利用活動(dòng)式偏心楔施工人工彎曲定向鉆孔技術(shù)

黃建強(qiáng)

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊(duì)，山東 臨沂 276000）

伴隨著地質(zhì)找礦事業(yè)的不斷發(fā)展，礦山逐漸開始朝向深部采礦的方向發(fā)展，對(duì)鉆孔孔斜的要求也慢慢提高。在山東省萊州市西嶺村金礦勘探鉆探工程中，主要是通過機(jī)械巖芯鉆探，對(duì)于主礦體的深部增設(shè)加密勘探工程。在具體施工期間，由于鉆孔的彎曲度很難有效把控，需要及時(shí)對(duì)其糾斜，通過借助活動(dòng)式偏心楔，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改良，在滿足施工技術(shù)要求的同時(shí)，有效提升實(shí)際施工質(zhì)量以及鉆進(jìn)效率，從而為類似項(xiàng)目施工提供合理參考。

1 活動(dòng)式偏心楔結(jié)構(gòu)

偏心楔屬于導(dǎo)楔器的一種簡(jiǎn)單形式，適用于硬巖層中分支或者控制程度要求較低的鉆孔有效進(jìn)行導(dǎo)斜鉆進(jìn)。活動(dòng)式偏心楔屬于可取式偏心楔當(dāng)中的一個(gè)類型，主要是跟隨導(dǎo)斜鉆進(jìn)鉆具一起進(jìn)入孔內(nèi)，在導(dǎo)斜的過程中，借助傾斜的楔面，利用導(dǎo)斜面將鉆孔的方向改變，然后在造斜處形成急劇彎曲。當(dāng)導(dǎo)斜鉆進(jìn)完成之后，跟隨者導(dǎo)斜鉆進(jìn)鉆具，又一起從孔內(nèi)回到地面，在整個(gè)過程中，只用一次起下鉆具。

2 技術(shù)準(zhǔn)備

在山東省萊州市西嶺村金礦勘探鉆探工程施工中，對(duì)于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求比較高。探勘工作主要是借助機(jī)械巖芯鉆探，在主礦體的深部，增設(shè)加密勘探工程，勘探獲取高級(jí)別的資源量。對(duì)于鉆孔彎曲度的控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有著較高的要求，保證鉆孔彎曲度滿足鉆孔的終孔位置偏離設(shè)計(jì)位置，在傾向、走向上，控制在工程間距四分之一之內(nèi)，若工程不合格，便不進(jìn)行驗(yàn)收。在施工期間，由于鉆孔彎曲度的控制難度比較大，所以，應(yīng)及時(shí)對(duì)鉆孔糾斜。該工程項(xiàng)目的地層主要有二長(zhǎng)花崗巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖、絹英巖化花崗巖、似斑狀花崗閃長(zhǎng)巖。在具體施工過程中，由于受到地層巖層、人為因素、技術(shù)因素等各方面的影響，導(dǎo)致施工期間出現(xiàn)方位角、頂角偏離設(shè)計(jì)的情況，嚴(yán)重影響施工的進(jìn)度和效果，甚至使得鉆孔報(bào)廢，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失?？扇〕鍪狡男ú粌H具有安全、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，在具體使用中還能夠保證效果。偏心楔主要是借助導(dǎo)斜槽，使導(dǎo)斜鉆具的方向發(fā)生改變，對(duì)于偏心楔楔體軸線，和原孔的軸線大致一樣，并且，偏心楔有楔頂角。沿著導(dǎo)斜槽的方向，鉆具軸線的方向便會(huì)與原孔的方向產(chǎn)生偏離，從而使得鉆孔頂角發(fā)生改變，而方位角和工具面向有一定的關(guān)系，工具面向和頂角的傾向保持一致的時(shí)候，方位沒有發(fā)生變化。偏心楔分為兩種，即固定式偏心楔、取出式偏心楔，取出式楔子的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以在機(jī)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)完成施工，并且可以回收，再次進(jìn)行利用，不過久停留在孔內(nèi)，可以確?？變?nèi)的安全，所以，取出式楔子也開始慢慢取代固定式取出式偏心楔[1]。在偏心楔的優(yōu)化改良中，借助可取式偏心楔、陀螺儀、定向儀，糾正鉆孔彎曲度，這樣不僅可以滿足施工技術(shù)要求，還能夠有效促進(jìn)施工質(zhì)量的提升，在減少生產(chǎn)成本的同時(shí)，有效促進(jìn)鉆進(jìn)效率的提升。

