江西城門山礦區(qū)ZKJ4-10孔螺桿定向糾斜技術(shù)

陳克林， 羅康杰， 付寶華， 程洪文

(1.江西有色地質(zhì)勘查一隊，江西 鷹潭 335000； 2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽 六安 237010)

江西城門山礦區(qū)ZKJ4-10孔螺桿定向糾斜技術(shù)

陳克林1， 羅康杰1， 付寶華1， 程洪文2

(1.江西有色地質(zhì)勘查一隊，江西 鷹潭 335000； 2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽 六安 237010)

江西省九江縣城門山礦區(qū)補(bǔ)充勘查項目設(shè)計鉆孔多為超斜孔，鉆孔彎曲度要求高，施工難度大。該礦區(qū)多個鉆孔都面臨著糾斜的難題。本文結(jié)合礦區(qū)深孔ZKJ4-10孔定向糾斜實(shí)例，詳細(xì)介紹了螺桿鉆定向糾斜技術(shù)的工作原理、配套設(shè)備、操作方法及注意事項。通過礦區(qū)鉆孔糾斜效果，總結(jié)了該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及不足，為今后地質(zhì)深孔定向糾斜施工提供了借鑒。

定向糾斜；鉆孔彎曲度；螺桿鉆；城門山礦區(qū)

孔斜問題一直是困擾鉆探施工質(zhì)量的難題，既影響鉆探施工效率，又影響地質(zhì)找礦成果。采用螺桿定向糾斜技術(shù)可對偏斜鉆孔進(jìn)行糾偏，使鉆孔沿預(yù)先設(shè)計的鉆孔軸線鉆達(dá)預(yù)定目標(biāo)，確保鉆孔質(zhì)量，滿足地質(zhì)找礦要求。

1 項目簡介

江西省九江縣城門山礦區(qū)位于九江市南西255°，直距18 km處，屬九江縣城門鄉(xiāng)管轄。項目為城門山銅礦金雞窩銅多金屬礦對接區(qū)補(bǔ)充勘查鉆探施工，自2015年7月開始啟動，設(shè)計鉆孔44個，工作量28990 m。為了保證鉆孔揭穿礦體的入礦角≮30°及受場地影響，礦區(qū)部分鉆孔設(shè)計較斜，其中，最斜孔傾角49°，孔深460 m；傾角60°～75°的鉆孔24個，孔深14390 m；傾角75°～80°的鉆孔8個，孔深5690 m；傾角80°～85°的鉆孔6個，孔深5320 m；傾角85°～90°的鉆孔5個，孔深3130 m。由此可見鉆孔施工難度較大。

礦區(qū)鉆遇地層巖性自上而下為：第四系表土層、灰?guī)r、含燧石結(jié)核灰?guī)r、花崗閃長斑巖、角礫巖、大理巖化灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、含銅黃鐵礦、石英砂巖。主要巖石可鉆性在5～7級，部分硅化巖石可鉆性在10級左右，巖石硬度一般(中硬—硬)，研磨性不強(qiáng)(弱—中)。主要鉆遇地層為灰?guī)r，巖石裂隙發(fā)育，局部漏失、破碎嚴(yán)重；強(qiáng)風(fēng)化帶遇水極易分解，松散剝落，鉆孔易掉塊、坍塌，施工難度大。

2 鉆孔地質(zhì)技術(shù)要求

鉆探施工質(zhì)量不僅要嚴(yán)格遵照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227—2010)六項指標(biāo)，還應(yīng)滿足地質(zhì)技術(shù)要求：鉆孔揭穿礦體時必須滿足終孔偏線距和沿勘探線偏距均不得超過10 m?？梢娿@孔彎曲度要求高，礦區(qū)鉆孔均采取了防斜、保斜、糾斜措施。

3 糾斜鉆孔施工情況

以深孔ZKJ4-10孔為例，開孔傾角70°，方位角148°，設(shè)計孔深950 m，為保證鉆孔彎曲質(zhì)量，該孔采用大口徑保斜，其鉆孔結(jié)構(gòu)為：采用?150 mm普通硬質(zhì)合金鉆具開孔鉆進(jìn)至21 m，遇基巖下?146 mm孔口管，然后采用?130 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至195.90 m，下?127 mm套管封隔炭質(zhì)灰?guī)r，改?110 mm鉆具鉆進(jìn)至492.90 m，下?108 mm套管封隔花崗閃長斑巖，換?95 mm鉆具鉆進(jìn)至629.07 m，下?89 mm套管，最后換?76 mm鉆具鉆進(jìn)至終孔，終孔孔深1009.52 m。

