離線移位初級定向技術在鳳太礦區某孔斜嚴重鉆孔施工中的應用

李國才，祁恩強

（寶雞西北有色七一七總隊有限公司，陜西 寶雞 721004）

陜西鳳太某鉛鋅銅礦體近東西走向，埋藏深度850m左右，礦體受背斜構造控制，圍巖主要為千枚巖，產狀較陡，可鉆性好，鉆進中普遍存在嚴重孔斜問題，極大地制約了鉆探施工質量和效率，影響了對礦體埋藏地質條件及成礦規律的及時驗證和評價。在分析ZK4002鉆孔先后六次開孔、歷時13個月施工中的鉆進工藝措施及測斜數據的基礎上，總結出鉆孔方位及傾角偏斜規律和幅度，繪制鉆孔空間軌跡，最終采用離線移位初級定向法重新確定鉆孔位置及開孔參數，利用自然彎曲規律使鉆孔成功進入預定靶區見礦終孔[1]。

1 地質條件及技術要求

礦區地處秦嶺主脊南部，為中高山地形，山脈多呈東西向延展，與區內主要構造走向一致，地形陡峻，溝壑縱橫，相對高差300m～700m。地層從下至上一次為中泥盆統結晶灰巖、含生物碎屑灰巖及硅化灰巖，上泥盆統含炭千枚巖、鐵白云質千枚巖、綠泥質千枚巖。礦體受背斜構造控制，賦存于千枚巖和灰巖之間。巖石級別為Ⅵ類。

表1 鉆孔設計參數

技術要求：方位和傾角每50m測量一次，頂角允許彎曲≯1°/100m，方位角偏差要求穿過礦層（下盤）點，不得偏線左右25m，平均巖心采取率≥70%，近礦圍巖和礦心采取率≥85%，巖心采取率為0時，采取措施補采。近礦圍巖及在礦體中鉆進提鉆采心間隔≤1m，孔深驗證間隔每100m一次，誤差≯1‰。

2 主要技術問題

2.1 鉆孔自然彎曲嚴重

2.1.1 以往鉆孔彎曲情況

為了做好該鉆孔施工前技術設計，對礦區1993-2006年施工 的ZK801、ZK1201、ZK1601、ZK1602、ZK2401、ZK2402、ZK6401和ZK4001孔測斜資料進行了統計分析， 繪制出該礦區孔斜趨勢見下圖1、圖2，得出方位及傾角偏斜規律和幅度結果，作為制定ZK4002鉆孔技術設計文件中關于鉆孔彎曲預防措施的依據。

圖1 某鉛鋅銅礦區傾角隨孔深變化曲線

圖2 某鉛鋅銅礦區方位隨孔深變化曲線圖

2.1.2 ZK4002鉆孔原孔位施工經過

ZK4002孔施工難點在于見礦位置控制點深，鉆孔方位和傾角自然彎曲嚴重[2,3]。

ZK4002鉆孔設計孔深900m，方位20°，傾角82°。2015年6月14日開鉆，開孔方位35°，傾角85°，6月24日鉆進至孔深132.56m時，測孔方位8o，傾角83o，由于傾角上漂太快，繼續鉆進施工達不到設計目的而報廢。6月30日第二次開孔，開孔傾角87o，方位50o，7月16日至18日在孔深158m處和169m處共糾斜兩次，均無效果，7月20日鉆進至孔深195.66m，測孔方位6.35o，傾角83o，鉆孔方位和傾角跑斜嚴重，繼續施工還是達不到設計目的，決定再次報廢重新開孔。7月24日第三次開孔，開孔傾角87o、方位70o，8月10日鉆進至孔深235.45m，測孔傾角79o，方位358o，繼續施工仍然滿足不了設計要求，8月11日施工機臺決定放棄施工。

9月23日再次組織鉆機進場施工。10月11日開鉆，開孔傾角87o，方位63o，鉆進至227m時傾角84o，方位10o，跑斜依然嚴重，施工機臺于10月28日放棄施工，由于進入冬季，不具備施工條件，暫停組織施工，組織工程技術人員和施工機臺再次研究施工方案，準備下年度提早進場施工。