3 技術(shù)要點(diǎn)

3.1 工程調(diào)查

在山東省萊州市西嶺村金礦勘探部分鉆探工程項(xiàng)目中，總共對(duì)13個(gè)鉆孔相關(guān)資料進(jìn)行全面調(diào)查，通過分析現(xiàn)有資料，發(fā)現(xiàn)在鉆孔施工期間，使用可取式偏心楔糾斜的次數(shù)有27次，糾斜不成功的次數(shù)有5次，起到作用但是效果不佳的次數(shù)有8 次，效果理想的次數(shù)有14次。通過分析糾斜失敗以及效果不理想的過程，找出了相應(yīng)的因素，導(dǎo)致糾斜失敗的原因，主要是因?yàn)槎ㄎ粚?dǎo)斜鉆進(jìn)不成功或者不理想，這個(gè)問題也是當(dāng)前比較重要的一大問題，需要快速解決。通過調(diào)查，在該工程項(xiàng)目活動(dòng)實(shí)施中，主要是促進(jìn)定位導(dǎo)斜鉆進(jìn)成功率的提升。糾斜結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的因素見表1。

表1 糾斜結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的因素

3.2 原因分析

通過對(duì)工程進(jìn)行分析，確定主要解決的問題是定位導(dǎo)斜鉆進(jìn)失敗或不理想，通過全方位進(jìn)行分析，可以得知造成定位導(dǎo)斜鉆進(jìn)失敗或不理想的主要因素包括人力、機(jī)械、方法、材料、環(huán)境等。人為因素包括井口端定位不準(zhǔn)確，下放的時(shí)候，鉆桿柱轉(zhuǎn)動(dòng)，或者是劃線不直，使得偏心楔在下到孔底的時(shí)候，其位置發(fā)生一定的變化，從而導(dǎo)致定位導(dǎo)斜鉆進(jìn)偏離設(shè)計(jì)軌跡。轉(zhuǎn)動(dòng)偏心楔也是人為因素中的一種，不過不是主要的因素，偏心楔進(jìn)入到孔底的過程中，由于人員操作不當(dāng)，沒有嚴(yán)格按照規(guī)定要求進(jìn)行操作，轉(zhuǎn)動(dòng)偏心楔；機(jī)械因素包括測(cè)斜數(shù)據(jù)存在一定的誤差，糾斜定位的時(shí)候，無纜光纖陀螺測(cè)斜儀，無法將孔內(nèi)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸出去、精確掌握楔面方向[2]。測(cè)斜數(shù)量無法實(shí)時(shí)進(jìn)行傳達(dá)，陀螺測(cè)斜儀外徑與偏心楔的內(nèi)徑之間存在太大的差距，使得測(cè)斜儀非常容易在楔面上傾斜，從而造成方位角和頂角之間出現(xiàn)誤差；材料因素包括偏心楔發(fā)生損壞，在導(dǎo)斜鉆進(jìn)期間，鉆頭與楔面之間產(chǎn)生一定的摩擦，導(dǎo)致偏心楔損壞；環(huán)境因素主要為地層較為復(fù)雜，部分時(shí)候，因?yàn)榭變?nèi)的情況具有一定的復(fù)雜性，可能會(huì)出現(xiàn)掉塊的情況，或者是產(chǎn)生破碎地層，在轉(zhuǎn)動(dòng)上面鉆桿的時(shí)候，下面偏心楔可能不會(huì)跟隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，也可能只有小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)；方法因素主要是在具體施工中存在操作方式不恰當(dāng)?shù)膯栴}，定向時(shí)偏心楔偏離方向。

