江西省弋陽銅礦陀螺儀與偏心楔定向側鉆繞障技術實踐

羅康杰，陳克林，李樹民

（江西有色地質勘查一隊，江西 鷹潭 335000）

江西省弋陽銅礦詳查礦區(qū)ZK2003孔，設計孔深400m，開孔傾角77°，方位角200°，鉆遇巖層依次為第四系表土層、變石英角斑巖、泥質灰?guī)r、絹云母千枚巖，斷層間夾多層3m～50m破碎帶，破碎帶主要由變石英角礫、粘土膠結而成。鉆孔采用￠95mm口徑施工至孔深296.91m時，孔內(nèi)破碎帶掉塊、塌孔，孔內(nèi)阻力突然增大，發(fā)生斷鉆桿事故，馬上起下鉆準備用絲錐打撈斷落的鉆具，打撈時發(fā)現(xiàn)鉆孔繼續(xù)掉塊、坍塌，破碎的巖塊掩埋了鉆具事故頭。斷落孔內(nèi)的鉆具包括內(nèi)外管總成，￠89mm鉆桿共計20余米。為加快事故處理進度，降低事故損失，決定采用定向側鉆繞障技術，在滿足地質技術要求的情況下，側鉆偏孔繞過事故孔段。

1 側鉆方法選擇

目前國內(nèi)側鉆造斜器具主要有偏心楔、LZ連續(xù)造斜器、螺桿鉆具三種：偏心楔側鉆定向不精確，傳統(tǒng)方法是在鉆桿劃線確定楔面方位，誤差大，也不可取，側鉆孔段有“狗腿”急彎，造斜后鉆進難度大；LZ連續(xù)造斜器操作復雜，精度低，不適用于復雜地層造斜；螺桿鉆具定向造斜是非常成熟的工藝，精度高，效果也非常好，但設備配置要求高，工程造價較高，該孔有多層破碎帶且掉塊嚴重，有較高風險卡、埋儀器。此外，一般側鉆工藝均需水泥營造人工孔底，而偏心楔可在下端與￠89mm廢舊鉆桿連接為一整體，其目的是支撐偏心楔到位，取代水泥架橋。結合各側鉆器具優(yōu)缺點，決定使用新技術與老工藝相結合的方法，即偏心楔＋光纖陀螺測斜儀的定向側鉆繞障的方法，達到快速繞開事故孔段的目的。

2 側鉆造斜設備

ZK2003孔施工時選用的設備為XY-4型液壓立軸式巖心鉆機和BW-250型泥漿泵，造斜前，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，其設備分別為：①￠89mm偏心楔，采用￠89mm繩索取心鉆具外管制作，偏心楔頂角為1.25°。②特制同心圓環(huán)齒錐形鉆頭、變徑接手若干、0.8m短鉆具等。③JTL-40GX光纖陀螺測斜儀，配套的電動絞車、地面顯示儀等。

3 定向側鉆繞障施工工藝

（1）定向側鉆繞障施工工序。光纖陀螺測斜儀+偏心楔定向側鉆繞障技術施工的程序是：確定側鉆的層位、偏心楔楔面的安放方位→換漿、清孔→下入偏心楔→定向→造斜鉆進→修孔鉆進→分支孔鉆進→測斜。

（2）造斜前準備工作。①確定側鉆位置：根據(jù)鉆孔巖心軟硬、完整程度，鉆具事故頭斷落位置，選擇在孔深264m處（完整的泥質灰?guī)r）側鉆；②根據(jù)技術要求，ZK2003孔下入偏心楔側鉆時應減小鉆孔方位角，頂角變化影響不大。③換漿、清孔：ZK2003孔巖層破碎，要選用優(yōu)質、潤滑性能好的泥漿作為沖洗介質，一是可以起到排粉護壁的作用，二是有利于保護偏心楔工作面，下入偏心楔前，下鉆開泵洗孔，確保孔內(nèi)干凈、孔底無沉渣，以保證偏心楔順利下入預計孔深。

