定向工藝在大口徑鉆進中的應用

楊世杰

（龍煤地質勘探有限公司鶴崗地質隊，黑龍江 鶴崗 154100）

定向鉆進工藝30年代應用于石油鉆井，經過70多年的發展，目前已經能夠施工大位移、鉆井技術不斷完善，鉆井技術不斷完善。2012年我們成功造斜，完成雙鴨山市新安煤礦瓦斯避難硐室救生鉆孔軌跡修正。

1 定向鉆進的發展

定向鉆井是“使井眼在預定的方向偏轉,鉆到地下目標的科學和技術”,定向井技術廣泛應用于各個領域的工程洞,定向鉆井技術突飛猛進,在鉆探施工發揮著極其重要的作用,尤其是定向鉆井的優越性螺絲鉆更明顯,由于工程的需要，2011年，定向鉆探技術在黑龍江地勘公司得到應用。

2 定向鉆進工藝引進的前提

2011年，雙鴨山地質隊承擔雙鴨山分公司新安煤礦井下救生倉鉆孔施工項目，鉆孔設計深度為700m，由于礦方失誤，地面坐標給定平距偏差8.75m，造成鉆進至620m孔深時鉆孔穿透至井下巷道，下部鉆孔無法繼續施工，已經完成的620m鉆孔面臨報廢。

3 定向鉆進設計

新安煤礦井下救生倉孔定向鉆進是首先確定躲開井下已知巷道并留有3米安全距離，并能達到指定終孔靶點為目標點，反推造斜起始點坐標，保證造斜點孔斜度在1.5°～2°之間，盡量減少拐點彎度利于井管下入，鉆孔軌跡設計是根據上述要求進行的，可抽象為已知空間一直線和直線外一點，可確定出空間的一個平面P，如將P平面設定為造斜工具對稱面，則保持P面不動，鉆孔軌跡必是該平面上的一條曲線。

4 定向前準備工作

定向井目的是造斜、增斜、穩斜、降斜，首先我們用素水泥（水灰比！：0.55）比重在1.75～1.80之間，素水泥漿泵注由535～450之間，達到一個細膩的穩定的定向空間，定向工作就在此段素水泥中進行，灌注過程要求由泥漿泵注入，配制過程中要求罐罐測其比重，以達到符合要求才泵注，泵注結束一周后，我們開始進行定向施工。

5 定向辦法

定向井最重要的方面是高精度傾斜儀(單點光測斜儀)。指導準確偏斜軌跡。最常用的斜鉆具組合是采用單彎螺桿和動態電機組合，用于定向偏轉或扭體結構。該總成是用彎曲的次底鉆、一種彈性扭矩力井下鉆具(螺桿鉆具或渦輪)驅動鉆頭側邊切割，從原鉆孔軸線上鉆出新的鉆孔偏差，達到定向扭轉或偏轉方位角、定向鉆削的目標，嚴格按要求加壓，送鉆要均勻。螺桿鉆具是以泥漿為動力的一種井下工具，其由傳動軸總成、馬達總成、萬向軸總成、防掉總成和旁通閥總成五大部分組成。

6 定向鉆具組合

采用以下鉆具組合∶215.9mm鉆頭+165mm單彎螺桿+158.8mm無磁鉆鋌1+158.8mm鉆鋌3柱+89mm鉆桿。

7 定向工藝過程

將螺鉆、非磁性鉆桿和鉆頭組裝在一起，檢查螺桿鉆是否運行良好，是否起動和運行泵壓力正常。偏轉點擊開始于473.8米,1.5度首先介紹了單彎螺桿,S2000鉆機轉盤的鎖還在鉆探過程中,單彎螺桿固定軸承,旋轉電機產生轉矩方向偏轉這個階段需要完成平穩緩慢滲透,在每次和鉆桿記下單一彎曲方向,在添加鉆桿之后將是一個單彎螺桿回到原來的方向,因為新安礦巖石硬,偏轉點擊形成穩定,可可性好的鉆間隔。經過近10天的現場操作，我們逐漸進入了503米的巖石，524米完全進入了巖石。我們的團隊成功地完成了這個方向井的施工工作。

8 定向測斜

定向井最重要的部分是使用高精度傾斜儀(單點攝影測斜儀)來指導精確的偏差軌跡。攝影測斜儀精密薄板和多點攝影測斜儀精度一般0.3°角誤差,方位誤差為0.5°。測斜儀測斜時，鐘擺總是指向重力線的方向，重力和儀器軸線角度是指鐘擺的角度偏離了記錄的投影位置。井的測量擺角位于軸的垂直方向和儀器的軸線(井眼方向線)。井的垂直和水平面的交點是井斜線。在羅盤平面上擺的投影位置與羅盤的N極之間的夾角是井的方向角，如圖1所示。(注∶在礦井中，羅盤方位與實際位置相反)。

