河南省板廠礦區(qū)小直徑螺桿鉆定向糾斜技術(shù)

韓明耀， 柳碩林， 王朝暉， 許衛(wèi)國， 郭 凱

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

螺桿鉆定向鉆探技術(shù)，在石油鉆井等大口徑鉆探中，應(yīng)用比較普遍，技術(shù)比較成熟，但在地質(zhì)巖心鉆探、煤炭地質(zhì)勘查等小直徑鉆探施工中應(yīng)用不多，主要原因是受鉆孔口徑制約，螺桿馬達(dá)、定向儀器等須使用小直徑，必然造成價格偏貴，性能穩(wěn)定性較差；另外，對于鉆孔空間軌跡的計算、造斜強(qiáng)度的選擇、糾斜效率、對鉆孔后續(xù)鉆進(jìn)的影響等問題，理論和實(shí)踐差異較大，須進(jìn)一步研究。

1 項(xiàng)目概況

河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣板廠一帶多金屬礦區(qū)位于伏牛山南麓，北秦嶺褶皺帶東段，黃花?；◢弾r體南側(cè)之朱陽關(guān)-夏館斷裂帶上[1]。其中ZK1403鉆孔，設(shè)計孔深1800 m，設(shè)計勘探線方向20°，直孔，終孔直徑≮76 mm。鉆遇地層大致可分為上、中、下三個巖性段。上部巖性段主要為黑云斜長片麻巖，厚50～100 m，可鉆性4～6級，研磨性較低。中部巖性段以白云石大理巖為主，中間夾部分綠簾石、綠泥石層，厚度40～80 m。下部巖性段為白云質(zhì)大理巖，含石墨大理巖夾黑云斜長片麻巖等，厚度大于100 m，可鉆性6～8級，中等研磨性。因巖層經(jīng)歷了多期次的變質(zhì)、變形作用，區(qū)內(nèi)不同時期、不同性質(zhì)、不同規(guī)模的褶皺、斷裂等構(gòu)造十分發(fā)育[2]。質(zhì)量要求按《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227-2010)6項(xiàng)指標(biāo)，巖心采取率≮70%，礦心采取率>80%，頂角≯2°/100 m[3]。

鉆孔結(jié)構(gòu)：0～4 m，下?146 mm套管；0～14.60 m,下?127 mm套管；0～61.95 m,下?108 mm套管；0～559.00 m,下?89 mm套管；559.00～958.37 m,為?78.5 mm裸孔[4]。圖1為ZK1403孔孔身結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 ZK1403孔孔身結(jié)構(gòu)Fig.1 Drilling structure of Hole ZK1403

鉆孔施工至900 m后，盡管頂角符合規(guī)程中“在直孔施工中頂角偏差不應(yīng)超過2°/100 m”的要求，但地質(zhì)部門認(rèn)為方位角偏差大，鉆孔軸線偏離勘探線距離大，不能繼續(xù)施工，經(jīng)研究決定糾斜。通過XJL-42型羅盤鉆孔測斜儀測斜，部分測斜結(jié)果見表1。

表1 ZK1403孔糾斜前部分測斜數(shù)據(jù)Table 1 Partial inclination survey data before deviationcorrection of Hole ZK1403

2 定向糾斜施工工藝

2.1 糾斜思路及方法選擇

根據(jù)地質(zhì)部門對鉆孔軸線的形態(tài)及空間位置的要求，結(jié)合ZK1403鉆孔實(shí)際情況，經(jīng)充分了解國內(nèi)小口徑巖心鉆探偏斜、糾斜及定向鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，確定以下幾點(diǎn)糾斜思路。

(1)糾斜位置：從孔深958.37 m處開始糾斜，該孔段非礦層，巖石較完整。

(2)糾斜口徑：與原鉆探口徑保持一致，即?78.5 mm。

(3)同時糾方位角和頂角，以糾方位角為主。糾斜后方位角達(dá)到20°左右，頂角6°～7°。如果把鉆孔頂角糾的太小，鉆孔軸線接近鉛垂線，下一步的鉆探施工中，方位角變化不易控制。

(4)偏斜孔段宜平滑，控制方位角彎曲強(qiáng)度<10°/m，頂角彎曲強(qiáng)度<0.3°/m，保證下一步鉆探施工時回轉(zhuǎn)阻力小，能夠正常鉆進(jìn)。

(5)及時測斜，檢查糾斜效果，并依據(jù)測斜數(shù)據(jù)隨時調(diào)整糾斜鉆進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)。

根據(jù)糾斜思路，目前國內(nèi)常用的偏心楔糾斜法，定向困難，不適用于糾斜工作量大的鉆孔；連續(xù)造斜器法，定向不精確、誤差大，且不適宜用于深孔造斜；使用小直徑螺桿鉆具糾斜，定向精確、鉆孔軌跡可控且可連續(xù)造斜，能夠滿足需要[5-6]。