（3）定向。定向操作步驟如下：①將偏心楔吊裝在井口，下光纖陀螺測斜儀，按工具面角0°、90°、180°、270°轉動偏心楔，檢測儀器是否準確可靠。②綜合地質技術要求及側鉆后施工難易程度，ZK2003孔計劃頂角不變，方位減小，理論工具面角應為270°，但安裝角=理論工具面角+反扭角。反扭角取決于鉆壓、鉆桿類型和長度、井斜角的大小，使用粗鉆桿時反扭角小，是經(jīng)驗值，￠89mm繩索鉆桿反扭角大小取為20°/1000m。因此ZK2003孔在孔深264m造斜只降方位角時，理論工具面角為270°，反扭角估算為5°，因此安裝角為275°。③下入￠89mm偏心楔，偏心楔底端與￠89mm廢舊鉆桿連接營造人工孔底，為保證連接牢固可靠，偏心楔下端所有鉆桿接手全部焊接。下放偏心楔時應認真操作，不可操之過猛，要緩慢平穩(wěn)。④下放光纖陀螺測斜儀，當定向引鞋入鍵后，通過轉動￠89mm鉆桿來調整偏心楔的安裝角度。⑤轉動￠89mm鉆桿，直到光纖陀螺測斜儀顯示的工具面角讀數(shù)為275°，定向結束，取出測斜儀。儀器引鞋進入偏心楔定位靴后應反復提拉3次～5次，工具面角讀數(shù)誤差在3°內(nèi)，方能確定儀器入鍵，此時定向才準確可靠。轉動鉆桿時只能正轉，反轉容易引起鉆桿回扣。在轉動鉆桿時應反復提拉鉆桿，消除鉆桿扭勁，定向才能準確。⑥定向結束后，偏心楔須坐牢坐實，要讓張爪充分張開抓住孔壁，不讓其有轉動的余量；同時，位于孔口的￠89mm鉆桿需焊接固定，防止偏心楔轉動和下行。

（4）造斜鉆進。定向成功后，降金剛石鉆具造斜鉆進，造斜鉆具的組合及造斜鉆頭的選擇是過楔面技術的關鍵。為防止鉆頭破壞偏心楔，造斜鉆頭為特制同心圓環(huán)齒錐形鉆頭，鉆頭設計外徑76.5mm，小端外徑66mm，胎體高度14mm，錐體高度8mm，鉆頭胎體硬度為10～15。在鉆進過程中，鉆頭在其錐面的導入作用下，能夠順暢地通過偏心楔楔面，不至于在楔面上擱淺或損壞偏心楔。造斜鉆進鉆具組合為：主動鉆桿+￠71mm繩索鉆桿+￠50mm鉆桿（4.5m）+￠73mm粗徑鉆具（0.8m）+￠76.5mm擴孔器+￠76.5mm圓錐鉆頭。降金剛石鉆具到距楔頂面0.5m時開泵沖孔，以低速（97r/min）回轉立軸并啟用立軸油缸控制鉆具緩慢下行，不能用鉆機卷揚提動鉆具試探楔頂面位置。當立軸回轉有異常響聲反應時，表明鉆頭碰刮孔壁和楔面，進入造斜狀態(tài)。造斜初始階段以小規(guī)程參數(shù)（轉速：97r/min～178r/min，鉆壓：3kN～10kN）均勻造斜鉆進，以防出現(xiàn)造斜急彎或破壞楔面。隨著造斜進尺的增加，克取孔壁巖石的面積增大，鉆頭過完楔面后，可給以正常參數(shù)（轉速：255r/min～370r/min，鉆壓：10kN～13kN）鉆進。造斜鉆進中，在距偏心楔頂1/3段，由于偏心楔壁較薄，鉆進速度應控制在0.8～1m/h，鉆速過慢易造成鉆頭對楔面磨銑量過大，影響偏心楔強度。利用圓錐取心鉆頭鉆進，取出側鉆分支孔巖心，驗證造斜效果，鉆進2m后，方可進入修孔工序。

（5）修孔工序。在偏心楔造斜過程中，雖然偏心楔斜面的頂角只有1.25°，但自造斜鉆頭在楔頂接觸巖石鉆進的同時，老孔與新孔間的孔壁上也會自然形成一個彎度，俗稱“狗腿”彎[1]。修孔即是削磨“狗腿”彎，具體做法是在距偏心楔頂下約2m的范圍內(nèi)，反復掃磨，消除或減緩“狗腿”彎，以圓滑鉆孔軌跡，方便以后安全鉆進。修孔后反復提上、降下鉆具，確認無遇阻現(xiàn)象即可轉入分支孔鉆進程序。修孔鉆進鉆具組合為：主動鉆桿+￠71mm繩索鉆桿+￠50mm鉆桿（4.5m）+￠73mm粗徑鉆具（0.8m）+￠76.5mm擴孔器+￠76.5mm普通鉆頭。