ZKJ4-10孔施工至757.52 m時，測斜方位角為159.5°，用作圖法或計算公式(均角全距法)計算，ZKJ4-10孔鉆孔軸線偏線距太大，繼續(xù)施工無法滿足地質(zhì)技術(shù)要求，須及時采取糾斜措施，為使鉆孔進(jìn)入靶區(qū)，終孔時方位角<142°。

4 螺桿鉆定向糾斜施工工藝

4.1 糾斜工藝選擇

目前國內(nèi)造斜器具主要有偏心楔、LZ連續(xù)造斜器、螺桿馬達(dá)3種，但偏心楔多為固定式偏心楔，同口徑不能連續(xù)造斜，不適用于糾斜工作量大的鉆孔(ZKJ4-10孔糾偏約20°)；LZ連續(xù)造斜器定向不精確，誤差大，而且不適用于深孔造斜；而螺桿鉆具糾斜定向精確，鉆孔軌跡偏斜方向可控，可連續(xù)造斜。3種糾斜器具特性見表1。

礦區(qū)部分鉆孔采用了偏心楔和LZ連續(xù)造斜器糾斜，效果不明顯，且耗時較長，因此ZKJ4-10孔采用螺桿鉆定向鉆進(jìn)技術(shù)糾斜。

表1 常見造斜器具特性

4.2 糾斜設(shè)備

ZKJ4-10孔施工時選用的設(shè)備為XY-44型液壓立軸式巖心鉆機(jī)和BW-250型泥漿泵，糾斜前，根據(jù)鉆孔孔深、孔徑等情況合理選擇適宜的定向糾斜器具，其設(shè)備分別為：(1)4LZ-54-4-直-1.25°型螺桿鉆具；(2)LHE2000型有線隨鉆測斜儀和LHE2025型地質(zhì)絞車；(3)帶導(dǎo)向的?76 mm擴(kuò)孔鉆頭和變徑接手若干；(4)?73 mm粗徑鉆具2 m；(5)電鍍金剛石造斜鉆頭若干。隨鉆時，還應(yīng)配備一根?71 mm無磁鉆桿和專用通纜水龍頭。

4.3 定向糾斜施工工序

螺桿鉆定向糾斜施工的程序是：確定地質(zhì)要求的靶點(diǎn)靶區(qū)→清孔換漿→下入螺桿鉆具→定向→糾斜鉆進(jìn)→擴(kuò)孔鉆進(jìn)→穩(wěn)斜鉆進(jìn)→測斜→繼續(xù)下入螺桿鉆具、定向、糾斜鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、穩(wěn)斜鉆進(jìn)、測斜→達(dá)到地質(zhì)要求的靶點(diǎn)靶區(qū)。

4.4 糾斜前準(zhǔn)備工作

(1)糾斜前，下鉆開泵洗孔，確?？變?nèi)干凈無巖粉，因為螺桿鉆具定、轉(zhuǎn)子間易被巖粉等沉淀物堵塞，容易造成螺桿鉆損壞。洗孔后，清理循環(huán)系統(tǒng)，更換新鮮沖洗液，要求沖洗液含砂量<0.5%，顆粒直徑<0.03 mm，粘度<20 s。

(2)下鉆前，檢查螺桿鉆。將螺桿鉆橫放于地面，用自由鉗固定，傳動軸端墊高，卸下鉆頭往傳動接頭內(nèi)注水，同時用自由鉗順時針旋轉(zhuǎn)傳動軸(站在近鉆頭端面向螺桿鉆看)，對螺桿鉆進(jìn)行清洗。

(3)檢查旁通閥是否完好，用木棒向下壓旁通閥閥芯，從上部向旁通閥注滿水，此時旁通閥兩側(cè)應(yīng)不漏水，然后抽出木棒，閥芯應(yīng)被彈簧彈起復(fù)位，水從側(cè)面各孔流出，即可認(rèn)為正常。