2.2 主要設(shè)備及儀器

設(shè)備使用XY-6N型液壓立軸式巖心鉆機(jī)和BW-300/16型泥漿泵。定向糾斜前，根據(jù)鉆孔孔深、孔徑等情況選擇適宜的定向糾斜器具，分別為：

(1)?60 mm螺桿鉆具，彎曲度1.25°。

(2)LHE-2115型有線隨鉆測斜儀和數(shù)字處理儀。

(3)?73 mm無磁鉆鋌9.05 m。

(4)專用通纜水龍頭。

(5)?76.5 mm金剛石全面破碎鉆頭，?78.5 mm炮彈型修孔鉆頭。

2.3 定向糾斜施工工序

螺桿鉆定向糾斜施工的工序主要有3個階段：造斜鉆進(jìn)，擴(kuò)孔鉆進(jìn)以及穩(wěn)斜鉆進(jìn)。首先根據(jù)地質(zhì)要求的靶點(diǎn)靶區(qū)進(jìn)行施工方案的確定，整體框架為：

(1)確定糾斜方案后先進(jìn)行清孔換漿。

(2)造斜段更換糾斜螺桿鉆具，并在造斜點(diǎn)進(jìn)行定向。

(3)定向完成后開始糾斜鉆進(jìn)。

(4)用大一級鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)，目的是保證鉆孔軌跡圓滑，方便以后安全鉆進(jìn)。

(5)擴(kuò)孔后換鉆具進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)，接入鉆桿穩(wěn)住造斜效果，防止產(chǎn)生回偏。

(6)多點(diǎn)連續(xù)精確測斜，保證實(shí)際糾斜效果滿足預(yù)期目標(biāo)，實(shí)時監(jiān)測糾斜效果。

(7)繼續(xù)下入螺桿鉆具定向、糾斜、擴(kuò)孔、穩(wěn)斜、測斜，直到糾斜作業(yè)滿足地質(zhì)要求的靶點(diǎn)靶區(qū)。

2.4 定向糾斜前準(zhǔn)備工作

2.4.1 螺桿鉆具定向造斜鉆進(jìn)沖洗液的選擇

針對本礦區(qū)地層較為復(fù)雜、破碎的特點(diǎn)，糾斜鉆進(jìn)工程中選用細(xì)分散低固相泥漿[7]。螺桿鉆具造斜時的沖洗介質(zhì)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：

(1)為了保護(hù)井壁已形成的泥皮并攜帶鉆屑，粘度不宜過?。粵_洗液循環(huán)使用時需要進(jìn)行沉淀和過濾處理，因此粘度也不宜過大。

(2)含砂量<0.5%，顆粒直徑<0.3 mm。

(3)盡量降低沖洗液密度，減少固相含量。

沖洗液配方為：2%膨潤土+0.1%～0.15%純堿+1%植物膠+1%腐植酸鉀+0.1%聚丙烯酸鉀。沖洗液性能為：粘度25 s，密度1.01 g/cm3，失水量9 mL/30 min，pH值8，含砂量0.2%。該沖洗液在實(shí)際使用過程中，防塌護(hù)壁效果良好[8]。

2.4.2 工具安裝角的確定

螺桿鉆具在鉆孔底部的安裝角度不同，鉆孔頂角和方位角的變化也不同，直接影響偏斜效果[9]。目前安裝角的確定已有相應(yīng)的計算法和圖解法，本文采用較為精確的計算法來確定。

工具面角=理論計算安裝角+反扭角

理論計算安裝角確定：

式中：β——理論計算安裝角；Δα——糾斜前后方位角的變量；θ1、θ2——糾斜前、后頂角。

反扭角取決于鉆壓、鉆桿類型和長度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，大規(guī)格螺桿鉆的反扭角較大，粗鉆桿反扭角較小。根據(jù)該孔鉆遇地層，為達(dá)到同時降低方位角和頂角的目的，安裝角應(yīng)設(shè)定在180°～270°；考慮優(yōu)先降低方位角，設(shè)計初始安裝角250°。

2.4.3 下鉆前的檢查工作

(1)地面檢查：檢查螺桿鉆能否正常工作，旁通閥是否完好，檢查軸承間隙等，試運(yùn)轉(zhuǎn)后方可下鉆。

(2)檢查定向鍵是否與螺桿鉆具的高邊工具面在同一平面內(nèi)，仔細(xì)丈量記錄定向母線逆時針超前定向鍵的工具裝合差。

(3)每個連接絲扣處，都要纏生膠帶密封，絲扣擰緊，避免因漏水造成螺桿鉆動力不足。

2.5 糾斜鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)

2.5.1 鉆具組合

糾斜鉆進(jìn)過程分為造斜鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)和穩(wěn)斜鉆進(jìn)。各工序的鉆具組合如下。

