山東蘭陵鐵礦強造斜地層鉆探鉆孔軌跡控制技術

摘要：在新一輪找礦突破戰略行動的指引下，小口徑繩索取心鉆探技術也向“深、斜、難”方面不斷創新發展。在“斜”這一方面，定向鉆進技術仍然是一項重要的技術難題。隨著近幾年不同科研單位和鉆探施工隊伍對小口徑繩索取心鉆探鉆孔軌跡控制技術方面研究的逐漸深入，各種鉆孔軌跡偏斜、糾斜的方法也在不同類型的鉆孔中進行試驗實施，但糾斜的質量效果不盡相同。本文以蘭陵鐵礦小寨子古林礦段施工的9個定向鉆孔為研究對象，通過研究強造斜地層中小口徑繩索取心鉆探鉆孔軌跡控制技術問題，對比分析不同的鉆孔軌跡控制技術方法，總結出一套專門應對強造斜地層的綜合鉆孔軌跡控制技術體系。

關鍵詞：蘭陵鐵礦；強造斜地層；小口徑繩索取心鉆探；定向鉆進；山東

中圖分類號：TD861.1" " "文獻標識碼：A" " "doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.12.005

引文格式：張云龍，黃建強，宋彬濱.山東蘭陵鐵礦強造斜地層鉆探鉆孔軌跡控制技術［J］.山東國土資源，2024，40（12）：33-41. ZHANG Yunlong，HUANG Jianqiang，SONG Binbin， et al. Borehole Trajectory Control Technology of Small-caliber Wireline Core Drilling in Strong Deflection Formation of Lanling Iron Deposit［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（12）：33-41.

0引言

在新一輪找礦突破戰略行動的指引下，小口徑繩索取心鉆探技術向“深、斜、難”方面不斷創新發展［1］，小口徑繩索取心鉆探鉆進強造斜地層極易發生鉆孔軌跡偏斜問題，利用小口徑繩索取心定向鉆進技術解決鉆孔軌跡偏斜問題難度很大。最近幾年，不同科研單位和鉆探施工隊伍對小口徑繩索取心鉆探鉆孔軌跡控制技術方面研究的逐漸深入［2］，各種鉆孔軌跡偏斜、糾斜的方法也在不同類型的鉆孔中進行試驗實施，但糾斜的質量效果不盡相同［3］。山東省蘭陵縣古林蘭陵礦區小寨子古林礦段鐵礦勘探轉采工程項目是臨沂市重點建設項目［4］。該礦床是目前蒼嶧鐵礦帶發現的埋深最大的大型磁鐵礦床［56］，同時也是在強造斜地層中實施鉆探工作。在強造斜地層中實施小口徑繩索取心鉆探技術極易發生鉆孔軌跡偏斜，若軌跡偏斜過大會造成鉆孔質量無法達到鉆探地質目的，造成鉆孔報廢，因此解決好鉆孔軌跡控制問題十分必要。本次鉆探共施工9個定向鉆孔，在強造斜地層中實施小口徑繩索取心鉆探鉆孔軌跡控制技術，均圓滿完成了靶心距離不超過25 m的技術要求。本文通過對比分析施工過程中不同的鉆孔軌跡控制技術方法，總結出了一套專門應對強造斜地層的綜合鉆孔軌跡控制技術體系。

1概況

1.1項目概況

山東蘭陵縣古林-蘭陵礦區小寨子古林段鐵礦勘探轉采工程項目，位于蘭陵縣新興鎮古林村東（圖1）。共施工鉆孔9個，孔深在982.05～1 255.85 m之間，完成鉆探總工作量10 017.7 m，于2023年9月18日正式開鉆施工，2024年5月10日完成所有工作量，鉆孔合格率100%。

1.2地質概況

礦區位于華北陸塊（Ⅰ）魯西隆起（Ⅱ）魯中隆起區（Ⅲ）棗莊斷隆帶（Ⅳ）磨山凸起（Ⅴ）的西北緣，蒼嶧鐵礦帶南部礦帶，區內基底和蓋層中褶皺構造和斷裂構造均較發育，屬于地質構造較復雜區。蓋層褶皺構造主要表現為近EW向展布的舒緩褶皺帶，為區內的主干構造，斷裂構造以近EW向及NW向構造為主，2組主要斷裂構成了區內復雜的格子狀構造格局（圖1）［7］。

