江西省浮梁县朱溪矿区ZK5407深孔螺杆定向纠斜施工工艺

2015-01-01黄忠高李志强潘海迪刘甲祥杨启文

钻探工程 2015年8期

关键词：顶角方位角钻具

黄忠高，李志强，潘海迪，刘甲祥，杨启文

(1．江西省地质矿产勘查开发局九一二大队，江西鹰潭335001;2．山东莱芜鸿丰探矿工程有限公司，山东莱芜271100)

1 概述

江西省浮梁县朱溪及外围金属矿位于江西省东北部景德镇—乐平之间，行政区划隶属景德镇市浮梁县寿安镇、乐平市涌山镇等管辖，是我单位近5年承担的江西省地质勘查基金和中央地质勘查基金联动勘查项目。

项目自2010年开始启动，共投入资金1.0065亿元，累计完成钻探工作量26000 m。据现有资料初步判断，朱溪矿区深部具有寻找超大型钨矿床和大中型铜矿床的资源潜力。

ZK5407孔设计孔深2300 m，设计开孔顶角0°(勘探线方位137°)。主要钻遇地层为灰岩、厚—巨厚层状中细粒白云岩、糖粒状大理岩、矽卡岩化大理岩和粉砂质石英砂岩。岩石硬度一般(软—中硬)，可钻性级别中等(5～7级)，研磨性不强(弱—中)，比较完整和稳定。但岩石局部裂隙发育，蚀变常见。质量要求按《地质岩心钻探规程》(DZ/T 0227－2010)6项指标，如岩心采取率≮70%，矿心采取率＞80%，顶角弯曲度≯2°/100 m，等。

采用聚丙烯酰胺、磺化沥青和润滑剂组成的无固相冲洗液，完全适合钻进要求。钻进中孔壁稳定，孔内干净。

2014年4月6日开孔，至6月13日停止钻进施工，孔深1641.70 m，折合台月效率高达700 m以上。其中孔深901 m处发生跑钻事故，前后处理时间＞200 h，最后是用“磨”的方法消灭孔内钻头。但6月14日接到地质方面的通知，钻孔顶角弯曲指标尽管符合当初地质设计提出的2°/100 m要求，但钻孔轴线的水平位移太大，不能继续进行钻探施工。

鉴于孔斜问题，6月19日，用JTL－40GX光纤陀螺测斜仪测斜，部分测斜结果及水平偏距见表1。

表1 ZK5407孔前期钻探部分测斜结果及水平偏距

2 定向纠斜地质要求和总体思路

2．1 定向纠斜地质要求

鉴于钻孔水平偏距＞100 m并有继续增大趋势，分析认为，即使挪孔重钻或使用液动冲击器钻进也很难完全满足地质要求，故决定应用螺杆定向钻探技术进行纠斜。

定向纠斜地质要求是:ZK5407钻孔见矿结束点(预计孔深2200 m)在孔口所在水平面的投影位置与钻孔开孔点的距离即水平位移≯100 m。

2．2 定向纠斜总体思路

根据定向纠斜地质要求，结合ZK5407孔前期钻探施工实际，参考国内地质岩心定向钻探施工经验，经过有关领导、技术人员和施工工人的反复商议，最终确定ZK5407孔定向纠斜的总体思路如下。

(1)纠斜起始点定为1300 m左右，即在1300 m下部人造孔底。

(4)采用上海力擎地质仪器有限公司生产的单点定向仪和陀螺测斜仪进行定向和测斜。

(6)先降顶角，后降方位角(在顶角3°左右再降方位角)，因为顶角大时扭方位比较困难，顶角小时扭方位比较容易，且顶角小至1°～2°可能方位角测量不准。

(7)采用间断造斜法，即以20 m左右长度进尺进行分段多次纠斜，控制每段纠斜进尺2～3 m、稳斜进尺17～18 m，以达顶角弯曲强度0.3°～0.4°/m或方位角弯曲强度10°～15°/m而不断钻杆之要求。

(8)及时测斜，并根据测斜结果调整纠斜钻进有关参数，进而预估钻孔弯曲和水平偏距变化趋势，确保满足“ZK5407钻孔见矿结束点(预计孔深2200 m)在孔口所在水平面的投影位置与钻孔开孔点的距离即水平位移≯100 m”的地质要求。

3 螺杆定向纠斜施工工艺

3．1 螺杆定向纠斜的理论准备

3．1．1 定向钻孔空间轨迹

ZK5407孔定向纠斜，是在已知初始造斜点位置以及该点孔斜值的情况下进行的。后续的纠斜施工，将根据地质方面的靶区目标要求实施。

地质方面常采用全角半距法或曲率半径法。

3．1．2 螺杆钻具

螺杆钻具也称为容积式马达(PDA)，具有低速大扭矩的特征，是目前最广泛使用的一种井下动力钻具。主要由旁通阀总成、防掉装置、马达总成、万向轴总成和传动轴总成组成。

螺杆钻反扭转角是定向时必须考虑的一个重要因素。定向时安装角的读数，应是在设计初始安装角的基础上，加上预先设置的螺杆钻反扭转角。

螺杆钻的输入－输出特性问题。在给定冲洗介质(含砂量≯0.4%)和泥浆泵排量下，螺杆钻的输出转速与其它各参数基本无关;输出功率、输出扭矩与压降成正线性关系;机械效率有一个最大值。