造斜鉆進(jìn)鉆具組合：?76.5 mm全面破碎金剛石鉆頭+1.25°螺桿鉆具+?50 mm鉆桿4.51 m+?73 mm無磁鉆鋌9.05 m+?71 mm繩索取心鉆桿+主動鉆桿。

擴(kuò)孔鉆進(jìn)鉆具組合：?78.5 mm“炮彈”鉆頭+?50 mm鉆桿4.51 m +?71 mm繩索取心鉆桿+主動鉆桿。

穩(wěn)斜鉆進(jìn)鉆具組合：?78.5 mm“炮彈”鉆頭+?73 mm繩索取心鉆具5.50 m +?71 mm繩索取心鉆桿+主動鉆桿。

2.5.2 糾斜鉆進(jìn)工藝參數(shù)

(1)糾斜鉆壓：鉆具下到孔底，使用小鉆壓，正常進(jìn)尺后，逐漸加大鉆壓。結(jié)合螺桿鉆具的工作壓力和?76 mm繩索取心鉆進(jìn)對鉆壓的要求，糾斜鉆壓5～10 kN。

(2)糾斜泵量泵壓：使用BW-300/16型泥漿泵慢Ⅲ擋或快Ⅲ擋，額定泵量115～ 155 L/min，額定泵壓6～9 MPa[9]。

(3)修孔鉆進(jìn)工藝參數(shù)：修孔鉆進(jìn)時，輕壓慢轉(zhuǎn)小泵量，防止因鉆具回轉(zhuǎn)阻力過大而憋車。鉆機(jī)、泥漿泵都用Ⅰ擋，鉆壓1～2 kN。

3 糾斜過程

3.1 操作注意事項(xiàng)

(1)控制下鉆速度，防止沖洗液從鉆頭進(jìn)入，造成螺桿鉆具因反轉(zhuǎn)而損壞。

(2)及時向鉆桿內(nèi)回灌沖洗液，防止巖粉因負(fù)壓從旁通閥進(jìn)入螺桿鉆具。

(3)接近孔底時，上下反復(fù)提拉鉆具，使整個鉆桿柱自由下垂，消除虛假反扭轉(zhuǎn)角對計算工具面角的影響[10-11]。

3.2 孔內(nèi)定向操作

定向系統(tǒng)如圖2所示。測斜儀探管穿過鉆桿，下部插入定向接頭的定向鍵，測量時，傳遞頂角、方位角、工具面角等參數(shù)。通過調(diào)整螺桿鉆具工具面角，使造斜鉆頭沿著設(shè)計鉆孔軌跡前進(jìn)。如果實(shí)施過程中，鉆孔軌跡與設(shè)計偏差過大，可將超差孔段用

圖2 定向系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of directional deviation correction

水泥進(jìn)行封堵，在孔底實(shí)施新的側(cè)鉆。

定向操作步驟如下：

(1)螺桿鉆具下到孔底后，開泵循環(huán)30 min，然后關(guān)泵，卸開主動鉆桿，用電纜將隨鉆測斜儀下入鉆桿內(nèi)，使定向鞋上的定向槽坐在定向鍵上，再連接繩索取心鉆桿和主動鉆桿，可從LHE-2115型數(shù)字處理儀上直接讀出鉆孔頂角、方位角和工具面角數(shù)值。

(2)為保證定向槽坐在定向鍵上，應(yīng)提起、放下隨鉆測斜儀不少于3次，且每一次數(shù)字處理儀上顯示的數(shù)據(jù)一致或非常接近。

(3)鉆具接近孔底時，用管鉗順時針轉(zhuǎn)動鉆機(jī)立軸，直到LHE-2115型數(shù)字處理儀上顯示的工具面角與實(shí)際采用的安裝角一致，定向成功。糾斜鉆進(jìn)過程中，始終認(rèn)真觀察儀器顯示的工具面角，隨時調(diào)整，保持鉆孔軌跡按預(yù)定方向延伸[12]。

3.3 糾斜過程簡述

糾斜鉆進(jìn)第1回次，實(shí)際采用的安裝角讀數(shù)313°。水泵使用快Ⅲ擋，額定泵量155 L/min，下鉆到孔底泵壓5 MPa, 糾斜鉆進(jìn)泵壓6.5 MPa, 起鉆前最大泵壓9 MPa, 判斷是巖心巖屑堵塞了鉆頭水眼。糾斜鉆進(jìn)過程中，時刻觀察泵壓表，通過泵壓變化，判斷螺桿鉆工作狀況。本回次螺桿鉆在孔底工作14 h，在偏斜點(diǎn)上下順滑鉆孔，用時較長，糾斜孔段958.37 ～959.47 m，進(jìn)尺1.10 m。