礦區內地層發育較全，新太古界、新元古界、古生界、新生界皆有出露，由老至新分別為：新太古代泰山巖群山草峪組、新元古代土門群、古生代長清群及新生代第四系。

礦區內鉆遇巖石巖性主要分為變質巖和沉積巖兩類，沉積巖上部古生代長清群地層以軟弱—較堅硬層狀碎屑巖夾碳酸鹽巖巖性以灰巖、白云巖、頁巖夾砂巖為主，受風化帶和構造影響，破碎帶較為發育；下部新元古代土門群地層以堅硬、較堅硬中厚層狀碎屑巖夾碳酸鹽巖巖性以泥巖、泥灰巖、砂巖、夾頁巖為主，厚層狀分布，泥巖、頁巖相對較軟弱，抗壓抗剪強度均較差。

由于沉積蓋層軟硬互層復雜，鉆孔軌跡易發生偏斜現象。同時礦體呈層狀、似層狀產出，且傾角在48°～75°之間，產狀較為陡峭，施工過程中鉆孔遇層角較小，鉆孔軌跡偏斜情況同樣明顯。

1.3鉆探技術要求及難點

鉆孔質量標準按《固體礦產勘查工作規范》（GB/T 33444）、《地質巖心鉆探規程》（DZ/T 0227—2010）及《礦區水文地質工程地質勘探規范》（GB/T 12719—1991）等相關規范和設計要求執行，主要技術質量要求為：

（1）設計開孔直徑150 mm，機械巖心鉆孔終孔直徑不小于75 mm，水文孔終孔直徑不小于91 mm。

（2）除地表覆蓋層外，全孔取心，巖心采取率不得低于80%，礦心及礦層上下3 m內巖心采取率不低于85%。

（3）每鉆進50 m或見礦前后必須丈量鉆具一次，每次孔深最大允許誤差為1/1000，超過時應進行修正。

（4）每鉆進50 m或見礦前后必須測量天頂角及方位角一次，每百米頂角偏差不得超過3°，方位角允許偏差為1°～2°，終孔及見礦位置各增測1次，終孔位置距離設計靶點位置偏離不允許超過探明工程間距（100 m×100 m）的1/4。

本勘探項目勘探線間距為100 m，則終孔偏離靶心距離不能超過25 m。在勘探線距確定的條件下，鉆孔越深則允許超差頂角越小，1 200 m深鉆孔頂角則不允許超過1.19°。根據該地區的施工地質條件，地層軟硬互層且礦層產狀陡峭，屬于強造斜地層，要滿足質量技術要求，鉆探施工技術難度非常大。

2鉆探工藝

本次工作共施工9個鉆孔，完成鉆探工作量10 017.7 m，鉆孔頂角在77.5°～90°之間。主要鉆探方法除第四系覆蓋層使用硬質合金或金剛石單管鉆具開孔外，其他孔段均采用小口徑繩索取心鉆探技術施工。

2.1設備及機具選擇本次工作使用XY-6B立軸式巖心鉆機，配套BW320泥漿泵用于繩索取心鉆探， NBB390泥漿泵用于驅動螺桿鉆具進行定向鉆進。主要孔斜監測設備為JTL-40FW無纜光纖陀螺測斜儀，主要鉆孔軌跡定向設備為JDZ-1定向儀。主要鉆探設備、儀器、鉆具見表1。

2.2鉆孔結構

本次工作實施的9個鉆孔采用的鉆孔結構為以150 mm金剛石單管鉆具開孔，鉆進至完整巖石后下146 mm套管保護孔壁。一開采用127 mm孕鑲金剛石繩索取心鉆具鉆進，穿過上部破碎帶復雜地層后下入114 mm套管。二開采用98 mm孕鑲金剛石繩索取心鉆具鉆進。按照防斜技術要求，若地層條件允許，盡量使用該口徑鉆進至終孔，實際施工時有2個鉆孔以98 mm孔徑終孔，其余7個鉆孔以75 mm口徑鉆進至終孔，鉆孔結構示意圖見圖2。