3．1．3 定向仪和测斜仪

DXY－2型数字定向仪输出的工具面向角(安装角)是以鞋靴引槽所在母线为零位位置，即当引槽所在母线处于探棒外径圆周的最高点时，工具面向角(安装角)的读数为零，并以顺时针增大、逆时针减小的方式变化。

XBY－2GW无线光纤寻北陀螺测斜仪由地面无线控制仪和井下探棒2部分组成。仪器采用自寻北测量方式，其工作原理是通过高精度的陀螺仪测量地球自转速度(15°/h)，结合不同地区的纬度值，计算出当地的地球自转分量，从而测得仪器所指方位角。

3．1．4 安装角与纠斜效果的关系

螺杆钻在孔底的安装方位不同，所产生的纠斜(造斜)效果也不同。当螺杆钻的弯曲凸面安装在钻孔上帮时，母线处于探棒外径圆周的最低点，此时工具面向角(安装角)的读数为180°，钻孔向下弯曲，顶角下垂;当弯曲凸面安装在钻孔下帮时，工具面向角(安装角)的读数为0°，顶角上漂;当弯曲凸面安装在钻孔左帮时，工具面向角(安装角)的读数为90°，方位角增大;当弯曲凸面安装在钻孔右帮时，工具面向角(安装角)的读数为270°，方位角减小。

其基本原理如图1所示。

图1 螺杆钻孔内安装示意图

3．2 螺杆定向纠斜的设备和仪器

除了正常钻进所需的钻探设备和管材(见表2)外，ZK5407孔定向纠斜还需如表3的仪器和设备。

3．3 螺杆定向纠斜的实施经过

为定向纠斜，ZK5407孔必须在孔深1300 m以深进行人造孔底(水泥封孔)。为此，前前后后共水泥封孔5次，才基本满足人造孔底的要求。

表2 正常钻进钻探设备和管材配备

表3 定向纠斜仪器和设备

第三次纠斜采用222°的安装角，稳斜钻进后测斜，仪器不正常，读出的顶角下降至8.4°不一定可靠。随后联系厂家维修测斜仪的同时，开始第四次纠斜。亦采用类似的218°安装角，稳斜钻进后测斜结果表明，第三次纠斜效果不明显，顶角仅略微下降，第四次纠斜基本没有效果，顶角几乎没变，方位角均无变化。分析认为，根本原因在于水泵泵量偏小，致螺杆钻工作乏力。

鉴于自纠斜以来尤其是自第十三次开始以降方位角兼降顶角为目的的纠斜以来，钻孔的方位角明显表现出逆时针螺旋减小并明显小于272°的变化规律，钻孔水平偏距以第十六次纠斜达最大值98.56 m(孔深1605 m处)后开始减小，故预计以降方位角兼增顶角为目的的第十七次纠斜后的稳斜钻进中，不论顶角或大或小变化，方位角都将不可能明显反转即增大至272°以上，亦即水平偏距将＜98.26 m＜98.56 m＜100 m。后续的稳斜钻进施工证明，这一判断是正确的。最终终孔孔深2047.60 m，顶角0.4°，方位角250°，水平偏距 91.39 m，完全达到了预期目的。

图2为ZK5407孔全孔方位角变化在靶区范围内投影。

图2 ZK5407孔全孔方位角变化在靶区范围内投影

图3为ZK5407孔钻孔轨迹水平投影。

图3 ZK5407孔钻孔轨迹水平投影

图4为ZK5407孔全孔孔斜和水平位移图。

图4 ZK5407孔全孔孔斜和水平位移

ZK5407孔17次螺杆定向纠斜成果见表4。

表4 ZK5407孔17次螺杆定向纠斜成果

3．4 螺杆定向纠斜的钻进工艺

3．4．1 定向纠斜钻进施工程序

定向纠斜钻进的施工程序是:确定地质要求的靶点靶区→选定分支点孔深→人造水泥孔底→清孔换浆→下入螺杆钻具→定向→纠斜钻进→稳斜钻进→测斜→继续下入螺杆钻具、定向、纠斜钻进、稳斜钻进、测斜→达到地质要求的靶点靶区。

3．4．2 下钻

(1)下入螺杆钻前，必须确认孔内干净;

(2)清理循环系统，更换新鲜冲洗液，要求冲洗液含砂量＜0.4%，颗粒直径＜0.3 mm，粘度＜20 s;

(3)组装螺杆钻，记录工具装合差;

(4)在地表进行螺杆钻试运转，记录泥浆泵的排量、压力和螺杆钻的运转情况;

