→消除裝和差→下鉆至預(yù)定孔深位置→孔底定向→安裝反扭矩裝置→螺桿鉆啟動(dòng)→造斜鉆進(jìn)→隨鉆監(jiān)測(cè)→造斜段延伸→提鉆→穩(wěn)斜鉆進(jìn)→擴(kuò)孔。

1.3 建造人工孔底（封孔）

人工孔底的建造質(zhì)量關(guān)系到側(cè)鉆成敗，必須十分重視。

根據(jù)地層巖性及孔斜情況，側(cè)鉆起始點(diǎn)最佳位置在孔深1580.00～1584.00m孔段。因此計(jì)劃水泥封灌孔段：1570.00～1750.00m，計(jì)180m。

1.3.1 灌漿前準(zhǔn)備工作

（1）干水泥用量計(jì)算

灌注前Φ97mm口徑孔深1750.89m，超徑系數(shù)選1.2，水灰比按0.45；需灌注孔段水泥漿體積計(jì)算：0.785*0.097*0.097*180*1.2≈1.59538m3；干水泥用量為：1.59538/0.83≈1.922（噸），實(shí)際采購(gòu)2.0噸干水泥。

（2）替漿水計(jì)算

為保證灌漿質(zhì)量及鉆桿安全，采用兩段式灌漿方法，替漿水分段計(jì)算。

第一次替漿水計(jì)算：必須能完全排空Φ71mm繩取鉆桿內(nèi)容積，Φ71m鉆桿內(nèi)徑0.058m，總長(zhǎng)度1558m（1750-Φ50mm鉆桿192m=1558m）--0.785*0.058*0.058*1558+0.1（地面管線損失）=4.21m3；

第二次替漿水計(jì)算：0.785*0.058*0.058*（1558-90）+0.1=3.98m3；

（3）水泥及處理劑準(zhǔn)備

干水泥用量：P.O42.5普通硅酸鹽水泥2.0噸；

三乙醇胺用量（0.1℅）：2.0kg；

NaCl用量（1℅）：20.0kg；

清水用量：900kg（0.45*2.0=0.9噸）；

早強(qiáng)劑用量（3℅）：60kg；

性能：水灰比0.45，水泥漿比重1.83g/m3。

（4）設(shè)備、機(jī)具準(zhǔn)備

鉆機(jī)、水泵檢查及更換易損件：鉆機(jī)性能狀態(tài)保持良好；更換水泵皮碗、封水圈等；準(zhǔn)備灌漿器具、灌漿鉆桿、工具、接頭；水泥漿攪拌設(shè)備檢查及清理；泥漿池、灌漿池清理；清水供應(yīng)系統(tǒng)檢查等。

1.3.2 水泥漿配制方法

材料基本加入次序：清水—干水泥—早強(qiáng)劑—食鹽溶液—三乙醇胺。

向攪拌桶內(nèi)加入225.00kg清水（每次加量由攪拌桶容積決定）—均勻倒入0.5噸干水泥—加入15kg早強(qiáng)劑—（水泥攪勻無(wú)團(tuán)塊后）加入5kg食鹽融化的溶液—加入0.5kg三乙醇胺—攪勻后放入灌漿池—重復(fù)以上程序再配一攪拌桶放入灌漿池—等待灌注。

1.3.3 水泥漿灌注

操作人員分工及崗位安排：分供水崗、統(tǒng)計(jì)測(cè)量崗、水泥漿配制崗、泥漿泵崗、司鉆崗、孔口崗、塔上崗等，并有專人指揮。

（1）漿管線級(jí)配（自下而上）

螺旋側(cè)噴式孔底灌漿器長(zhǎng)度0.80m—Φ50mm鉆桿10立根計(jì)191.20m—Φ71mm繩取鉆桿—主桿—水龍頭—2.0吋高壓膠管—泥漿泵。

（2）水泥漿灌注方法及過(guò)程

第一次灌漿：

①灌漿器下至孔深1750m處，泵入前置液2.0方（用清水）；

②泵送由1.0噸干水泥配制的水灰比0.45的水泥漿；

③泵入后置液0.1方（用清水）；

④泵入替漿水（用稀泥漿）4.21方；

⑤替漿完畢，提5立根Φ71mm鉆桿，至孔深1658米處，用稀泥漿沖鉆桿內(nèi)壁。

第二次灌漿，重復(fù)以上程序，替漿完畢，再提6立根，沖孔，提大鉆。

1.3.4 水泥候凝及封孔質(zhì)量檢查

灌注8h后即可沖浮灰，配Φ97mm透孔鉆具下鉆沖掃浮灰至孔深1570.12m處，水泥能承受鉆具重量，但回轉(zhuǎn)進(jìn)尺較快，沖孔換漿除渣，有水泥渣返出，確定水泥已凝固，但結(jié)石強(qiáng)度太低，提鉆候凝。48h后下Φ97mm取心具，取水泥心檢驗(yàn)水泥結(jié)石情況，以便確定側(cè)鉆時(shí)間。經(jīng)對(duì)取出水泥心分析，可以開(kāi)始進(jìn)行側(cè)鉆工作。因1580～1584m為較佳側(cè)鉆地層，決定在此孔段側(cè)鉆。Φ97mm取心鉆進(jìn)至1579.44米后，提鉆，下Φ97mm磨孔鉆具沖掃孔，孔底磨平干凈后提鉆，準(zhǔn)備造斜。