2016年初第三次組織施工，3月11日開鉆，20日鉆進至孔深108m后測孔傾角為84o，方位為0o，孔斜問題依然沒有有效方法克服，灌注水泥架橋后用套管楔子糾斜處理。5月9日鉆進至孔深320m后傾角為80-81o之間，傾角上漂太多，又從110m處用套管楔子糾斜，糾斜后用偏心防斜鉆具（引進的專利防斜鉆具）鉆進施工至160m時傾角為85o，5月16日灌注水泥再次套管楔子糾斜，19日透孔發現凝固不好，20日再次灌注封孔，23日開始掃孔從129m處再次偏孔，并采用偏心防斜鉆具鉆進至孔深169m后，測孔驗證防斜效果并不明顯，機臺放棄繼續施工。

8月15日第四次組織機臺進場施工，9月3日鉆進至150m，測孔后發現鉆孔偏斜依然嚴重，后采取從井口擴孔的措施進行處理，擴出新孔后繼續鉆進至207m，測孔數據表明鉆孔偏斜依然很嚴重，在原地盤施工方案不可行，機臺放棄施工，9月17日全部撤離。

該鉆孔施工采用招標形式確定施工單位，先后有四家單位的機臺6次開鉆施工，均因鉆孔跑斜嚴重而中途放棄施工，共報廢進尺1317.67m，不但給施工單位造成了巨大的經濟損失，而且延誤了勘探工期，也為我們后期施工帶來巨大的風險和挑戰。

2.2 孔斜問題分析

為了按期完成所承擔的地質勘查項目任務，單位決定組織自己的隊伍完成該鉆孔施工任務。面

對同行多次施工而失敗的現實，鉆進孔斜問題依然是能否完成任務的最大風險和難題。要解決這個難題，對本礦區以往鉆孔施工資料和ZK4002孔本次施工的七次施工工藝、采用的技術措施進行全面分析研究十分必要，使制定的施工方案科學可行。

ZK4002孔原孔位有六次開孔鉆進經過，我們對其中四次鉆進時所采取的預防措施和效果、測孔數據與偏斜規律進行了分析，見表2。

經過分析研究認為，本礦區礦床賦存空間受背斜構造控制，為滿足礦產地質評價鉆孔與礦體夾角要求，鉆孔必須設計為斜直孔或斜彎曲孔。本礦區鉆進主要地層巖性為千枚巖，可鉆性好，但千枚巖層理發育，位于背斜南部的鉆孔，鉆孔軸線與地層層面夾角大，與地層走向夾角小，頂層鉆進促使鉆孔傾角上漂、方位順層向西偏斜；位于背斜北部的鉆孔，鉆孔軸線與地層層面和走向夾角小，鉆進時順層促使鉆孔傾角上漂、方位順層向西偏斜。

鉆孔自然偏斜規律明顯，彎曲幅度及數值有利于對鉆孔軌跡做出比較精確預判，有利于采用離線移

位法對鉆孔進行初級定向設計。經過與地質工程技術人員充分溝通，同意利用鉆孔自然偏斜規律完成鉆孔施工方案。

3 鉆孔施工方案設計

以原ZK4002孔位為起點上，開孔傾角82°方位20°，以地質設計見礦點（848-852m）為圓點半徑25m范圍為目標靶區，按已知偏斜規律和幅度，開孔傾角預下垂6°至88°、方位向東預偏50°至70°，按傾角2.5°～3°/100m對應方位3°～5°/100m，分別 計 算 出50m、100m、150m、200m……700m、750m、800m、850m的傾角和方位（方位角只測算到600m處，其后方位角基本變化不大），用均角全距法計算出對應孔深坐標，以最接近已知鉆孔自然彎曲曲線那條為準，平移鉆孔軸線至見礦點處，沿勘探線平移到礦點的平移量即新孔位南移距離，偏離勘探線位移量即新孔東移距離。