3鉆孔軌跡控制技術體系

3.1鉆探設備安裝

鉆探設備安裝是控制鉆孔軌跡的第一步，也是較為重要的一步。本次設備安裝工作做到了周正、水平、穩固，滿足“三點一線”的安裝要求，使用陀螺測斜儀確定鉆機開孔頂角，使用RTK按照“兩點一線”的方法確定鉆機開孔方位角，安裝完成后再次進行復驗，確保鉆孔頂角和方位角開孔正確。

3.2鉆孔軌跡監測

按照《固體礦產勘查工作規范》（GB/T 33444）和《地質巖心鉆探規程》（DZ/T 0227—2010）要求，斜孔應每鉆進50 m測量一次方位角和頂角，本次工作在鉆探施工過程中對鉆孔軌跡進行了加密測量，每25 m測量一次頂角和方位角，一方面可以及時獲取鉆孔軌跡技術參數，第一時間根據計算預測鉆孔軌跡偏斜方向和偏斜距離；另一方面加密鉆孔軌跡檢查頻次也可以及時發現問題并實施糾偏，提高鉆孔技術質量。本次施工的9個鉆孔均滿足偏離靶心距離不超過25 m的技術要求（表2，按照施工先后排序）。

3.3不同鉆孔軌跡控制技術對比研究

3.3.1螺桿鉆具定向鉆進技術

螺桿鉆具定向鉆進技術是利用螺桿鉆具和定向儀配合使用的一種鉆孔軌跡控制方法，在定向時可測量頂角和方位角，實現隨鉆定向，可對鉆孔軌跡起到直接干預作用［8-15］。

本次施工的ZK801孔、ZK601孔、ZK1101孔和ZK1102孔4個鉆孔使用LZ73螺桿鉆具和JDZ-1定向儀（圖3）進行定向鉆進。

本文以ZK801孔為例介紹螺桿鉆具定向鉆進效果，該孔設計孔深1 100 m，設計頂角5.5°，設計方位角120°，終孔直徑75 mm，全孔采用金剛石繩索取心鉆進工藝，使用低固相聚合物沖洗液。為預防頂角下垂，開孔頂角定為6°，開孔方位角是120°，表層套管下入后，測量頂角為6.01°，方位角為117.9°，開孔較為準確。一開采用127 mm孕鑲金剛石繩索取心鉆具鉆進，鉆進至180 m處測量頂角為5.11°，方位角為119.9°，鉆孔軌跡總體保持較好。下146 mm套管后，換98 mm孕鑲金剛石繩索取心鉆具鉆進，鉆進至480 m處頂角下垂至3.39°，方位角偏離至145.8°，按照均角全距法計算480 m處鉆孔偏心距為10.32 m，預算至1 100 m時偏心距將達到28 m，無法滿足偏離靶心距離小于25 m的技術要求。為保證鉆孔質量，施工團隊立即停鉆并先后實施了4次螺桿鉆具定向鉆進鉆孔軌跡控制技術進行糾正。

（1）480 m處，選用彎曲度為0.5°的螺桿鉆具進行定向糾斜，鉆進10 m后測量鉆孔頂角和方位角，糾斜效果不理想，鉆孔孔斜參數幾乎沒有變化，提鉆檢查鉆具運轉情況，經檢查鉆具運轉正常，推測彎曲度為0.5°的螺桿鉆具偏斜角度較小導致糾斜效果不理想。

（2）520 m處，換用0.75°的螺桿鉆具進行定向鉆進，鉆進10 m后測量頂角和方位角，頂角逐漸上升，方位角幾乎不變。表明彎曲度為0.75°的螺桿鉆具定向糾斜有一定效果，且方位角控制穩定。但由于頂角和方位角2個參數均偏離設計過大，定向糾斜效果仍不夠理想，需重新對鉆孔軌跡進行定位。