(4)下鉆時，在孔口通泵試轉(zhuǎn)螺桿鉆是否正常工作，下鉆過程中，鉆桿要上緊，每根鉆桿絲扣連接處要纏生膠帶防漏，避免鉆桿漏水引起動力不足。

(5)下鉆時，在孔口通泵試轉(zhuǎn)螺桿鉆，下鉆速度要慢，防止螺桿鉆反轉(zhuǎn)致使螺桿鉆內(nèi)部構(gòu)件松扣或吸入大量巖粉；下鉆過程中，每下100 m,開泵往鉆桿柱內(nèi)注滿水，離孔底還有100 m時，每30 m注一次水，防止巖粉通過旁通閥和鉆頭水眼進(jìn)入螺桿鉆內(nèi)部。

(6)為防止泥漿池內(nèi)沉淀的巖粉吸入螺桿鉆，可將水泵蓮蓬頭用20～60目紗網(wǎng)包裹，并將蓮蓬頭抬高，脫離池底一定高度。

(7)下鉆前，要更換木馬夾持器卡瓦，下鉆時要小心仔細(xì)，杜絕跑管事故發(fā)生。ZKJ4-10孔第二次糾斜下鉆時在孔深600 m左右發(fā)生跑管，直接造成螺桿鉆具(價值3萬多元)損壞，而且停待時間多達(dá)5天。

4.5 定向

ZKJ4-10孔定向系統(tǒng)如圖1所示，LHE2000型有線隨鉆測斜儀的探管穿過鉆桿，進(jìn)入螺桿鉆上方的定向接頭，探管下部的引鞋正好插入定向接頭的定向鍵。在測量時，頂角、方位角、工具面角等參數(shù)傳遞至地面的數(shù)據(jù)處理儀，通過計算并調(diào)整螺桿鉆的工具面角，即可使鉆孔沿著設(shè)計的鉆孔軌跡前進(jìn)。

圖1 定向系統(tǒng)

定向操作步驟如下。

(1)由于定向儀的高邊與螺桿鉆母線存在一定的裝合差，使用前必須進(jìn)行高邊修正。

(2)下螺桿鉆具，下鉆后鉆具應(yīng)離孔底0.2～0.5 m。太低，孔底沉積的巖粉容易堵塞螺桿鉆，無法正常啟動；太高，定向不準(zhǔn)確，影響造斜效果，鉆具放到孔底時，保證機(jī)上余尺至少有3 m。

(3)下隨鉆測斜儀，儀器進(jìn)入螺桿鉆后反復(fù)提拉3～4次，工具面角讀書誤差在5°內(nèi)，方能確定儀器入鍵，然后進(jìn)行定向。

工具面角=理論計算安裝角+反扭角。

①理論計算安裝角公式：

式中：β——理論計算安裝角；Δα——糾斜前后方位改變量；θ1、θ2——分別為糾斜前、后頂角。

②反扭角取決于鉆壓、鉆桿類型和長度、井斜角的大小，使用大規(guī)格螺桿鉆時反扭角大，使用粗鉆桿時反扭角小，是經(jīng)驗值。根據(jù)ZKJ4-10孔鉆遇地層，采用?54mm螺桿鉆具時，?71mm繩索鉆桿反扭角大小為(25°～30°)/1000m。

因此，ZKJ4-10孔在孔深750m造斜只降方位角時，理論安裝角為270°，反扭角估算為20°，因此工具面角為290°。

轉(zhuǎn)動鉆桿，直到隨鉆測斜儀顯示的工具面角讀數(shù)為290°，定向結(jié)束。轉(zhuǎn)動鉆桿時只能正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)容易引起鉆桿回扣。在轉(zhuǎn)動鉆桿時應(yīng)反復(fù)提拉鉆桿，消除鉆桿扭勁，定向才能準(zhǔn)確。

定向結(jié)束后，用油漆做好標(biāo)記，取出隨鉆測斜儀，合上主動鉆桿，不使其發(fā)生轉(zhuǎn)動，最好在主動鉆桿上安裝防反轉(zhuǎn)裝置。

4.6 糾斜鉆具級配和鉆進(jìn)參數(shù)

