LZ－73型连续造斜器在兰陵铁矿勘查中的应用

2013-12-04刘治

钻探工程 2013年4期

关键词：顶角方位角钻具

刘治

(山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台26400)

1 矿区地质及水文地质条件

兰陵铁矿勘查项目位于鲁南丘陵区，地形起伏不大，总体地势西高东低。海拔一般在31～37 m，相对高差较小。

1.1 地质条件

矿区内地层系华北地层大区、晋冀鲁豫地层区、鲁西地层分区之潍坊－临沂地层小区，区域地层除西北部的萝藤一带有较大面积出露外，其余地段均被第四系松散沉积物所覆盖。区内基岩地层由老至新，主要有新太古代泰山岩群山草峪组;新元古代土门群;古生代长清群、九龙群。泰山岩群山草峪组变质岩层于新兴乡后大窑一带有少量出露，其余均于钻孔中所见。区域内的“鞍山式”铁矿即赋存于该组地层的硅铁构造中，为一特大型深埋藏隐伏矿体。区内盖层厚度550～800 m，基底变质岩系地层巨厚，大于4000 m。岩层走向300°左右，倾角80°～89°，倾向 30°～40°。

1.2 矿区水文地质条件

矿区内大部分为第四系覆盖的冲击平原，水系发育。

2 ZK61－1孔偏斜情况和纠斜方法

2.1 ZK61－1孔弯曲度的设计要求

ZK61－1孔设计开孔顶角7°，方位角210°，设计孔深1550 m。孔深在800 m前，顶角每百米上漂不大于1°;深度在800 m以后，每百米上漂不大于2°。全孔孔段顶角不得下垂。方位角在见矿点偏差不大于勘探线间距的1/4。

2.2 ZK61－1孔实际钻进情况

根据本矿区的施工经验，为防止钻孔顶角变小超出要求，实际开孔顶角9°，方位角192°。

该孔在400 m之前顶角和方位角满足设计要求，但在400 m以后由于地层软硬不均，发生跑斜现象。表1为该孔400～600 m测井数据。

表1 ZK61－1孔400～600 m测井数据

从孔深400 m时，钻孔顶角开始下垂。至钻孔钻进到491 m这一期间，我们采用合理组合钻具(如使用2个扩孔器，上扩孔器小，下扩孔器大)、调整钻进参数等措施，仍无法遏制顶角下降趋势。为避免钻孔愈加背离探矿需要的设计，严重脱靶，必须对钻孔进行纠斜，才能达到地质设计要求。于是，我们使用了LZ－75型连续造斜器进行孔内造斜，并使用TYD－3型钻孔定向仪对其定向。造斜情况见表2。

表2 LZ－73型孔内连续造斜器造斜统计

经过两次定向造斜后，钻孔的顶角有很大的改观，但方位超出了设计的极限要求。在考虑到方位角纠斜比较困难，决定用425水泥封孔至420 m，建立人工孔底后，再选择在425～440 m处进行定向纠斜。

2.3 ZK61－1孔偏斜问题分析

ZK61－1孔造斜地层属新元古代土门群二青山组、黑山关组、浮来山组、佟家庄组、石旺庄组，古生代寒武系长清群馒头组、朱砂洞组、李官组及新太古代泰山岩群山草峪组，盖层岩性主要为泥岩、泥灰岩，石英砂岩(造斜能力较弱)，变质基底岩性以黑云变粒岩为主，夹黑云角闪片岩、角闪石岩等。

其中泥岩、泥灰岩层理发育，变换频繁，颗粒较细，硬度较低，容易造成方位西偏及顶角下垂;而变质岩系云母含量较高，石英含量忽高忽低，岩石绿泥石化，断层较多且深，容易造成方位继续西偏或者东偏及顶角下垂。

2.4 ZK61－1孔造斜设计

2.4.1 造斜钻具的组合

定向仪的组合(从上往下):地面显示器—双股导线—定向仪。

2.4.2 LZ造斜器结构及工作原理

2.4.2.1 结构

LZ－73型连续造斜器由定子和转子2部分组成(如图1所示)。定子部分包括单动外壳、工作弹簧、定子外壳、定位套、上半楔、滑块和下半楔。转子部分包括主动轴、定位接头、花键轴、花键套、被动轴、短管和钻头。

图1 LZ型造斜器结构

当造斜器处于自由状态时(如图1a所示)，滑块处于回收状态，且定子与转子由于定位套与定位键相互锁紧而不发生相对位移。这就为造斜器在孔底定向的准确性提供了必要的条件。

当对造斜器施加压力时(如图1b所示)，定位键脱开，定子与转子解卡，转子恢复转动，定子不转动，只是在钻压作用下利用滑块上的滑轮沿钻孔延伸方向做直线运动。另一方面定子部分滑块由于钻压作用产生横向位移，抵在孔壁，孔壁产生的反作用力促使钻头切削对面的孔壁，从而造成孔斜。

