受控定向鉆探技術在科鉆施工中的應用

蔡正水

摘 要：本文主要闡述了受控定向鉆探技術在科鉆施工中的應用，結合工程實例，重點介紹了人工孔底的建造方法、鉆孔側鉆的施工程序，總結了螺桿鉆造斜的技術要點和注意事項。

關鍵詞：受控定向鉆探；封孔；側鉆；螺桿

目前，鉆探技術仍是地殼探測工程唯一有效的證實手段。我國科學鉆探與固體礦床勘探孔深很多已超過3000m。隨著鉆孔深度的增加，出現了一系列難以預料的孔內施工難題。孔內事故的處理（繞障）、鉆孔軌跡的控制、油氣田的增產以及危機礦山的救治都離不開受控定向鉆探技術。

本文著重介紹封孔側鉆技術在南嶺NLSD-1科鉆孔中的實際應用。由于該孔地層強促斜，鉆孔頂角自然上漂造斜率5～8°/100m，為滿足科鉆質量要求，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全液壓動力頭式鉆機等機具。在南嶺NLSD-1科鉆孔中，共進行了三次側鉆及96次造斜（糾偏），收到滿意效果，在地層極其復雜的情況下鉆孔能夠保持正常施工。可以說，受控定向鉆探是大陸深部探測不可缺少的輔助手段之一。

1 受控定向鉆探在南嶺NLSD-1科鉆孔中的應用

南嶺NLSD-1科鉆孔位于江西省贛州市于都縣銀坑鎮銀坑礦田內，是由安徽省地質礦產勘查局313地質隊承擔的《華南于都?—贛縣礦集區科學鉆探選址預研究》3000m科學鉆探工程任務。

該孔設計孔深3000m；鉆孔設計開孔頂角0°；鉆孔終孔直徑≥Φ76mm（實際終孔口徑Φ97mm）；鉆孔彎曲度﹤1°/100m。該孔共進行了三次側鉆，本文以第三次側鉆為例詳細介紹封孔側鉆的施工工藝、特點及注意事項。

1.1 封孔側鉆主要原因

1683.34～1764.36m孔段，為長孔段連續煤系地層。由于該孔段地層膠結性差，軟、硬互層，構造破碎，且鉆遇大量煤線，因而地層穩定性較差，鉆孔易產生坍塌、縮徑、巖層錯動、孔斜超差等情況。因地層原因而造成如下問題：

（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重偏離，需封孔側鉆。

為此，經項目部研究決定封孔側鉆，得到課題組批準后，開始具體實施。

1.2 封孔側鉆施工工藝流程

封孔→（透）清孔→磨平孔底→校正孔深→孔斜測量→定向安裝角確定→造斜鉆頭選擇及螺桿鉆地面試驗→地面定向→消除裝和差→下鉆至預定孔深位置→孔底定向→安裝反扭矩裝置→螺桿鉆啟動→造斜鉆進→隨鉆監測→造斜段延伸→提鉆→穩斜鉆進→擴孔。

1.3 建造人工孔底（封孔）

人工孔底的建造質量關系到側鉆成敗，必須十分重視。

根據地層巖性及孔斜情況，側鉆起始點最佳位置在孔深1580.00～1584.00m孔段。因此計劃水泥封灌孔段：1570.00～1750.00m，計180m。

1.3.1 灌漿前準備工作

（1）干水泥用量計算

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

（2）替漿水計算

為保證灌漿質量及鉆桿安全，采用兩段式灌漿方法，替漿水分段計算。

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

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

（3）水泥及處理劑準備

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）；

早強劑用量（3℅）：60kg；

性能：水灰比0.45，水泥漿比重1.83g/m3。

（4）設備、機具準備

鉆機、水泵檢查及更換易損件：鉆機性能狀態保持良好；更換水泵皮碗、封水圈等；準備灌漿器具、灌漿鉆桿、工具、接頭；水泥漿攪拌設備檢查及清理；泥漿池、灌漿池清理；清水供應系統檢查等。

1.3.2 水泥漿配制方法

材料基本加入次序：清水—干水泥—早強劑—食鹽溶液—三乙醇胺。

向攪拌桶內加入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早強劑—（水泥攪勻無團塊后）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、統計測量崗、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）漿管線級配（自下而上）

螺旋側噴式孔底灌漿器長度0.80m—Φ50mm鉆桿10立根計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，用稀泥漿沖鉆桿內壁。

第二次灌漿，重復以上程序，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，但回轉進尺較快，沖孔換漿除渣，有水泥渣返出，確定水泥已凝固，但結石強度太低，提鉆候凝。48h后下Φ97mm取心具，取水泥心檢驗水泥結石情況，以便確定側鉆時間。經對取出水泥心分析，可以開始進行側鉆工作。因1580～1584m為較佳側鉆地層，決定在此孔段側鉆。Φ97mm取心鉆進至1579.44米后，提鉆，下Φ97mm磨孔鉆具沖掃孔，孔底磨平干凈后提鉆，準備造斜。