（3）553 m處，用螺桿鉆具進行定向鉆進，頂角和方位角同時進行糾正，鉆進6 m后，559 m處測量頂角和方位角參數比較理想，頂角提升至4.11°，方位角降低至149.6°。但本次定向鉆進只表明定向方位正確，并未達到鉆孔軌跡設計方案的要求，后續每10 m左右測量一次頂角和方位角，穩斜鉆進至600 m處測量發現，頂角再次發生了下垂。

（4）630 m處，使用螺桿鉆具定向鉆進技術對鉆孔軌跡進行糾正。本次為提高螺桿鉆具的糾斜效果，在彎曲度為0.75°的螺桿基礎上進行改進，提高了螺桿鉆具的彎曲度，鉆進10 m后頂角達到了6.0°，方位角幾乎不變，鉆進至660 m處頂角已達到7.10°，方位角穩定在126.6°，根據計算該位置處的偏心距為15.63 m，鉆孔軌跡控制效果超出預期，不僅穩定住了鉆孔軌跡的偏斜趨勢，而且鉆孔軌跡發生了拐點，向目標靶心越來越近。

最終該孔在1 029.67 m處終孔，圓滿達到了偏離靶心距離小于25 m的設計要求（表3）。從該孔的糾斜效果來看，螺桿鉆具定向鉆進技術的優點是定向精度高，可實現同徑糾斜，糾斜效果明顯，缺點是一次性設備投入較高，糾斜孔段巖心消耗只能采取巖粉樣品。此外，從該孔700 m以后，穩斜鉆進階段的鉆孔軌跡來看，鉆進至目標礦層后鉆孔軌跡始終處于上漂趨勢，“頂層進”的情況非常明顯。在該鉆孔中還試驗了泥漿脈沖無線隨鉆定向鉆進設備，但由于設備的信號傳輸問題，實驗效果不理想。

3.3.2偏心楔定向鉆進技術

偏心楔定向鉆進技術是小口徑繩索取心鉆探常用的一種鉆孔軌跡控制手段，需不同口徑鉆桿配合使用，利用89 mm繩索取心鉆桿制作偏心楔，75 mm繩索取心鉆具進行導向鉆進，鉆孔軌跡達到設計要求后可繼續使用75 mm繩索取心鉆具鉆進，或利用導向鉆頭進行擴孔鉆進［16-21］。

本次施工的ZK701孔、ZK902孔和ZK501孔使用了偏心楔定向鉆進鉆孔軌跡控制技術。以ZK701孔為例，該孔開孔頂角為7°，方位角為120°，設計孔深1 150 m。鉆進至750 m處鉆孔頂角和方位角規律性變化（表4），頂角逐漸下垂，方位角逐漸增大，鉆孔軌跡也逐漸偏離，頂角比設計頂角偏離1.57°，方位角比設計方位角偏離19.9°，靶心距離接近20 m，按照均角全距法計算，鉆進至設計孔深靶心距離將達到29.9 m，已無法完成偏離靶心距離小于25 m的技術要求。ZK701孔28天內實施了3次偏心楔定向鉆進，2次水泥封孔，最終在780 m處完成了鉆孔軌跡控制工作。該孔在982.05 m處終孔，靶心偏離距離21.73 m，達到了設計要求。但該孔施工經濟性并不理想，延長工期近一個月，偏心楔定向鉆進鉆孔軌跡控制技術并沒有起到降低施工成本的目的。

術人員掌握，其優點和缺點都較為明顯。優點是操作簡便，現場制作方法簡單，制作成本低。缺點也很明顯：一是偏心楔制作精度不夠，楔角的制作只能根據經驗計算出大概角度，糾斜效果和預計效果往往有很大差距；二是偏心楔糾斜定位不準確，調整方位通過地面鉆桿旋轉進行定位，鉆孔越深定位越不準確；三是使用偏心楔定向鉆進技術糾斜施工風險較高，對技術人員的實際操作要求較高，易出現偏心楔磨透或者卡鉆等工程事故；四是對后續測井工作的影響也較大，測井要在偏心楔處進行分段測井，在偏心楔底部易出現卡線纜現象，導致測井探頭卡住，引發測井事故；五是偏心楔糾斜屬于一次性糾斜，若糾斜效果不理想必須提鉆進行擴孔，重復進行糾斜操作，增加了擴孔事故風險，同時也嚴重影響工期。

