魚刺型分支孔穩斜鉆進試驗研究

趙曉明 ，畢海濤

(1.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050000；2.河北省礦山地下水安全技術創新中心， 河北 石家莊 050000)

0 引言

礦山帷幕技術發展日趨成熟，成功治理礦山地下水患的實例越來越多。但隨著礦山資源開采強度的進一步加大，開采難度逐步提高，出現了深埋礦體、裂隙發育特殊條件下的帷幕注漿工程，傳統礦山止水帷幕鉆探施工工藝不能解決上述技術難題[1]。

在傳統帷幕注漿技術的基礎上，以柔性鉆桿為關鍵工具的井下組合器具及魚刺型組合鉆孔[2]的提出有效提高了地層高角度裂隙的揭露率，保證了漿液的擴散半徑；增大了井巷內帷幕鉆孔間距，保證了鉆窩整體安全性。

隨著該項工藝應用范圍的擴大，在穩斜階段，遇到破碎地層、軟硬不均地層、地層頻繁變化時，魚刺型分支孔的穩斜效果大大降低，嚴重降低了成孔率，也增加了施工成本。在某注漿帷幕治水工程中，通過改進設備和調整工藝，有效保證了魚刺型分支孔穩斜鉆進階段的鉆孔斜度穩定性，提高了鉆孔成孔率。

1 工程概況

某礦注漿帷幕治水工程位于云南省昭通市高山峽谷地區，地層主要以泥盆系白云巖、石炭系灰巖、二疊系茅口組灰巖和峨眉山玄武巖為主，強烈的地質運動造成了多條斷裂構造穿過礦區。經過多年水文地質研究，查清了礦床的主要充水水源和通道的位置，因此采用帷幕注漿的方式解決礦山水害問題。帷幕采用魚刺型分支孔+直孔的鉆孔結構，直孔孔距為30 m，魚刺型分支孔垂向孔距為30 m左右。

由于二疊系茅口灰巖裂隙較為發育，透水性較強，受早期地質作用，存在多條斷層破碎帶，鉆孔坍塌、掉塊現象時有發生，造成魚刺型分支孔在穩斜鉆進過程中難以保持鉆進的頂角和方位角，并且鉆探設備損傷嚴重，施工效率低下，為解決以上問題，特對其進行試驗研究。

2 試驗過程

2.1 柔性鉆桿材質和熱處理工藝

鉆桿材質和熱處理方式以42鉻鉬+加厚滲氮處理的形式較好[3]。為進一步提高柔性鉆桿的使用壽命，降低施工成本，本次試驗將材質更換為 20鉻錳鈦和20鉻錳4。經過試制，發現用20鉻錳鈦材質時，球頭的光潔度不能達到技術要求，同時經加厚滲氮熱處理工藝后，硬度和耐磨性沒有明顯提高，因此20鉻錳鈦材質無法滿足設計要求。20鉻錳4材質在試件加工過程中表現較為良好，但在抗疲勞強度試驗時其抗疲勞穩定性較差，無法滿足設計要求。

通過上述試驗，認為在 42鉻鉬材質條件下，采用滲氮和加厚滲氮熱處理方式處理過的柔性鉆桿的使用壽命較長，性價比較高。

2.2 柔性鉆桿鎖母限位結構改進試驗

柔性鉆桿主要由球頭和球座兩個部分構成，鎖母是固定兩個部分的重要零件。球頭與球座的裝合精度完全依靠鎖母的松緊來實現。原設計球座限位部分絲扣較長（見圖1（a）），有足夠的行程用于鎖母的調解。但裝配過程在很大程度上受到人為因素的影響，造成裝配成型的鉆桿松緊不一，從而影響其使用。

圖1 鎖母限位設計改進[4]

