受控定向钻探技术在科钻施工中的应用

蔡正水

摘 要：本文主要阐述了受控定向钻探技术在科钻施工中的应用，结合工程实例，重点介绍了人工孔底的建造方法、钻孔侧钻的施工程序，总结了螺杆钻造斜的技术要点和注意事项。

关键词：受控定向钻探；封孔；侧钻；螺杆

目前，钻探技术仍是地壳探测工程唯一有效的证实手段。我国科学钻探与固体矿床勘探孔深很多已超过3000m。随着钻孔深度的增加，出现了一系列难以预料的孔内施工难题。孔内事故的处理（绕障）、钻孔轨迹的控制、油气田的增产以及危机矿山的救治都离不开受控定向钻探技术。

本文着重介绍封孔侧钻技术在南岭NLSD-1科钻孔中的实际应用。由于该孔地层强促斜，钻孔顶角自然上漂造斜率5～8°/100m，为满足科钻质量要求，必须采取纠偏措施，以及为保证特殊地層岩心采取率，某些孔段采取被迫先取心后封孔侧钻纠正钻孔轨迹的方法。本科钻孔利用了5LZ73、YL65、YL54系列螺杆钻、LHE-2000随钻定向仪、FYD-2200全液压动力头式钻机等机具。在南岭NLSD-1科钻孔中，共进行了三次侧钻及96次造斜（纠偏），收到满意效果，在地层极其复杂的情况下钻孔能够保持正常施工。可以说，受控定向钻探是大陆深部探测不可缺少的辅助手段之一。

1 受控定向钻探在南岭NLSD-1科钻孔中的应用

南岭NLSD-1科钻孔位于江西省赣州市于都县银坑镇银坑矿田内，是由安徽省地质矿产勘查局313地质队承担的《华南于都?—赣县矿集区科学钻探选址预研究》3000m科学钻探工程任务。

该孔设计孔深3000m；钻孔设计开孔顶角0°；钻孔终孔直径≥Φ76mm（实际终孔口径Φ97mm）；钻孔弯曲度﹤1°/100m。该孔共进行了三次侧钻，本文以第三次侧钻为例详细介绍封孔侧钻的施工工艺、特点及注意事项。

1.1 封孔侧钻主要原因

1683.34～1764.36m孔段，为长孔段连续煤系地层。由于该孔段地层胶结性差，软、硬互层，构造破碎，且钻遇大量煤线，因而地层稳定性较差，钻孔易产生坍塌、缩径、岩层错动、孔斜超差等情况。因地层原因而造成如下问题：

（1）钻孔顶角上漂而需造斜纠偏；

（2）为保证重要孔段岩心采取率造成的钻孔轨迹的严重偏离，需封孔侧钻。

为此，经项目部研究决定封孔侧钻，得到课题组批准后，开始具体实施。

1.2 封孔侧钻施工工艺流程

封孔→（透）清孔→磨平孔底→校正孔深→孔斜测量→定向安装角确定→造斜钻头选择及螺杆钻地面试验→地面定向→消除装和差→下钻至预定孔深位置→孔底定向→安装反扭矩装置→螺杆钻启动→造斜钻进→随钻监测→造斜段延伸→提钻→稳斜钻进→扩孔。

1.3 建造人工孔底（封孔）

人工孔底的建造质量关系到侧钻成败，必须十分重视。

根据地层岩性及孔斜情况，侧钻起始点最佳位置在孔深1580.00～1584.00m孔段。因此计划水泥封灌孔段：1570.00～1750.00m，计180m。

1.3.1 灌浆前准备工作

（1）干水泥用量计算

灌注前Φ97mm口径孔深1750.89m，超径系数选1.2，水灰比按0.45；需灌注孔段水泥浆体积计算：0.785*0.097*0.097*180*1.2≈1.59538m3；干水泥用量为：1.59538/0.83≈1.922（吨），实际采购2.0吨干水泥。

（2）替浆水计算

为保证灌浆质量及钻杆安全，采用两段式灌浆方法，替浆水分段计算。

第一次替浆水计算：必须能完全排空Φ71mm绳取钻杆内容积，Φ71m钻杆内径0.058m，总长度1558m（1750-Φ50mm钻杆192m=1558m）--0.785*0.058*0.058*1558+0.1（地面管线损失）=4.21m3；

第二次替浆水计算：0.785*0.058*0.058*（1558-90）+0.1=3.98m3；

（3）水泥及处理剂准备

干水泥用量：P.O42.5普通硅酸盐水泥2.0吨；

三乙醇胺用量（0.1℅）：2.0kg；

NaCl用量（1℅）：20.0kg；

清水用量：900kg（0.45*2.0=0.9吨）；

早强剂用量（3℅）：60kg；

性能：水灰比0.45，水泥浆比重1.83g/m3。

（4）设备、机具准备

钻机、水泵检查及更换易损件：钻机性能状态保持良好；更换水泵皮碗、封水圈等；准备灌浆器具、灌浆钻杆、工具、接头；水泥浆搅拌设备检查及清理；泥浆池、灌浆池清理；清水供应系统检查等。