3.3.3優化鉆進參數鉆孔軌跡控制技術

ZK1001孔是礦區內施工工期最短（55 d）且唯一一個僅通過控制鉆進參數調整鉆孔軌跡的鉆孔，終孔孔深1 134.18 m，靶心距離13.03 m。該控制技術的要點在于科學進行鉆頭選型和合理優化鉆進參數。

（1）鉆頭選型。

鉆頭選型是否合理直接影響鉆進效率，同時也是控制鉆孔軌跡的關鍵。ZK1001孔頂角為11°，方位角為120°，鉆進至150 m處，鉆孔頂角在11.33°～11.75°之間，方位角在119.9°～122.4°之間，偏心距在0.41～1.16 m之間，為進一步提高鉆進效率，在150 m處試驗不同類型鉆頭。假定地層巖性一致，鉆壓轉速扭矩等鉆進參數為定量，鉆頭形態為變量，每個鉆頭鉆進進尺20 m，共試驗7個不同類型鉆頭（表5）。從實驗結果來看，鉆孔軌跡控制效果最好的是九齒鋸齒同心圓階梯鉆頭。在后續的鉆進施工中主要選用該型鉆頭（胎體硬度HRC 5～15，粒度46～60混目，含石英脈或硅化巖地層換用HRC 5～10，粒度69～100目），以減小鉆壓和增大破碎巖石自由面，達到提高鉆進效率的目的。

（2）優化鉆進參數。

鉆進參數的選擇會直接影響鉆孔軌跡的上漂或者下垂。鉆壓過大和過小都不利于鉆孔軌跡控制。為有效控制鉆孔軌跡，該孔盡量采用小鉆壓高轉速，調整至合適的鉆進參數平穩鉆進。按照小時進尺下發任務要求，即每個班純鉆進效率每小時固定1.2 m，根據鉆孔軌跡參數由機長統一下達調整通知。每次提鉆檢查鉆具、擴孔器、鉆頭的磨損情況，磨損過大時分析原因并及時進行更換（表6）。

鉆進至300 m處頂角為10.07°，方位角為123.4°，為達到增頂角的目的，提鉆重新調整鉆具結構，鉆具組合時上擴孔器略小于下擴孔器1 mm。下鉆后小壓力高轉速鉆進，鉆壓控制為6 kN，鉆速控制為360 r/min，正常鉆進后，鉆壓控制在6～8 kN之間適當變化，鉆進參數由機長一人統一調整。在調整鉆壓、轉速等鉆進參數后，按照配置好的鉆具組合，達到了增頂角的目的，至550 m時頂角從10.07°提升到了11.28°。但增頂角的同時方位角增大，若繼續按照以上鉆壓、轉速等參數鉆進施工，鉆孔軌跡將逐漸發生偏離，按照均角全距法計算終孔時靶心偏離距離將達到21 m。隨即提鉆調整鉆具結構，上擴孔器略大于下擴孔器1mm，繼續保持鉆壓為7 kN，鉆速為360 r/min，控制鉆壓在6～9 kN之間適當加大。在550～850 m之間共提鉆調整鉆具結構6次，通過嚴格控制鉆進參數并配合調整鉆具組合，頂角和方位角按照預期逐漸變化，達到了控制鉆孔軌跡的目的。

從糾偏效果來看，優化鉆進參數的優點是操作簡單，投入成本低，鉆孔軌跡控制質量較好。但也存在一些問題，一是對施工人員的技術水平要求較高；二是參數控制不固定，不同礦區根據地層情況、鉆具組合、鉆機型號、鉆井液性能等選擇合理的鉆進參數也有不同；三是各班組按照統一技術參數施工的管理難度較大。

