利用活動式偏心楔施工人工彎曲定向鉆孔技術

黃建強

（山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊，山東 臨沂 276000）

伴隨著地質找礦事業的不斷發展，礦山逐漸開始朝向深部采礦的方向發展，對鉆孔孔斜的要求也慢慢提高。在山東省萊州市西嶺村金礦勘探鉆探工程中，主要是通過機械巖芯鉆探，對于主礦體的深部增設加密勘探工程。在具體施工期間，由于鉆孔的彎曲度很難有效把控，需要及時對其糾斜，通過借助活動式偏心楔，對其進行優化改良，在滿足施工技術要求的同時，有效提升實際施工質量以及鉆進效率，從而為類似項目施工提供合理參考。

1 活動式偏心楔結構

偏心楔屬于導楔器的一種簡單形式，適用于硬巖層中分支或者控制程度要求較低的鉆孔有效進行導斜鉆進。活動式偏心楔屬于可取式偏心楔當中的一個類型，主要是跟隨導斜鉆進鉆具一起進入孔內，在導斜的過程中，借助傾斜的楔面，利用導斜面將鉆孔的方向改變，然后在造斜處形成急劇彎曲。當導斜鉆進完成之后，跟隨者導斜鉆進鉆具，又一起從孔內回到地面，在整個過程中，只用一次起下鉆具。

2 技術準備

在山東省萊州市西嶺村金礦勘探鉆探工程施工中，對于技術標準的要求比較高。探勘工作主要是借助機械巖芯鉆探，在主礦體的深部，增設加密勘探工程，勘探獲取高級別的資源量。對于鉆孔彎曲度的控制技術標準，有著較高的要求，保證鉆孔彎曲度滿足鉆孔的終孔位置偏離設計位置，在傾向、走向上，控制在工程間距四分之一之內，若工程不合格，便不進行驗收。在施工期間，由于鉆孔彎曲度的控制難度比較大，所以，應及時對鉆孔糾斜。該工程項目的地層主要有二長花崗巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖、絹英巖化花崗巖、似斑狀花崗閃長巖。在具體施工過程中，由于受到地層巖層、人為因素、技術因素等各方面的影響，導致施工期間出現方位角、頂角偏離設計的情況，嚴重影響施工的進度和效果，甚至使得鉆孔報廢，帶來嚴重的經濟損失。可取出式偏心楔不僅具有安全、經濟的優勢，在具體使用中還能夠保證效果。偏心楔主要是借助導斜槽，使導斜鉆具的方向發生改變，對于偏心楔楔體軸線，和原孔的軸線大致一樣，并且，偏心楔有楔頂角。沿著導斜槽的方向，鉆具軸線的方向便會與原孔的方向產生偏離，從而使得鉆孔頂角發生改變，而方位角和工具面向有一定的關系，工具面向和頂角的傾向保持一致的時候，方位沒有發生變化。偏心楔分為兩種，即固定式偏心楔、取出式偏心楔，取出式楔子的結構比較簡單，可以在機臺現場完成施工，并且可以回收，再次進行利用，不過久停留在孔內，可以確保孔內的安全，所以，取出式楔子也開始慢慢取代固定式取出式偏心楔[1]。在偏心楔的優化改良中，借助可取式偏心楔、陀螺儀、定向儀，糾正鉆孔彎曲度，這樣不僅可以滿足施工技術要求，還能夠有效促進施工質量的提升，在減少生產成本的同時，有效促進鉆進效率的提升。

3 技術要點

3.1 工程調查

在山東省萊州市西嶺村金礦勘探部分鉆探工程項目中，總共對13個鉆孔相關資料進行全面調查，通過分析現有資料，發現在鉆孔施工期間，使用可取式偏心楔糾斜的次數有27次，糾斜不成功的次數有5次，起到作用但是效果不佳的次數有8 次，效果理想的次數有14次。通過分析糾斜失敗以及效果不理想的過程，找出了相應的因素，導致糾斜失敗的原因，主要是因為定位導斜鉆進不成功或者不理想，這個問題也是當前比較重要的一大問題，需要快速解決。通過調查，在該工程項目活動實施中，主要是促進定位導斜鉆進成功率的提升。糾斜結果以及對應的因素見表1。