針對以上情況，對鎖母安裝限位設計進行了改進。如圖1（b）所示將球頭與球座之間的接觸精度進行了多個尺寸試驗，同時進行了封閉性試壓和鉆桿活動范圍試驗，最終確定了最佳的精度。將球座的鎖母絲扣設置為固定長度，裝配過程中鎖母擰緊至底端絲扣即可，無需人為調整其松緊。

經過改進后，2020年9月27日進場300節，共計60 m。完成魚刺型鉆孔10個，進尺325 m。目前未發生卡死現象，現有鉆桿完好。通過此次改進，有效提高了柔性鉆桿的使用壽命，降低了施工成本。

2.3 柔性鉆桿彎曲角度改進試驗

現有柔性鉆桿的彎曲角度均為5°，通過對柔性鉆桿在穩斜鉆進中的受力分析，發現5°的柔性鉆桿彎曲角度較大，導致穿越破碎地層時其本身的自由度會隨之增加，鉆孔的保直率會進一步下降。由此，將鉆桿彎曲角度設為3°進行試驗。

3°柔性鉆桿的鉆進試驗情況見表1，由表1可以看出，3°柔性鉆桿在破碎地層中具有一定的保直作用，但由于其本身彎曲角度較小，受破碎地層影響，極易導致彎曲過大，造成部分鉆桿卡死報廢，但在完整地層中具有良好的保直效果。考慮降低穩斜鉆進過程中柔性鉆桿本身的自由度，以控制穩斜鉆進過程中鉆桿的彎曲角度，提高鉆孔的保直率。

表1 3°柔性鉆桿試驗

2.4 鉆頭試驗

根據前期的研究成果，穩斜鉆進鉆頭主要采用五翼PDC鉆頭和三牙輪鉆頭（見圖2），并未針對不同地層條件下穩斜鉆進過程中保直率進行研究。因此，本次研究主要針對兩種鉆頭在不同地層中穩斜鉆進的保直率進行試驗，結果見表2。

圖1是康明斯ISM440發動機制動特性曲線，制動功率隨發動機轉速的增加而增加，要最大限度地發揮發動機制動的效能，發動機必須保持高轉速，同時制動降速又必須將變速器放在低檔位，因此，發動機制動的低速特性突出。

圖2 兩種鉆頭形式[5]

表2 三牙輪鉆頭與PDC鉆頭鉆孔試驗成果

由表2中的12組試驗結果可以看出，五翼PDC鉆頭在較為完整的地層中，可較好地保持原有的方位和頂角，施工效率較高，為0.7 m/h。在較為破碎的地層中，鉆孔的偏差范圍在1.78°～28.41°內，鉆孔頂角變化不大，滿足設計要求。同三牙輪鉆頭相比，鉆孔方位偏差明顯變小，具有較好的保直率。同樣，鉆孔施工效率相對較高，達到0.7～1.2 m/h。由此，可以得出如下結論：

（1）破碎地層中，兩種鉆頭的施工效率相當，但 PDC鉆頭施工的鉆孔方位偏差范圍較小，鉆孔保直率較高；

（2）由于兩種鉆頭的工作原理不同，依靠切削鉆進的 PDC鉆頭，鉆桿震動較為嚴重，對柔性鉆桿的使用壽命產生一定的影響，綜合考慮，認為 PDC鉆頭適用于破碎地層中鉆進，且保直效果較好。

2.5 鉆具組合形式試驗

在南部帷幕地層中對柔性鉆桿+鉆頭和柔性鉆桿+扶正器+鉆頭兩種鉆具組合形式（見圖3）進行了試驗。本次研究主要針對北部帷幕地層破碎帶、巖溶裂隙發育的特點，進行兩種鉆具組合形式試驗，確定其具體的適用性，試驗結果見表3。