3.3.4鉆進參數和螺桿糾斜復合軌跡控制技術

SZK901孔是礦區中孔深最深（1255.85 m），終孔直徑最大（98 mm），偏心距最小（9.95 m）的鉆孔，鉆孔質量最優（表7）。

該孔施工過程中綜合實施了控制鉆進參數和螺桿鉆具定向鉆進2種鉆孔軌跡控制技術。在鉆進至800 m處偏離靶心距離14.9 m，通過控制鉆進參數調整鉆孔軌跡，鉆孔頂角和方位角呈波動變化，鉆孔軌跡控制效果良好。按照均角全距法計算，鉆至設計孔深能夠完成靶心距離25 m的技術要求，為提高鉆進效率，采取螺桿鉆具定向鉆進鉆孔軌跡控制技術控制鉆孔軌跡。頂角從2.44°降低至1.88°，方位角從311.70°提高至339.7°，在穩斜鉆進階段，鉆孔頂角持續降低，在878 m處頂角降低至0.09°，方位角直接發生反轉降低至147.20°，在方位上沿東南方向鉆進，幾乎接近反方向鉆進，軌跡控制效果遠超預期。隨后在穩斜階段頂角逐漸增大，方位角逐漸降低，愈發接近靶心。

從該孔的施工效果來看，當頂角偏離較小時采取鉆孔軌跡控制技術，能提高糾斜的成功率，降低糾斜難度，且控制方位角參數取得的軌跡調整效果要遠大于控制頂角參數調整鉆孔軌跡的效果，而復合鉆孔軌跡控制技術是未來定向鉆進鉆孔軌跡控制技術的發展方向。

4結論

蘭陵縣古林-蘭陵礦區小寨子-古林段鐵礦鉆探工作，受地層軟硬互層且礦體產狀陡峭等地層因素影響，鉆孔易發生偏斜，鉆進至目標靶心技術難度大。通過實施多種定向鉆進軌跡控制技術，取得了良好的施工效果。

（1）螺桿鉆具定向鉆進技術的定向精度高，可實現同徑糾斜，糾斜效果明顯，但也存在一次性設備投入較高，糾斜孔段巖心消耗只能采取巖粉樣品等問題。

（2）偏心楔定向鉆進鉆孔軌跡控制技術操作簡便，缺點是偏心楔制作精度不夠、偏心楔糾斜定位銷定位不準確，易出現偏心楔磨透或者卡鉆等工程事故，影響施工工期。

（3）優化鉆進參數鉆孔軌跡控制技術的優點是投入成本低，鉆孔軌跡控制質量較好。但對施工人員的技術水平要求較高，按照統一技術參數施工的管理難度較大。

（4）無線隨鉆定向鉆進技術在大口徑鉆井中應用成熟，但在小口徑繩索取心定向鉆進方面尚不成熟。本項目試驗的無線隨鉆定向鉆進設備雖然存在信號傳輸不穩定問題，但仍然是小口徑繩索取心定向鉆進技術的發展方向。

（5）綜合運用多種鉆孔軌跡控制技術能達到最好的鉆孔軌跡控制效果，復合鉆孔軌跡控制技術是推廣應用的最佳方法。

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Abstract：Under the guidance of the new round of breakthrough strategic actions in mineral exploration， small-diameter rope core drilling technology is constantly innovating and developing towards \"deep， inclined， and difficult\" aspects. In terms of \"inclination\"， directional drilling technology remains an important technical challenge. Accompanying with gradual deepening of research on trajectory control technology for small-diameter rope coring drilling by different scientific research units and drilling construction teams in recent years， various methods for deviation and correction of drilling trajectories have also been tested and implemented in different types of drilling， but the quality and effectiveness of correction vary. In this paper， taking the construction of 9 directional boreholes in Lanling iron deposit in Xiaozhaizi-Gulin section as the research object， "by studying the trajectory control technology of small-diameter rope coring drilling in strong inclined strata， different drilling trajectory control technology methods have been compared and analyzed. A comprehensive drilling trajectory control technology system specifically designed for strong inclined strata has been summarized.

Key words：Lanling Iron deposit; strong inclined formation; small-diameter wireline core drilling; directional drilling; Shandong province

收稿日期：20240731；修訂日期：20240814；編輯：陶衛衛

作者簡介：張云龍（1990—），男，黑龍江海林人，工程師，主要從事地質礦產勘查鉆探工作;Email：574127361@qq.com*

通訊作者：劉瀟（1988—），男，山東臨沂人，高級工程師，主要從事地質礦產勘查和研究工作;Email：286592034@qq.com