LZ－73型连续造斜器的主要技术参数为:适用孔径75～88 mm;滑块径向最大延伸25 mm;允许钻孔超径15 mm;造斜强度0.3～0.8°/m;钻进规程(配不取心金刚石钻头时)钻压25～28 kN，转速100～200 r/min，钻井液量50～70 L/min;钻具外径73 mm;寿命＞80 h。

2.4.2.2 工作原理

LZ连续造斜器在孔底安装方位不同，所产生的纠、造斜效果也不同，其基本原理和偏斜结果如图2所示。

2.4.3.2 地面定位

假设LZ系列连续造斜器的造斜强度为i，单位为°/m。

则其对顶角的造斜效果为 βi，βi=i|cosγ|。

对方位角的造斜效果为 αi，αi=i|sinγ|。

顺着钻孔延深方向观察，连续造斜器造斜效果具体为:

E安装于A点，增大顶角，安装于C点，则降低顶角;

安装于B点，使方位角减小，安装于D点，使方位角增大。

安装于A、B之间，顶角增大，方位角减小;

安装于B、C之间，顶角减小，方位角减小;

安装于C、D之间，顶角减小，方位角增大;

安装于D、A之间，顶角增大，方位角增大。

2.4.3 造斜过程

2.4.3.1 LZ －73 型连续造斜器使用前的检查

(1)各部件检查，尤其是要保证造斜部件(上半楔、下半楔及中心滑块)连接紧凑、滑动灵活。

(2)保证中心滑块上的滚轮转动灵活，尽可能换用新轮，以便造斜结束后对照，以判断造斜部件工作情况。(若滑块打开，滚轮只是滚动磨损，磨损较轻，磨损比较均匀;若滑块未打开，则滚轮随钻杆一起圆周转动，滚轮磨损一半，滚轮外侧磨损较内侧严重)。

(3)定位键与定位套与其他部件连接要符合要求。可通过对比定位键和定位套使用前与使用后的外观情况，判断滑块在孔里是否工作。

(4)定位接头内的定位销涂抹红漆，判断定位仪下放到钻具内是否到位。

LZ－73型连续造斜器地面定位有2种情况:

(1)通过计算，计算出造斜器面向在孔底的安装角β，测量出定向接头母线与滑块母线的初始扭转角φ。按公式α=φ－β调整定向仪引鞋刻线与定向仪探管的夹角α。

(2)将LZ－73型连续造斜器在地面竖起，模拟下放到孔底时钻具所处的顶角和方位角。之后根据造斜需要，调整连续造斜器滑块母线所应对的方向。再以方向调整定向仪引鞋刻线与定向仪探管母线的夹角。

ZK61－1孔造斜，我们选用的第2种方法。

2.4.3.3 孔内定向

(1)下钻时尽量使每根立根的丝扣旋紧，下钻要慢、要稳。

(2)无论何时在没有加够额定钻压的情况下，都不允许强力扭动钻具和开车。

(3)下钻离孔底0.3～0.6 m时停止，用垫叉把钻具卡在孔口，准备定向。

(4)通过地面仪找准位置后，用红漆在钻机与钻杆上做好记号，然后下放钻具(这个过程一定要缓慢，避免孔内的静液压柱将定向仪顶出)，观察地面仪的变化。

(5)重复步骤(4)多次，若地面仪变化不大，则可确定定向位置，若变化大，则以下入孔底的变化为准，进行校正。

图3 定向仪示数区

如ZK61－1孔现在所面临的问题是顶角下垂、方位角偏大的问题。这就要求连续造斜器安装位置为造斜滑块中心线介于钻孔底帮与右侧帮。而我们使用的定向仪示数存在4个分区:长零区、短零区、正数区、负数区，如图3所示。短零区大约的范围在15°左右。如果要取得造斜的理想效果，那么可认为必须将这个范围处在钻孔的底帮和左侧帮。在通过转动钻杆确定定向仪示数正数区到短零区的零界点A与短零区到负数区的零界点B之后，再通过多次验证找到最理想的造斜位置C。这样的目的是使定位不再是单独一个点的控制，而是先找2点再精确找最理想的第3个点，取得孔内定向更加准确的效果，避免了较大的误差出现。

2.4.3.4 定向钻进

(1)孔内定向结束后，通过倒杆的方式，将钻具放到孔底。

(2)打开水泵，冲孔5～10 min后，进行称重。(3)根据称重结果，适当加压或减压，使钻压在连续造斜器的额定要求范围之内。

(4)在施加压力确保造斜部分滑块打开之后，缓慢松开离合器，使钻机慢慢转动。

(5)在静待几分钟观察钻进无异常情况后，将手柄打到钻进位置，进行造斜钻进。

(6)进行倒杆时，要先停车后松开卡头进行倒杆，避免连续造斜器在孔底安装位置发生变化。

2.4.4 造斜结果

ZK61－1孔在封孔人工造孔底后，又进行了5次纠斜。在此过程中一系列的纠斜数据统计如表3所示。