圖3 鉆具組合形式

表3 鉆孔試驗成果

由表3中的13組試驗結果可以看出，柔性鉆桿+扶正器+鉆頭在較為完整地層中，可較好地保持原有的方位和頂角，但施工效率較低，僅為 0.5～0.6 m/h。在破碎的地層中，鉆孔的偏差范圍在1.8°～11.87°內，保直率較高；施工效率在較完整地層中有所降低，為0.4～0.9 m/h。由此，可以得出結論：在破碎地層中，柔性鉆桿+扶正器+鉆頭的組合形式其施工效率明顯低于柔性鉆桿+鉆頭的組合，但是柔性鉆桿+扶正器+鉆頭的組合所施工鉆孔方位偏差范圍較小，鉆孔保直率較高，有利于保持鉆孔的方位和頂角。

2.6 鉆探參數試驗

鉆探參數包括鉆壓、轉速及泵量3個參數，針對北部帷幕地層經過多個分支孔施工，總結了一套針對于現場的鉆探施工參數，見表4、表5。

表4 完整地層鉆探參數

表5 破碎地層鉆探參數

表6 BK80-4鉆孔測斜數據

在破碎地層坍塌后的掃孔過程中，需將鉆壓降至1.0 t左右，泵量控制在600 L/min，轉速控制在50 r/min?？刂茠呖姿俣仍?.5 m/h，并且需反復提升鉆具確認孔內坍塌情況。

當遇地層由硬到軟突變時，降低鉆壓至 1.2～1.5 t。這樣可有效預防地層突變造成的鉆孔角度變化。

當遇地層由軟到硬突變時，需放緩鉆進速度，降低鉆壓至 1.2～1.5 t、提高轉速至 70 r/min，鉆進3 m后，可適當提高鉆壓至2.0～2.5 t。這樣可有效預防地層突變造成的鉆孔角度變化。

在鉆進過程中，發生別車現象時，需立即降低鉆壓至 0～0.2 t，轉速降低至 20～30 r/min，反復針對別車部位進行掃孔，直至無別車顯現后，方可繼續鉆進。

3 特殊地層的預防措施

北部帷幕地層較為復雜，主要以二疊系棲霞茅口灰巖和石炭系灰巖為主。由于早期地質作用，造成斷層構造較為發育，使得層間存在多處破碎帶；同時，灰巖地層裂隙發育，聯通性強，形成大量泥質充填半充填的狀態，為鉆探帶來極大的困難。鉆探過程中常發生坍塌、涌砂現象，針對此情況，在項目研究過程中進行了相關試驗，并取得了較好的效果。

3.1 泥漿護壁

選擇適合的泥漿材料以保證泥漿性能是穿過破碎帶的必要條件，針對破碎帶的類型，綜合現場各工程隊的泥漿使用經驗，選取的泥漿材料為 325目納基膨潤土、纖維素、磺化瀝青等材料[6]，根據地層坍塌程度配置相應性能的泥漿。泥漿的比重在1.14～1.16 t/m3之間可起到較好的效果。

3.2 注漿處理

針對坍塌嚴重的鉆孔，采用黏土水泥漿進行注漿處理，正常注漿后，鉆孔坍塌程度有效降低，可繼續進行剩余鉆孔施工。工程實例的 BSK3-6鉆孔施工至11.69 m處發生坍塌無法穿過，進行正常注漿處理，注漿壓力為 6.79 MPa，注漿量為 97.07 m3。掃孔后正常鉆進至終孔。BSK3-6鉆孔軌跡見圖4，注漿處理鉆孔情況見表7。

表7 注漿處理鉆孔情況統計

圖4 BSK3-6鉆孔軌跡

4 結論

本次試驗研究找到了合理的設備材質 42鉻鉬鋼材和加厚滲氮的熱處理工藝，同時改進了鉆桿結構，提高了鉆桿的使用壽命；提出了破碎地層中最佳的鉆頭選用（PDC鉆頭）和鉆具組合形式，以及穩斜鉆進的鉆探參數，有效保證了破碎地層、軟硬突變地層中魚刺型分支孔穩斜鉆進的孔斜維持性，提高了鉆孔施工效率，同時降低了鉆探成本，取得了寶貴的施工經驗，具有一定的推廣意義。