表3 鉆孔主要節點軌跡實際參數

最終確定的移位ZK4002孔新開孔位置，偏離勘探線向東平移61m、向南平移54m。

4 鉆進工藝

4.1 主要設備儀器、管材

HXY-44鉆機（柴油機動力），SGX-17四角鉆塔，BW-250泥漿泵，Js-1500取芯絞車，SN14-8N擰管機。

測斜儀：KXP-1型，LHE3701。

BD-14定向儀，LZ65螺桿鉆具。

地標S95、S75鉆桿鉆具，SA56鉆桿鉆具等。

4.2 鉆進方法

鉆孔以S95和S75口徑金剛石繩索取心工藝鉆進為主。借鑒本區域相同地層條件下不同口徑鉆孔測斜數據的分析，φ122mm和φ95mm口徑的鉆具剛性較大，導向性好，鉆進過程中抑制孔斜效果較好。第四系覆蓋層使用硬質合金鉆具開孔鉆進，安裝孔口技術套管后，使用S95繩索取芯鉆具鉆進至310m，310m～810m使用S75繩索取芯鉆具鉆進。鉆進過程中，根據測斜數據作圖跟蹤監控，發現鉆孔方位回歸幅度不夠，在深度633.59～636.09m用LF-65螺桿鉆具向西定向造斜鉆進糾方位，由于造斜孔段形成“狗腿彎”，經磨孔修正后繼續用S75鉆進，施工中斷鉆桿頻繁，最后在810m改用SA56繩索取芯鉆至終孔。

鉆孔所在區域地層完整，孔壁穩定性較好，為防止千枚巖水敏縮徑和造漿，全孔使用了無固相沖洗液。

4.3 設備安裝及初級定向

設備安裝堅持了“周正、水平、穩固”和“三點一線”的基本要求，重點校測了設備安裝水平程度和開孔方位和傾角。

移位后在鉆孔設計的基礎上開孔方位和傾角均采取了初級定向，開孔方位由原來設計20°變成70°，傾角由82°變成了88°。

5 實鉆情況

2016年10月2日，組織人員進場架設索道、修建便道和修建地盤，11月9日開鉆，開孔采用Φ130合金鉆具，鉆進至3.00m后下入Φ127套管3.00m，再采用S95金剛石繩索取芯鉆進至10.00m見完整巖層，于是選擇用Φ110合金鉆具擴孔至8.00m后下入Φ108套管8.00m，繼續采用S95金剛石繩索取芯鉆進至310.97m后下入Φ89套管310.97m；換用S75金剛石繩索取芯鉆進至368.10m，測孔發現傾角上漂了2 o，起拔套管重新用S95金剛石繩索取芯擴孔鉆進，至404.10m再下入Φ89套管404.10m，再用S75金剛石繩索取芯繼續鉆進。

鉆進過程中，根據測斜數據及時作圖跟蹤監控，預判鉆孔鉆進趨勢。孔深600m時，發現鉆孔方位回歸幅度不夠，繼續鉆進鉆孔見礦點偏離靶區誤差滿足不了設計要求，在深度633.59m～636.09m用LF-65螺桿鉆具向西定向造斜鉆進糾方位，造斜鉆進2.50m，造斜前方位3.5 o，造斜后方位349.5 o，促使鉆孔加速向勘探線方向繼續鉆進，造斜達到預期效果。

造斜鉆進形成了“狗腿彎”，雖經反復磨孔修理，但消減急彎效果不顯著，在后續鉆進中，造斜孔段鉆桿折斷頻繁，在孔深810.89m時，換SA56口徑鉆具鉆至設計孔深900m，又延伸鉆進至1055.86m終孔。

移位后鉆孔目標靶區：孔深850m，X=160m，Y=61m，中靶時X=138.00m，Y=58.64m，相對誤差X=+22m，Y=+2.36m，鉆孔實際在855.86m處見到了設計的目標地層。

鉆孔主要節點軌跡實際參數與目標靶區對應情況見下表。

在目標礦體埋深大、鉆孔自然彎曲如此嚴重條件下，采用初級移位定向法設計鉆孔并完成了鉆進施工任務，達到地質設計目的，實屬不易。

6 結語

（1）分析總結礦區鉆孔自然彎曲規律，應用初級定向技術做好施工組織技術設計，充分利用好地層自然彎曲幅度十分必要。

（2）及時準確做好定向鉆孔空間軌跡跟蹤檢測，采取積極應對措施予以糾正，是提高鉆孔中靶精度的關鍵。

（3）雖然定向造斜鉆進工藝過程繁雜，成本高，但可以保證鉆孔施工質量，綜合效益好。

（4）本工程前期13個月施工所采取的工藝措施和經驗，為ZK4002孔最終取得成功奠定了基礎，同樣具有積極意義。