（6）分支孔鉆進。為防止分支孔鉆進時破壞偏心楔，鉆頭外徑應小于造斜孔徑，選用￠75mm金剛石鉆頭和￠75.5mm的擴孔器，同時為減少起下鉆時刮碰偏心楔次數(shù)，應選用高胎體、進口料的長壽命鉆頭[2]。側鉆分支孔的初始階段采用短鉆具取心鉆進，其目的是避免鉆具處于偏心楔楔面上，擾動、磨損偏心楔；再者，為減少鉆頭的側向力，控制鉆孔彎曲度，是分支孔鉆進初始階段穩(wěn)斜鉆進的需要。繩索取心短鉆具的總成長度，根據(jù)造斜孔段的長度確定。本次造斜孔段總長度為2m，據(jù)此確定取心鉆具外管總成長度不大于2m，使用短鉆具鉆進5m后，換回常規(guī)繩索取心鉆具鉆進，直至順利地將分支孔鉆進至終孔。

（7）注意事項。①要用優(yōu)質泥漿護壁，確保孔內(nèi)干凈、孔底無沉渣，一是防止光纖陀螺測斜儀在定向時發(fā)生卡、埋現(xiàn)象，二是保證偏心楔能順利下放到位，且坐牢坐實，不會出現(xiàn)下移錯位現(xiàn)象。②泥漿濃度應適宜，過小，起不到護壁作用，濃度太大，光纖陀螺測斜儀探管引鞋難以入定位鍵，影響定向。③定向完成后，要固定住偏心楔和￠89mm鉆桿，防止轉動和下行錯位。④下入次一級口徑鉆桿造斜時應在短粗徑鉆具上端連接一根￠50mm鉆桿，增加底部鉆桿柔性。⑤造斜初入楔面位置時不可操之過猛，應注意控制鉆進參數(shù)，防止破壞偏心楔。⑥鉆頭在過楔面無明顯偏孔進尺時，不能長時間停留在一個點面上研磨，應及時提升鉆具查明原因，否則易造成楔面破壞。⑦分支孔先采用短粗徑鉆具取心鉆進，一是利于偏孔穩(wěn)斜，二是避免鉆具刮碰偏心楔，待分支孔進尺超過常規(guī)粗徑鉆具長度時，再換回常規(guī)繩索取心鉆具鉆進。

4 側鉆繞障效果

ZK2003孔在孔深264m處（完整的泥質灰?guī)r）側鉆，并成功偏孔繞過事故孔段，分支孔鉆進10余米后及時測斜，測斜數(shù)據(jù)（見表2）表明，定向側鉆后，ZK2003孔頂角幾乎不變，方位角減小了5°～6°，滿足了地質技術要求，達到了定向側鉆繞障技術實踐的預期目標。繼續(xù)鉆進110余米后，ZK2003孔順利終孔，終孔孔深379.68m。

表1 定向側鉆前后測斜數(shù)據(jù)

5 認識與體會

（1）工程實踐證明，陀螺儀與偏心楔定向側鉆繞障技術與傳統(tǒng)側鉆方法相比較具有以下優(yōu)點：①側鉆器具偏心楔制作簡單、成本低，操作簡單方便；②造斜側鉆周期短，用廢舊鉆桿取代水泥架橋，不僅架橋成功率高，而且減少了水泥候凝時間和掃水泥柱時間；③定向精準，可根據(jù)鉆孔軌跡制定需要的側鉆偏孔方向；④側鉆繞障效果明顯，達到了低耗高效的效果。

（2）雖然陀螺儀與偏心楔定向側鉆繞障技術在ZK2003孔取得了很好的效果，但也存在以下不足之處。①定向精度有待提高，因為反扭角是根據(jù)施工經(jīng)驗估算的，不是精確的。②側鉆孔段有“狗腿”急彎，造斜后起下鉆容易刮碰偏心楔，鉆進時負荷大，易發(fā)生斷鉆桿事故。因此應選擇楔頂角較小（1°～1.3°）的偏心楔，避免鉆孔出現(xiàn)強烈的“狗腿”彎。③難以實現(xiàn)同徑側鉆偏孔，需下入小一級口徑鉆具分支側鉆繞障。

（3）陀螺儀與偏心楔定向側鉆技術可快捷、可靠地實現(xiàn)分支側鉆，繞開事故，減少事故對鉆孔的經(jīng)濟損失，也是我們今后施工分支定向孔、定向糾斜行之有效的技術手段。