糾斜鉆進(jìn)過程分造斜鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)和穩(wěn)斜鉆進(jìn)3道工序，各工序鉆具組合見表2。

表2 鉆孔糾斜各工序鉆具組合

4.6.1 造斜鉆進(jìn)

(1)鉆壓：定向成功后啟動水泵，將鉆具緩慢下放到底，剛開始使用小鉆壓鉆進(jìn)，等正常進(jìn)尺后可慢慢調(diào)整鉆壓。?54 mm螺桿鉆具推薦鉆壓為5kN,最大鉆壓為10 kN。當(dāng)鉆壓變大時，導(dǎo)致鉆頭阻力矩增加，引起相應(yīng)的轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)鉆壓增大到臨界值時鉆頭轉(zhuǎn)速為而出現(xiàn)制動，此時泵壓表數(shù)值突增，應(yīng)立即將鉆具提離孔底循環(huán)鉆井液，待泵壓表的數(shù)值下降后再下放鉆具緩慢施加鉆壓。

(2)泵量：?54 mm螺桿鉆具推薦泵量為60～180 L/min。

(3)馬達(dá)壓降：馬達(dá)壓降=工作泵壓-離井底泵壓，?54 mm螺桿鉆具馬達(dá)壓降最大為3.2 MPa。開始啟動水泵，逐漸增加流量至螺桿鉆啟動，此時泵壓為離井底泵壓，鉆進(jìn)過程中的泵壓為工作泵壓。

ZKJ4-10孔第一次造斜鉆進(jìn)2.6 m，鉆進(jìn)時間7 h，鉆進(jìn)時速為0.37 m/h。正常鉆進(jìn)時泵壓為3～4 MPa(ZKJ4-10孔部分漏失),隨著造斜進(jìn)尺增加，巖粉進(jìn)入鉆頭水眼，堵住了鉆頭水眼使泵壓變大，最大達(dá)6～7 MPa，造斜完后起鉆卸下鉆頭，鉆頭內(nèi)無巖心，有巖粉，證實(shí)了這一點(diǎn)。

4.6.2 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

擴(kuò)孔鉆具帶導(dǎo)向，上部接?50 mm鉆桿，巖心管長度較短(≯2 m)，這樣擴(kuò)孔時阻力較小。擴(kuò)孔過程中應(yīng)輕壓、慢轉(zhuǎn)，防止鉆具阻力過大而發(fā)生斷裂，同時擴(kuò)孔時要來回多次修整擴(kuò)孔段，以圓滑鉆孔軌跡，方便以后安全鉆進(jìn)。

4.6.3 穩(wěn)斜鉆進(jìn)

擴(kuò)孔后，換粗徑鉆具穩(wěn)斜鉆進(jìn)4～6 m，鉆具上部接一根?50 mm鉆桿，巖心管長度應(yīng)小于2 m，這樣可以增加鉆具的柔性，能夠穩(wěn)住造斜效果不至于產(chǎn)生回偏。鉆進(jìn)時應(yīng)控制轉(zhuǎn)速在100 r/min左右，第一個回次進(jìn)尺控制在1 m左右。

4.7 鉆孔軌跡監(jiān)測

原孔段、造斜段、穩(wěn)斜段的鉆孔軌跡為直線—曲線—直線，造斜后便進(jìn)行測斜，造斜段、穩(wěn)斜段每間隔1 m 1個測點(diǎn)，通過進(jìn)行密集的測斜可以加強(qiáng)鉆孔軌跡監(jiān)測，反映出造斜強(qiáng)度、穩(wěn)斜效果及鉆孔自然彎曲度等參數(shù)，并根據(jù)測斜結(jié)果及時調(diào)整糾斜鉆進(jìn)有關(guān)參數(shù)，以利于進(jìn)行下一次鉆孔軌跡控制。