1.4 螺桿鉆側(cè)鉆施工

側(cè)鉆鉆具級(jí)配（自下至上）：造斜鉆頭—螺桿鉆配1.0度彎外管—1.0度彎接頭—Φ71mm無(wú)磁鉆桿3.0m—Φ71mm繩取鉆桿—Φ89mm主動(dòng)鉆桿—水龍頭—地面管線。

1.4.1 定向方法

①地面定向，消除裝和差。

②孔內(nèi)定向：螺桿鉆定向安裝角以糾方位為主兼降頂角，定向儀器反復(fù)提放三次，誤差小于2度，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象，安裝反扭裝置，準(zhǔn)備側(cè)鉆鉆進(jìn)。

1.4.2 側(cè)鉆鉆進(jìn)操作

第一次入孔鉆具級(jí)配：Φ75mm肋骨式電鍍不取心造斜鉆頭—YL54螺桿鉆配1.0度彎外管—1.0度彎接頭—Φ71mm無(wú)磁鉆桿—Φ71mm繩取鉆桿。定向安裝角169.4°。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓500～1000kg，泵量194L/Min，泵壓1.6Mpa。首回次側(cè)鉆純鉆時(shí)間15h，側(cè)鉆孔段1579.44～1581.70m，進(jìn)尺2.26m，鉆頭順老孔孔壁跑，因YL54螺桿鉆具剛性差，首回次側(cè)鉆效果不明顯。

第二次入孔鉆具級(jí)配：Φ75mm外肋骨式電鍍不取心造斜鉆頭—YL65螺桿鉆（1.0度彎外管）—1.0度彎接頭—Φ71mm無(wú)磁鉆桿3.0m—Φ71mm繩取鉆桿。螺桿鉆定向安裝角148°。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓1000～1500kg，泵量149L/Min，泵壓2.0Mpa。純鉆時(shí)1240min，側(cè)鉆孔段1581.70～1584.48m，計(jì)2.78m，孔口有巖粉返出，側(cè)鉆有效果。余尺鉆完，加桿再定向繼續(xù)造斜，定向安裝角148°，進(jìn)尺0.35m后泵壓高至8Mpa，確認(rèn)鉆頭損壞，停泵提鉆。側(cè)鉆孔段1584.48～1584.83m，純鉆時(shí)2h。第三次入孔鉆具級(jí)配：Φ75mm電鍍?nèi)⌒氖皆煨便@頭—YL65螺桿鉆（1.0度彎外管）—Φ71mm無(wú)磁鉆桿3.0m—Φ71mm繩取鉆桿。定向安裝角148°。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓1000～1500kg，泵量149L/Min，泵壓2.0Mpa，純鉆時(shí)16h，孔段1584.83～1587.68m，計(jì)2.85m。余尺鉆完加桿定向繼續(xù)造斜。工具面角155.8°，鉆壓、泵量、泵壓同上，進(jìn)尺至孔深1589.90m時(shí)泵壓升至3.5～4.0Mpa，進(jìn)尺變慢，疑鉆頭損壞，提鉆檢查，有2.0m小巖心，鉆頭內(nèi)孔堵塞。側(cè)鉆孔段1587.68～1589.90m，計(jì)2.22m，純鉆時(shí)580min。

側(cè)鉆有效進(jìn)尺孔段1582.26～1589.90m，計(jì)7.64m，新孔已完全形成。

1.4.3 穩(wěn)斜鉆進(jìn)及擴(kuò)孔

側(cè)鉆成功后，用帶三扶正器鉆具進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)3～5m，以延伸造斜效果，保證鉆孔圓滑。擴(kuò)孔時(shí)擴(kuò)孔鉆具必須帶下導(dǎo)向的。

2 受控定向鉆探用于側(cè)鉆施工的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 造斜工具的選擇

根據(jù)孔深、孔徑、巖石硬度、鉆孔傾角大小、孔壁穩(wěn)定性、鉆桿、設(shè)備以及鉆探工藝等條件進(jìn)行螺桿鉆選擇。深孔造斜需考慮螺桿鉆具的背壓、額定鉆壓及密封。螺桿鉆外徑必須小于兩級(jí)鉆孔直徑。視鉆孔傾角及地層促斜情況，使用雙彎螺桿鉆或單彎螺桿鉆。造斜件可以是彎外管或彎接頭，或是兩者組合（雙彎）。為增加造斜強(qiáng)度，可用雙彎組合或彎外管處補(bǔ)焊背板。深孔造斜不提倡單獨(dú)使用彎接頭。側(cè)鉆施工，通常采用1.5°彎外管或1.0°彎接頭與1.0°彎外管組合。繩索取心鉆孔，彎外管以1.0°為宜。螺桿鉆定向接頭內(nèi)徑要保證斜口引鞋的順利通過(guò)。由于螺桿鉆多與磁性定向儀器配套使用，因此，必須配備3～6m無(wú)磁鉆桿用于安裝磁性定向儀。