表1 糾斜結果以及對應的因素

3.2 原因分析

通過對工程進行分析，確定主要解決的問題是定位導斜鉆進失敗或不理想，通過全方位進行分析，可以得知造成定位導斜鉆進失敗或不理想的主要因素包括人力、機械、方法、材料、環境等。人為因素包括井口端定位不準確，下放的時候，鉆桿柱轉動，或者是劃線不直，使得偏心楔在下到孔底的時候，其位置發生一定的變化，從而導致定位導斜鉆進偏離設計軌跡。轉動偏心楔也是人為因素中的一種，不過不是主要的因素，偏心楔進入到孔底的過程中，由于人員操作不當，沒有嚴格按照規定要求進行操作，轉動偏心楔；機械因素包括測斜數據存在一定的誤差，糾斜定位的時候，無纜光纖陀螺測斜儀，無法將孔內的數據實時傳輸出去、精確掌握楔面方向[2]。測斜數量無法實時進行傳達，陀螺測斜儀外徑與偏心楔的內徑之間存在太大的差距，使得測斜儀非常容易在楔面上傾斜，從而造成方位角和頂角之間出現誤差；材料因素包括偏心楔發生損壞，在導斜鉆進期間，鉆頭與楔面之間產生一定的摩擦，導致偏心楔損壞；環境因素主要為地層較為復雜，部分時候，因為孔內的情況具有一定的復雜性，可能會出現掉塊的情況，或者是產生破碎地層，在轉動上面鉆桿的時候，下面偏心楔可能不會跟隨著一起轉動，也可能只有小幅度的轉動；方法因素主要是在具體施工中存在操作方式不恰當的問題，定向時偏心楔偏離方向。

3.3 確定要因

定位導斜鉆進失敗或者不理想的主要因素有三種。其一，井口端定位存在偏差，不夠準確。在定向過程中，需要將偏心楔轉動，在定向之前，通常是依據孔內的實際情況，下放偏心楔，當和孔底之間有一段距離的時候，定向之后，再把偏心楔下放到孔底。在下放過程中，為了保證偏心楔楔面與實際設計的軌跡沒有發生偏離情況，就需要在定向之后，在井口端固定位置、上部鉆桿等地方，做好標記，從而在下放期間，使得鉆桿標線位置惡化井口端固定位置相對。由于視覺誤差的影響，在劃線的時候可能會出現不精準的情況，也可能在鉆桿下放期間出現轉動現象，便會改變底部偏心楔的位置，使得定位導斜鉆進與設計軌跡相偏離。其二，測斜數據無法實時進行傳達。該工程項目中所使用的測量儀器為無纜光纖陀螺測斜儀，在糾斜定位的時候，由于無法直接把數據傳輸至地面，在定位時候，先在井口端設置8 個點，把測斜儀下到底部偏心楔位置，然后開始測斜，同時，在井口固定位置、鉆桿的上面，做好標記，完成測點之后，轉動鉆桿，當記號轉動八分之一圈的時候，停下來開始做記號，直到將8個點全部完成測斜工作[3]。之后，把測斜儀拉至地面，讀取數據，以此選擇和預計糾斜軌跡距離比較近的點，并轉動鉆桿，對準井口位置和鉆桿標記，按照這樣的方式完成井下定位工作，不過，由于無法實時讀取數據，導致定位存在一定的偏差，無法保證達到理想的糾斜結果。其三，測斜數據不準確，存在一定的誤差。陀螺測斜儀的外徑為4cm，偏心楔的內徑為8cm，由于尺寸的差異較大，使得兩者之間的環狀間隙比較大，在楔面上，測斜儀非常容易傾斜，從而使得方位角、頂角的誤差更大。