圖1 井下測量儀角度

膠片數據的讀取∶圓形膜被清除，在地面上沖洗和閱讀。當閱讀角度值時，你應該通過垂直的線從同心環的中心畫一條射線。這個井的角度是從中心到十字架的圓的數目，方位角是經過插入在周邊的半徑線中得到，膠片數據的讀取井斜方位角NE48°，井斜角5°。

9 螺桿鉆定向鉆探裝備及技術要求

9.1 鉆機

鉆機在螺桿鉆鉆進中的作用是提下鉆具，控制鉆壓，也可用來固定鉆柱周向轉動。①由于螺桿鉆的輸出扭矩有限，要求鉆機軸向施壓平穩均勻，否則將導致螺桿鉆制動，鉆機應具備緩慢均勻的給進能力，同時應配備一定精度的孔底壓力表。②一旦螺桿鉆在孔內制動，要迅速卸除螺桿鉆上的鉆壓，并迅速將鉆具提離孔底，否則將可能破壞馬達定子，因此要求鉆機有迅速短距離提升鉆具的能力。③螺桿鉆定向鉆進時，鉆機的回轉器與升降機均不用工作，如鉆機給進系統與回轉器，升降機動力分置，將大大節約能耗。

9.2 泥漿泵

螺桿鉆工作需要較常規鉆進更大泵排量，大排量介質在孔內循環必產生較正常鉆進大得多的流動損失，介質通過螺桿鉆時也會產生較大的壓降，因此，相對于常規鉆進來說，螺桿鉆鉆進對泥漿泵有更嚴格的要求。泥漿泵的額定排量大，額定壓力高。螺桿鉆要求泵送的動力介質流動穩定，否則就不能正常工作。泵壓是判斷孔內狀況的重要參數，必須為泥漿泵配置靈敏度搞、分辨率大的泵壓表。根據上述要求，我們選用BW-850/5-7泥漿泵，基本可以滿足要求。

10 造斜件組合形式與工具面定向原理

所謂造斜件，即是組裝在螺桿鉆上能使鉆頭產生側向力的器件，我們采用了可調或造斜件，鎖定造斜角度（2.5°～1.75°之間），當上部鉆壓通過鉆柱傳至鉆頭，螺桿鉆工作扭距通過造斜件組合傳給鉆頭，而造斜件角度被鎖定不動，從而完成造斜定向工作。

當螺旋鉆是定向鉆時，所有的鉆柱只顯示電機驅動軸和旋轉鉆頭。的方向總是指向一個給定的鉆頭側向力,側向力主要取決于偏轉外傾角的大小,在一定偏轉回時間,造斜截面抗彎強度可以被看作是一個常數,這兩個決定了鉆孔基本上是一個空間的曲率半徑是一個常數的平面圓形軌跡。

孔底造斜鉆具的反扭距對安裝角的影響，螺桿鉆反扭轉角是定向時必須考慮的一個因素，鉆具的反向扭轉，是因為開泵時螺桿馬達定子對鉆柱作用了一個與鉆頭回轉方向相反的扭距產生的，因而帶動造斜件朝反時針方向扭轉一個角度，從而改變了造斜工具的原來安裝角。

11 定向鉆進工藝

準備工作。下入螺桿鉆前首先下鉆探明鉆孔下部水泥封孔堅固情況，是否符合造斜所必須的水泥強度。泥漿采用水解聚丙烯酰胺(水解聚丙烯酰胺)，在混凝泥、劣質粘土、改善泥漿流動性、減少摩擦、提高鉆井速度等方面進行鉆屑。性能指標：粘度18～20S，PH值7～8；密度1.04～1.08，失水量30L/30min；含砂量〈1%。

加重鉆鋌選用?214mm、?178mm、?159mm。

鉆頭：為了便于定向造斜，根據螺桿鉆和無磁鉆廷直徑，一開、選用?215.9mm三牙輪鉆頭。二開、選用?280mm擴孔鉆頭。三開、選用?320mm三牙輪擴孔鉆頭。①下入螺旋鉆前，必須確認孔內干凈，清理循環系統保證泥漿性能。②檢查高壓管密封和聯結，檢查泥漿泵工作性能及泵壓表準確性和靈敏度。③組裝螺桿鉆，設定偏斜角度，鎖死偏斜鉆具。④螺旋鉆在表面上進行了測試，記錄了螺旋鉆的位移、壓力和運行情況。⑤下鉆時逐根檢查鉆桿內的清潔和暢通情況，防止螺桿鉆轉子卡死。⑥將鉆具下到孔底懸高孔底0.1m～0.2m的位置稱重。將泵量調至螺桿鉆鉆進所需檔位，開泵對螺桿鉆進行試運轉，同時記錄泥漿泵的排量及壓力。

12 結語

應用該項技術，2012年我們成功造斜，完成雙鴨山市新安煤礦瓦斯623m進尺損失，并使定向鉆進工藝得到引進。

參考文獻

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