3.3 確定要因

定位導(dǎo)斜鉆進(jìn)失敗或者不理想的主要因素有三種。其一，井口端定位存在偏差，不夠準(zhǔn)確。在定向過程中，需要將偏心楔轉(zhuǎn)動(dòng)，在定向之前，通常是依據(jù)孔內(nèi)的實(shí)際情況，下放偏心楔，當(dāng)和孔底之間有一段距離的時(shí)候，定向之后，再把偏心楔下放到孔底。在下放過程中，為了保證偏心楔楔面與實(shí)際設(shè)計(jì)的軌跡沒有發(fā)生偏離情況，就需要在定向之后，在井口端固定位置、上部鉆桿等地方，做好標(biāo)記，從而在下放期間，使得鉆桿標(biāo)線位置惡化井口端固定位置相對(duì)。由于視覺誤差的影響，在劃線的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)不精準(zhǔn)的情況，也可能在鉆桿下放期間出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，便會(huì)改變底部偏心楔的位置，使得定位導(dǎo)斜鉆進(jìn)與設(shè)計(jì)軌跡相偏離。其二，測(cè)斜數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)進(jìn)行傳達(dá)。該工程項(xiàng)目中所使用的測(cè)量?jī)x器為無纜光纖陀螺測(cè)斜儀，在糾斜定位的時(shí)候，由于無法直接把數(shù)據(jù)傳輸至地面，在定位時(shí)候，先在井口端設(shè)置8 個(gè)點(diǎn)，把測(cè)斜儀下到底部偏心楔位置，然后開始測(cè)斜，同時(shí)，在井口固定位置、鉆桿的上面，做好標(biāo)記，完成測(cè)點(diǎn)之后，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，當(dāng)記號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)八分之一圈的時(shí)候，停下來開始做記號(hào)，直到將8個(gè)點(diǎn)全部完成測(cè)斜工作[3]。之后，把測(cè)斜儀拉至地面，讀取數(shù)據(jù)，以此選擇和預(yù)計(jì)糾斜軌跡距離比較近的點(diǎn)，并轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，對(duì)準(zhǔn)井口位置和鉆桿標(biāo)記，按照這樣的方式完成井下定位工作，不過，由于無法實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致定位存在一定的偏差，無法保證達(dá)到理想的糾斜結(jié)果。其三，測(cè)斜數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，存在一定的誤差。陀螺測(cè)斜儀的外徑為4cm，偏心楔的內(nèi)徑為8cm，由于尺寸的差異較大，使得兩者之間的環(huán)狀間隙比較大，在楔面上，測(cè)斜儀非常容易傾斜，從而使得方位角、頂角的誤差更大。

3.4 對(duì)策制定和實(shí)施

針對(duì)以上分析的主要原因，從實(shí)施的可靠性、可行性等方面進(jìn)行分析，制定了相應(yīng)的對(duì)策。針對(duì)井口端定位不準(zhǔn)確這一問題，通過使用激光投線儀，完成打線、劃線工作；針對(duì)測(cè)斜數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳輸這一問題，可以更換無纜測(cè)斜儀，使用隨鉆定向儀；針對(duì)測(cè)斜數(shù)據(jù)有誤差這一情況，優(yōu)化偏心楔的結(jié)構(gòu)，改良定向儀[4]。在具體的實(shí)施過程中，借助激光投線儀進(jìn)行打線、劃線的時(shí)候，先使用激光投線儀進(jìn)行打線，然后在鉆桿上面畫線，以保證結(jié)果的精度；對(duì)于無纜光纖陀螺測(cè)斜儀，將其換成JDZ-1型隨鉆定向儀，在定位過程中，依據(jù)定向儀實(shí)時(shí)傳輸至地面投影圖上的定位鍵垂向角、方位角，精準(zhǔn)確定楔面的方向。對(duì)于偏心楔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，借助JDZ-1型鉆進(jìn)定向儀，優(yōu)化以往的偏心楔結(jié)構(gòu)，通過增加定位鍵，有效鏈接定位儀下方的引鞋，同時(shí)，依據(jù)偏心楔的內(nèi)徑，扶正定向儀的上下端。