3.4 對策制定和實施

針對以上分析的主要原因，從實施的可靠性、可行性等方面進行分析，制定了相應的對策。針對井口端定位不準確這一問題，通過使用激光投線儀，完成打線、劃線工作；針對測斜數據無法實時傳輸這一問題，可以更換無纜測斜儀，使用隨鉆定向儀；針對測斜數據有誤差這一情況，優化偏心楔的結構，改良定向儀[4]。在具體的實施過程中，借助激光投線儀進行打線、劃線的時候，先使用激光投線儀進行打線，然后在鉆桿上面畫線，以保證結果的精度；對于無纜光纖陀螺測斜儀，將其換成JDZ-1型隨鉆定向儀，在定位過程中，依據定向儀實時傳輸至地面投影圖上的定位鍵垂向角、方位角，精準確定楔面的方向。對于偏心楔結構的優化，借助JDZ-1型鉆進定向儀，優化以往的偏心楔結構，通過增加定位鍵，有效鏈接定位儀下方的引鞋，同時，依據偏心楔的內徑，扶正定向儀的上下端。

3.5 定向施工技術

在定向施工過程中，依據地層實際情況，選擇地層穩定、完整的造斜點，最好遠離破碎、松軟的地層。在活動式偏心楔進入鉆孔之前，使用碎石子，將孔底進行填充，高度在1～2m 之間即可，借助鉆具將其搗實。接著，下鉆透孔，將孔壁上面的碎石清理干凈，使得偏心楔可以順利進入孔內。下放活動式偏心楔之前，對其楔面進行定向，借助彎鉆桿，在傾斜鉆孔內，保證其彎曲的方向一直指向鉆孔傾斜的方向，并自動定向鉆孔[5]。接著，對于鉆桿的彎曲方向，將其在鉆桿的接頭上進行標記，伴隨著鉆桿進入孔內，然后把標記線延伸，直至楔面下方的巖芯管壁。同時，對偏心楔楔面的方向進行調節，使其和標記線處于相同平面內，但確保兩者的方向相反。對于活動式偏心楔，主要借助鋸齒狀短管來固定，當楔子進入到孔的底部之后，由于受到鉆具自重影響，使得短管鋸齒插進孔底部的碎石當中，偏心楔不能夠轉動，起到固定的作用[6]。將偏心楔拉至地表面之后，下到相同徑狀的硬質合金鉆頭，然后在造斜點的周邊，找尋新孔。

3.6 經濟與社會效益

在該工程項目中，鉆孔期間遇到鉆孔下垂、方位增大等各種情況，大多數措施都沒有真正解決問題，通過采取可取式偏心楔糾斜的方式，有效提升了糾斜的成功率。通過對鉆進期間的參數進行調整，優化鉆具的結構，在檢驗過程中，ZK90-9 鉆孔獲得的結果為鉆孔彎曲每百米頂角最大偏差是1°，而方位角的最大偏差則是2°；對于ZK100-5 鉆孔驗收結果來說，不一樣的是，其方位角最大偏差是1.9°這兩者的鉆孔質量都與地質設計的實際需求相符合，并且具有較好的經濟效益。同時，該工程項目中可取式偏心楔的應用也具有較好的社會效益，在項目建設過程中，做好技術質量、安全生產等各項工作，高效完成每一項任務，且鉆孔的驗收結果比較好，在社會中取得良好的效應。

4 結語

利用活動式偏心楔施工人工彎曲定向鉆孔技術，可以有效提升活動式偏心楔在小口徑巖芯鉆探鉆孔糾斜應用中的成功率。在該技術的具體應用中，做好技術準備相關工作，然后對工程項目進行全方位調查，依據實際調查結果的內容，制定合理的技術應用目標，確定需要解決的主要問題，對具體原因進行分析，可知定位導斜鉆進失敗或者不理想與人為、材料、機械、環境、方法等各種因素有較大的關系。因此，針對該問題的主要因素進行分析，制定合理、可行的對策，通過使用較為先進的激光投線儀進行打線、劃線，使用隨鉆定向儀，優化偏心楔結構，有效解決以上問題，并獲得較好的效果，不僅促進經濟效益的提升，還獲得良好的社會效益。