(5)将钻具下到离孔底0.3～0.5 m的位置后，反复上下提拉整个钻杆柱，尽可能保持孔内钻杆柱的自由下垂，减少乃至消除虚假“反扭转角”对定向钻进的危害。

3．4．3 孔内定向

3．4．3．1 定向前准备工作

计算初始安装角(考虑仪器装合差、工具装合差和螺杆钻反扭转角);

孔口滑轮边缘对准孔内钻杆中心，以防仪器下孔时管口划伤电缆接头;仪器下孔前先在地表试运转，确认面板与电缆、电源的线路联接无误和仪器读数基本正确后方可下入。

3．4．3．2 孔内定向操作

下放仪器，校对仪器的测量深度以判断仪器到位，测读螺杆钻的孔内初始状态，并计算其与初始安装角的差值;用“蘑菇头”挂上孔内钻杆，稍将钻具提离孔底，按上步计算的差值转动钻杆，再次试读，直到面板读数等于或近似等于初始安装角为止;夹紧钻柱再次复读仪器，认定无误后提升仪器;在地表引固定标记到钻柱顶部，合上主动钻杆，不使其发生转动。

3．4．3．3 操作注意事项

可通过电缆入井深度和仪器面板不变的读数判断是否入键。

3．4．4 定向钻进

3．4．4．1 钻进前准备工作

将泵量调至螺杆钻钻进所需挡位，开泵对螺杆钻进行孔内试运转。

3．4．4．2 定向钻进过程

(1)一般情况下的操作。对螺杆钻施压前钻具必须悬离孔底0.1～0.2 m。开泵驱动螺杆钻并待泵压稳定后缓慢下放钻具至孔底，观察到泵压有一个微小的跳跃后维持轴压10～15 s再给压钻进;

施压分级进行，建议0.5～1 kN为一级，过程必须缓慢均匀;

钻进时要严密注视钻探仪表和钻速的变化;

采用的泵量是160 L/min的额定排量档(对应的额定泵压为10 MPa)，纠斜钻进时正常泵压一般6.5 MPa左右;

由于地层变化不大，建议钻速0.3～0.4 m/h为宜。

(2)分支钻进操作。开泵，慢放钻头到孔底，0钻压维持一段时间后慢放钻具1～2 cm，反复数次，直到可明确判断已分出月牙形新孔底，再逐渐加大钻压;

由于分支钻进“拐点”的出现，判断出已钻开新孔底后不可再长钻程钻进，否则钻孔将出现强烈的“狗腿”弯，影响后续安全钻进。

(3)定向加接单根。主动钻杆打完后尚未完成设计的造斜工作量时，需加接单根继续钻进(应尽可能一次性配好机上余尺)，务必保持钻杆柱的原有定向不发生变化。

3．4．4．3 操作注意事项

泵压是反映螺杆钻孔内工况的重要依据，操作者必须时刻严密注视表头，根据指针变化来调节钻进参数，如有异常，必须首先将钻具提离孔底再做其他处理;

钻进过程中，要经常检查主动钻杆的划线方向位置，如有偏转应及时纠正;

分支造斜后换常规钻具稳斜钻进前，应用短钻具联接直径略大于同级扩孔器的锥形金刚石钻头修孔一次，以圆滑钻孔轨迹。

3．4．5 钻孔弯曲测量

与陀螺测斜仪常规测斜基本相同，仅是造斜钻进孔段应每0.5 m为一个测程。

4 螺杆定向纠斜成果及意义

4．1 螺杆定向纠斜成果

朱溪矿区应用螺杆定向钻探技术纠斜，取得如下成果。

(1)采用螺杆定向钻进工艺完成ZK5407孔，历经17次纠斜(纠斜总进尺47.80 m)，终孔孔深2047.60 m，终孔水平位移91.39 m，符合钻孔在穿过主矿层后的终孔前水平位移＜100 m之地质要求，同时避免了1641.70 m钻探工作量的报废，挽回直接经济损失约200万元。

(3)自1288.70 m开始至1637.25 m结束的ZK5407孔纠斜，开创了江西省地矿系统深孔螺杆定向钻探先例，在全国地矿系统也不多见。

朱溪矿区深孔螺杆定向钻探技术应用研究的成功，将彻底解决常规钻探工艺技术很难完全达到地质方面对钻孔弯曲度的超高要求(顶角允许均匀弯曲度＜3°/1000 m)这一技术难题，大大促进地质找矿工作质量和效率的提升;同时，为矿区今后可能进行分支定向钻孔群的施工(可大幅度节约钻探工作量和征地、修路、平机台、搬迁等费用)做好了理论和实践准备;第三，拓展了地质钻探工程的应用范围，使地质钻探技术在能源和可溶矿等探采领域有了更好利用的可能;第四，对地质钻探施工本身而言，也是一个重大的技术进步，一旦发生严重孔内事故很难处理时，应用定向钻进技术可避免钻孔报废重打而“侧钻”解决之。