4.8 螺桿鉆操作注意事項

(1)造斜時，操作者應(yīng)時刻觀察泵壓表，根據(jù)泵壓判斷螺桿馬達(dá)工作狀況，進(jìn)而采取相對應(yīng)措施。

(2)在主動鉆桿上劃線做好標(biāo)記，防止螺桿鉆具轉(zhuǎn)動而不知道。

5 螺桿鉆定向糾斜成果

ZKJ4-10孔共糾斜2次，第一次糾斜：孔段757.52～764.72 m，方位從159.5°降至151°，降方位8.5°；第二次糾斜：孔段764.72～771.92 m，方位從151°降至140°，降方位11°；2次糾斜共糾偏方位約20°，使鉆孔順利“中靶”，滿足地質(zhì)技術(shù)要求。

此外，礦區(qū)0線、2線、6線等部分深孔采用螺桿鉆定向糾斜技術(shù)也取得了很好的效果。

6 存在的問題

雖然螺桿鉆定向糾斜技術(shù)在城門山礦區(qū)取得了很好的效果，但也存在著一些不足之處。

定向精度有待提高：由于螺桿鉆具彎管的實(shí)際安裝角=理論計算安裝角+反扭角，而反扭角是根據(jù)經(jīng)驗估算的，因此實(shí)際安裝角存在誤差，當(dāng)誤差過大時可能起不到糾斜效果或者起到相反效果，與初衷背道而馳。

ZKJ4-10孔造斜強(qiáng)度過大，糾斜段平均彎強(qiáng)達(dá)1.2°/m，接近鉆桿承受極限，致使ZKJ4-10孔鉆機(jī)開一速(83 r/min)都多次發(fā)生斷鉆桿事故，而且打撈、投放內(nèi)管在造斜段易卡，嚴(yán)重影響了后續(xù)安全鉆進(jìn)施工。針對此情況，應(yīng)選擇彎管度數(shù)低的螺桿鉆具或減少造斜進(jìn)尺，避免鉆孔出現(xiàn)強(qiáng)烈“狗腿”彎。

此次未做到隨鉆糾斜，主要原因是隨鉆時儀器在孔底受振動等影響易損壞，而隨鉆測斜儀價格昂貴，考慮經(jīng)濟(jì)效益未隨鉆糾斜；其次，隨鉆時孔底與測斜儀存在距離差，傾角、方位角測量滯后5～6 m，而地質(zhì)孔造斜段一般在3 m左右，隨鉆測量傾角、方位角意義不大，但隨鉆時可時時監(jiān)控螺桿鉆具的安裝角，有利于鉆孔軌跡控制。

7 結(jié)語

螺桿鉆定向鉆進(jìn)工藝可使鉆孔彎曲滿足地質(zhì)勘探要求，避免鉆孔報廢的同時又使礦產(chǎn)儲量核實(shí)更為精確，還可利用定向分支孔技術(shù)，在條件具備的礦區(qū)大幅度節(jié)約鉆探工作量。

但螺桿定向糾斜工藝還存在諸如反扭轉(zhuǎn)角預(yù)估不準(zhǔn)確、造斜強(qiáng)度選擇非最優(yōu)等種種問題，還需不斷學(xué)習(xí)、實(shí)踐摸索、完善工藝。

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Screw Directional Correction of Inclination Technology in Chengmenshan Mining Area of Jiangxi/

CHENKe-lin1,LUOKang-jie1,FUBao-hua1,CHENGHong-wen2

In Chengmenshan mining area of Jiangxi Province, the most boreholes designed for the supplementary mining exploration project were ultra inclined with high requirement of drilling curvature, which made drilling construction difficult. There were difficulties of drilling straightening for many boreholes. Combining the instance of directional correction in deep hole ZKJ4-10, this paper introduces the working principles of screw directional correction of inclination, supporting equipments, operation methods and the points for attention. Based on the correction effects, the advantages and disadvantages of this technology are summed up, which provide reference to straightening construction in future deep geological holes drilling.

directional correction of inclination; drilling curvature; screw drill; Chengmenshan mining area

2016-04-21；

2016-10-27

陳克林，男，漢族，1966年生，工程師，探礦工程專業(yè)，從事巖心鉆探技術(shù)與管理工作，江西省鷹潭市南站路46號，862092693@qq.com。

P634.7

B

1672-7428(2017)01-0037-04

(1.No.1 Team of Jiangxi Nonferrous Metal Geological Exploration Bureau, Yingtan Jiangxi 335000, China; 2.313 Geological Team, Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Lu’an Anhui 237010, China)