3.5 定向施工技術(shù)

在定向施工過程中，依據(jù)地層實(shí)際情況，選擇地層穩(wěn)定、完整的造斜點(diǎn)，最好遠(yuǎn)離破碎、松軟的地層。在活動(dòng)式偏心楔進(jìn)入鉆孔之前，使用碎石子，將孔底進(jìn)行填充，高度在1～2m 之間即可，借助鉆具將其搗實(shí)。接著，下鉆透孔，將孔壁上面的碎石清理干凈，使得偏心楔可以順利進(jìn)入孔內(nèi)。下放活動(dòng)式偏心楔之前，對(duì)其楔面進(jìn)行定向，借助彎鉆桿，在傾斜鉆孔內(nèi)，保證其彎曲的方向一直指向鉆孔傾斜的方向，并自動(dòng)定向鉆孔[5]。接著，對(duì)于鉆桿的彎曲方向，將其在鉆桿的接頭上進(jìn)行標(biāo)記，伴隨著鉆桿進(jìn)入孔內(nèi)，然后把標(biāo)記線延伸，直至楔面下方的巖芯管壁。同時(shí)，對(duì)偏心楔楔面的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其和標(biāo)記線處于相同平面內(nèi)，但確保兩者的方向相反。對(duì)于活動(dòng)式偏心楔，主要借助鋸齒狀短管來固定，當(dāng)楔子進(jìn)入到孔的底部之后，由于受到鉆具自重影響，使得短管鋸齒插進(jìn)孔底部的碎石當(dāng)中，偏心楔不能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，起到固定的作用[6]。將偏心楔拉至地表面之后，下到相同徑狀的硬質(zhì)合金鉆頭，然后在造斜點(diǎn)的周邊，找尋新孔。

3.6 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

在該工程項(xiàng)目中，鉆孔期間遇到鉆孔下垂、方位增大等各種情況，大多數(shù)措施都沒有真正解決問題，通過采取可取式偏心楔糾斜的方式，有效提升了糾斜的成功率。通過對(duì)鉆進(jìn)期間的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化鉆具的結(jié)構(gòu)，在檢驗(yàn)過程中，ZK90-9 鉆孔獲得的結(jié)果為鉆孔彎曲每百米頂角最大偏差是1°，而方位角的最大偏差則是2°；對(duì)于ZK100-5 鉆孔驗(yàn)收結(jié)果來說，不一樣的是，其方位角最大偏差是1.9°這兩者的鉆孔質(zhì)量都與地質(zhì)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求相符合，并且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，該工程項(xiàng)目中可取式偏心楔的應(yīng)用也具有較好的社會(huì)效益，在項(xiàng)目建設(shè)過程中，做好技術(shù)質(zhì)量、安全生產(chǎn)等各項(xiàng)工作，高效完成每一項(xiàng)任務(wù)，且鉆孔的驗(yàn)收結(jié)果比較好，在社會(huì)中取得良好的效應(yīng)。

4 結(jié)語

利用活動(dòng)式偏心楔施工人工彎曲定向鉆孔技術(shù)，可以有效提升活動(dòng)式偏心楔在小口徑巖芯鉆探鉆孔糾斜應(yīng)用中的成功率。在該技術(shù)的具體應(yīng)用中，做好技術(shù)準(zhǔn)備相關(guān)工作，然后對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行全方位調(diào)查，依據(jù)實(shí)際調(diào)查結(jié)果的內(nèi)容，制定合理的技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)，確定需要解決的主要問題，對(duì)具體原因進(jìn)行分析，可知定位導(dǎo)斜鉆進(jìn)失敗或者不理想與人為、材料、機(jī)械、環(huán)境、方法等各種因素有較大的關(guān)系。因此，針對(duì)該問題的主要因素進(jìn)行分析，制定合理、可行的對(duì)策，通過使用較為先進(jìn)的激光投線儀進(jìn)行打線、劃線，使用隨鉆定向儀，優(yōu)化偏心楔結(jié)構(gòu)，有效解決以上問題，并獲得較好的效果，不僅促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提升，還獲得良好的社會(huì)效益。