2.2 造斜鉆頭的選擇

宜選用外刃鋒利的全面或中心孔式電鍍?cè)煨便@頭。中心孔需加強(qiáng)保徑，鉆頭旁側(cè)或分水接頭處對(duì)稱打兩個(gè)Φ6～8mm向下斜孔，以降低泵壓。鉆頭內(nèi)有巖心藍(lán)裝置。首回次側(cè)鉆宜選用鋒利的帶外肋骨的金剛石造斜鉆頭，鉆頭金剛石胎體面積等于鉆頭底面1/4為宜。鉆頭水口布局合理，外側(cè)刃圓弧度要小。為檢驗(yàn)側(cè)鉆效果，可選擇中心孔式可取小巖心的造斜鉆頭。

2.3 造斜工具安裝角的確定與調(diào)整

首回次側(cè)鉆時(shí)造斜工具安裝角為90°+反扭轉(zhuǎn)角。有小巖心時(shí)，轉(zhuǎn)為常規(guī)定向方式。按計(jì)算或畫圖所得結(jié)果，適當(dāng)考慮反扭轉(zhuǎn)角即可。

表1為該孔中隨鉆實(shí)測(cè)的不同孔深的反扭轉(zhuǎn)角。

3 螺桿鉆造斜的操作方法及注意事項(xiàng)

3.1 螺桿鉆的操作方法

螺桿鉆造斜鉆進(jìn)操作方法及程序如下：準(zhǔn)備合格的孔底及沖洗介質(zhì)→選造斜鉆頭→螺桿鉆地面試驗(yàn)→地面定向→入孔至預(yù)定位置→孔底定向→安裝反扭矩裝置→螺桿鉆啟動(dòng)→螺桿鉆造斜鉆進(jìn)（可定時(shí)錄樣）→造斜結(jié)束→提鉆或加桿定向連續(xù)造斜→卸鉆頭→檢查彎外管及鉆頭磨損情況→分析小巖心→分析造斜效果→反轉(zhuǎn)分水接頭，清洗并放凈螺桿鉆內(nèi)積液→檢查、保存螺桿鉆以備下次使用→造斜回次完畢。

3.2 螺桿鉆側(cè)鉆造斜操作注意事項(xiàng)

（1）定向時(shí)檢查并記下儀器檢驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（2）鉆前應(yīng)掃清孔內(nèi)障礙物，孔底應(yīng)用專用磨孔鉆頭修平；

（3）泥漿含砂量小于0.1℅，黏度小于25s；

（4）下鉆時(shí)鉆桿絲扣涂抹絲扣油并擰緊絲扣；

（5）下鉆時(shí)不要過(guò)快，以防因旁通閥堵塞造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)螺紋脫扣和巖粉刺壞發(fā)動(dòng)機(jī)，或螺桿鉆搗在鉆孔超徑或探頭石處損壞螺桿鉆及造斜鉆頭；

（6）造斜鉆進(jìn)中注意觀察泵壓表，壓力不穩(wěn)時(shí)，提起螺桿鉆停泵再次試啟動(dòng)，無(wú)效時(shí)提鉆檢查；

（7）螺桿鉆工作正常，泵壓穩(wěn)定但不進(jìn)尺或進(jìn)尺極慢，巖石也無(wú)變化，需提鉆換鉆頭，不要盲目加壓；

（8）造斜鉆進(jìn)時(shí)不得隨意提動(dòng)鉆具，以免改變螺桿鉆工具面向角，如遇特殊情況，處理完畢后重新定向，再進(jìn)行造斜鉆進(jìn)；

（9）造斜點(diǎn)、段必須選擇中硬以下巖層，避開(kāi)失穩(wěn)孔段及有特殊巖心取心率要求的地層；

（10）側(cè)鉆施工必須重視人工孔底的建造質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

受控定向鉆探是保證深孔鉆進(jìn)成功的重要手段，也是處理孔內(nèi)復(fù)雜事故的有效手段。雖然受控定向鉆探自20世紀(jì)30年代即已出現(xiàn)，發(fā)展到現(xiàn)在技術(shù)及機(jī)具已相當(dāng)完備，但其應(yīng)用于深孔，特別是小口徑深孔方面，經(jīng)驗(yàn)不足，尚有待進(jìn)一步研究。

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（作者單位：安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)，探礦工程技術(shù)研究所）