起鉆檢查螺桿鉆具，第2回次鉆進(jìn)4.35 m，第3回次進(jìn)尺7.35 m。螺桿鉆糾斜鉆進(jìn)12.80 m后，使用炮彈鉆頭修孔，順滑鉆孔。

為減小造斜強(qiáng)度，保障下一步鉆探施工安全，第4回次使用繩索取心鉆具，進(jìn)尺4.60 m。第5回次螺桿鉆糾斜鉆進(jìn)6.11 m，第6回次繩索取心鉆進(jìn)11.69 m，第7回次螺桿鉆糾斜，進(jìn)尺6.50 m。詳見表2。

表2 ZK1403孔糾斜鉆進(jìn)統(tǒng)計Table 2 Statistics of deviation correction drilling in Hole ZK1403

3.4 修孔方法及注意事項(xiàng)

糾斜完成后修整孔壁，使鉆孔軌跡順滑，以利于下一步繩索取心鉆進(jìn)施工。使用炮彈鉆頭修孔，鉆頭最大外徑78.5 mm，保徑部分長度≮150 mm。

修孔分兩步進(jìn)行，第一步使用炮彈鉆頭連接繩取鉆桿，掃孔到底；第二步，炮彈鉆頭連接繩索取心鉆具，再連接繩取鉆桿，掃孔到底。來回多次修整糾斜孔段，以圓滑鉆孔軌跡，確保鉆孔順暢，避免下一步繩索取心鉆進(jìn)時，因孔內(nèi)阻力大而憋車[13]。

4 螺桿鉆定向糾斜成果

ZK1403孔共糾斜鉆進(jìn)5次，糾斜進(jìn)尺25.41 m。在孔深1100 m處測斜，鉆孔頂角從10°降到7°，方位角從143°降到18°，滿足地質(zhì)要求，后續(xù)鉆探施工正常開展，沒有因?yàn)殂@孔軌跡的改變影響繩索取心鉆進(jìn)施工。糾斜過程中及糾斜后，使用XJL-42型羅盤鉆孔測斜儀測孔斜，結(jié)果見圖3。

5 經(jīng)驗(yàn)體會

(1)螺桿鉆定向鉆探技術(shù)，可以滿足地質(zhì)部門對鉆孔空間軌跡的較高要求，準(zhǔn)確揭露礦層位置及其邊界關(guān)系，保證儲量報告的精確性，從而促進(jìn)地質(zhì)找礦工作質(zhì)量和效率[14-15]。

(2)鉆探施工過程中，鉆遇復(fù)雜地層難以穿越或發(fā)生孔內(nèi)事故時，可以使用螺桿鉆定向技術(shù)，側(cè)鉆分支孔繞障。

(3)隨鉆測斜可隨時監(jiān)控螺桿鉆具的安裝角，控制鉆孔軌跡。但是孔底與測斜儀存在距離差，ZK1403孔測斜滯后8.50 m，未能及時掌握鉆孔底部孔斜參數(shù)。

圖3 ZK1403鉆孔孔斜圖
Fig.3DeviationofHoleZK1403

(4)本次糾斜，在螺桿鉆具和無磁鉆鋌之間，連接了一根4.51 m 長的?50 mm鉆桿，目的是利用?50 mm鉆桿柔韌性，利于鉆孔偏斜；但是降低了造斜強(qiáng)度，糾斜鉆進(jìn)用時較長。

(5)炮彈鉆頭修孔鉆進(jìn)順利，主要原因是糾斜鉆進(jìn)時，選用的全面破碎鉆頭外徑大，達(dá)到76.5 mm，磨損后更換及時。

(6)從鉆孔軌跡看，方位角減小后，使用繩索取心鉆進(jìn)，方位角仍然有繼續(xù)減小的趨勢。今后的螺桿鉆糾斜鉆進(jìn)，應(yīng)充分考慮這一趨勢，不可糾斜過度。

6 結(jié)語

板廠礦區(qū)ZK1403孔小直徑螺桿定向鉆進(jìn)工藝應(yīng)用研究的成功，配套達(dá)標(biāo)設(shè)備器具及沖洗液是前提，確定施工方案和滿足糾斜鉆進(jìn)目標(biāo)是關(guān)鍵，準(zhǔn)確定向(反扭角估計)是難點(diǎn)，造斜強(qiáng)度最優(yōu)的選擇是重點(diǎn)，連續(xù)精確測斜是保證。

小直徑螺桿鉆定向糾斜技術(shù)雖然取得了成功，但糾斜技術(shù)還存在一些諸如施工方案的設(shè)計欠優(yōu)、造斜鉆頭非最佳、糾斜效率以及孔內(nèi)定向精確度有待提高等問題，需后續(xù)的學(xué)習(xí)實(shí)踐來進(jìn)行摸索和完善。