1.4 螺桿鉆側鉆施工

側鉆鉆具級配（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無磁鉆桿3.0m—Φ71mm繩取鉆桿—Φ89mm主動鉆桿—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，定向儀器反復提放三次，誤差小于2度，記錄有關數據及現象，安裝反扭裝置，準備側鉆鉆進。

1.4.2 側鉆鉆進操作

第一次入孔鉆具級配：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無磁鉆桿—Φ71mm繩取鉆桿。定向安裝角169.4°。

鉆進參數：鉆壓500～1000kg，泵量194L/Min，泵壓1.6Mpa。首回次側鉆純鉆時間15h，側鉆孔段1579.44～1581.70m，進尺2.26m，鉆頭順老孔孔壁跑，因YL54螺桿鉆具剛性差，首回次側鉆效果不明顯。

第二次入孔鉆具級配：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無磁鉆桿3.0m—Φ71mm繩取鉆桿。螺桿鉆定向安裝角148°。

鉆進參數：鉆壓1000～1500kg，泵量149L/Min，泵壓2.0Mpa。純鉆時1240min，側鉆孔段1581.70～1584.48m，計2.78m，孔口有巖粉返出，側鉆有效果。余尺鉆完，加桿再定向繼續造斜，定向安裝角148°，進尺0.35m后泵壓高至8Mpa，確認鉆頭損壞，停泵提鉆。側鉆孔段1584.48～1584.83m，純鉆時2h。第三次入孔鉆具級配：Φ75mm電鍍取心式造斜鉆頭—YL65螺桿鉆（1.0度彎外管）—Φ71mm無磁鉆桿3.0m—Φ71mm繩取鉆桿。定向安裝角148°。

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

側鉆有效進尺孔段1582.26～1589.90m，計7.64m，新孔已完全形成。

1.4.3 穩斜鉆進及擴孔

側鉆成功后，用帶三扶正器鉆具進行穩斜鉆進3～5m，以延伸造斜效果，保證鉆孔圓滑。擴孔時擴孔鉆具必須帶下導向的。

2 受控定向鉆探用于側鉆施工的關鍵技術

2.1 造斜工具的選擇

根據孔深、孔徑、巖石硬度、鉆孔傾角大小、孔壁穩定性、鉆桿、設備以及鉆探工藝等條件進行螺桿鉆選擇。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）。為增加造斜強度，可用雙彎組合或彎外管處補焊背板。深孔造斜不提倡單獨使用彎接頭。側鉆施工，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。螺桿鉆定向接頭內徑要保證斜口引鞋的順利通過。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造斜鉆頭。中心孔需加強保徑，鉆頭旁側或分水接頭處對稱打兩個Φ6～8mm向下斜孔，以降低泵壓。鉆頭內有巖心藍裝置。首回次側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，外側刃圓弧度要小。為檢驗側鉆效果，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整

首回次側鉆時造斜工具安裝角為90°+反扭轉角。有小巖心時，轉為常規定向方式。按計算或畫圖所得結果，適當考慮反扭轉角即可。

表1為該孔中隨鉆實測的不同孔深的反扭轉角。

3 螺桿鉆造斜的操作方法及注意事項

3.1 螺桿鉆的操作方法

螺桿鉆造斜鉆進操作方法及程序如下：準備合格的孔底及沖洗介質→選造斜鉆頭→螺桿鉆地面試驗→地面定向→入孔至預定位置→孔底定向→安裝反扭矩裝置→螺桿鉆啟動→螺桿鉆造斜鉆進（可定時錄樣）→造斜結束→提鉆或加桿定向連續造斜→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→反轉分水接頭，清洗并放凈螺桿鉆內積液→檢查、保存螺桿鉆以備下次使用→造斜回次完畢。

3.2 螺桿鉆側鉆造斜操作注意事項

（1）定向時檢查并記下儀器檢驗數據；

（2）鉆前應掃清孔內障礙物，孔底應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）下鉆時鉆桿絲扣涂抹絲扣油并擰緊絲扣；

（5）下鉆時不要過快，以防因旁通閥堵塞造成內部結構螺紋脫扣和巖粉刺壞發動機，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）造斜鉆進中注意觀察泵壓表，壓力不穩時，提起螺桿鉆停泵再次試啟動，無效時提鉆檢查；

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

（8）造斜鉆進時不得隨意提動鉆具，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，再進行造斜鉆進；

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

（10）側鉆施工必須重視人工孔底的建造質量。

4 結語

受控定向鉆探是保證深孔鉆進成功的重要手段，也是處理孔內復雜事故的有效手段。雖然受控定向鉆探自20世紀30年代即已出現，發展到現在技術及機具已相當完備，但其應用于深孔，特別是小口徑深孔方面，經驗不足，尚有待進一步研究。

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（作者單位：安徽省地質礦產勘查局313地質隊，探礦工程技術研究所）