1.3.2 水泥浆配制方法

材料基本加入次序：清水—干水泥—早强剂—食盐溶液—三乙醇胺。

向搅拌桶内加入225.00kg清水（每次加量由搅拌桶容积决定）—均匀倒入0.5吨干水泥—加入15kg早强剂—（水泥搅匀无团块后）加入5kg食盐融化的溶液—加入0.5kg三乙醇胺—搅匀后放入灌浆池—重复以上程序再配一搅拌桶放入灌浆池—等待灌注。

1.3.3 水泥浆灌注

操作人员分工及岗位安排：分供水岗、统计测量岗、水泥浆配制岗、泥浆泵岗、司钻岗、孔口岗、塔上岗等，并有专人指挥。

（1）浆管线级配（自下而上）

螺旋侧喷式孔底灌浆器长度0.80m—Φ50mm钻杆10立根计191.20m—Φ71mm绳取钻杆—主杆—水龙头—2.0吋高压胶管—泥浆泵。

（2）水泥浆灌注方法及过程

第一次灌浆：

①灌浆器下至孔深1750m处，泵入前置液2.0方（用清水）；

②泵送由1.0吨干水泥配制的水灰比0.45的水泥浆；

③泵入后置液0.1方（用清水）；

④泵入替浆水（用稀泥浆）4.21方；

⑤替浆完毕，提5立根Φ71mm钻杆，至孔深1658米处，用稀泥浆冲钻杆内壁。

第二次灌浆，重复以上程序，替浆完毕，再提6立根，冲孔，提大钻。

1.3.4 水泥候凝及封孔质量检查

灌注8h后即可冲浮灰，配Φ97mm透孔钻具下钻冲扫浮灰至孔深1570.12m处，水泥能承受钻具重量，但回转进尺较快，冲孔换浆除渣，有水泥渣返出，确定水泥已凝固，但结石强度太低，提钻候凝。48h后下Φ97mm取心具，取水泥心检验水泥结石情况，以便确定侧钻时间。经对取出水泥心分析，可以开始进行侧钻工作。因1580～1584m为较佳侧钻地层，决定在此孔段侧钻。Φ97mm取心钻进至1579.44米后，提钻，下Φ97mm磨孔钻具冲扫孔，孔底磨平干净后提钻，准备造斜。

1.4 螺杆钻侧钻施工

侧钻钻具级配（自下至上）：造斜钻头—螺杆钻配1.0度弯外管—1.0度弯接头—Φ71mm无磁钻杆3.0m—Φ71mm绳取钻杆—Φ89mm主动钻杆—水龙头—地面管线。

1.4.1 定向方法

①地面定向，消除装和差。

②孔内定向：螺杆钻定向安装角以纠方位为主兼降顶角，定向仪器反复提放三次，误差小于2度，记录有关数据及现象，安装反扭装置，准备侧钻钻进。

1.4.2 侧钻钻进操作

第一次入孔钻具级配：Φ75mm肋骨式电镀不取心造斜钻头—YL54螺杆钻配1.0度弯外管—1.0度弯接头—Φ71mm无磁钻杆—Φ71mm绳取钻杆。定向安装角169.4°。

钻进参数：钻压500～1000kg，泵量194L/Min，泵压1.6Mpa。首回次侧钻纯钻时间15h，侧钻孔段1579.44～1581.70m，进尺2.26m，钻头顺老孔孔壁跑，因YL54螺杆钻具刚性差，首回次侧钻效果不明显。

第二次入孔钻具级配：Φ75mm外肋骨式电镀不取心造斜钻头—YL65螺杆钻（1.0度弯外管）—1.0度弯接头—Φ71mm无磁钻杆3.0m—Φ71mm绳取钻杆。螺杆钻定向安装角148°。

钻进参数：钻压1000～1500kg，泵量149L/Min，泵压2.0Mpa。纯钻时1240min，侧钻孔段1581.70～1584.48m，计2.78m，孔口有岩粉返出，侧钻有效果。余尺钻完，加杆再定向继续造斜，定向安装角148°，进尺0.35m后泵压高至8Mpa，确认钻头损坏，停泵提钻。侧钻孔段1584.48～1584.83m，纯钻时2h。第三次入孔钻具级配：Φ75mm电镀取心式造斜钻头—YL65螺杆钻（1.0度弯外管）—Φ71mm无磁钻杆3.0m—Φ71mm绳取钻杆。定向安装角148°。

钻进参数：钻压1000～1500kg，泵量149L/Min，泵压2.0Mpa，纯钻时16h，孔段1584.83～1587.68m，计2.85m。余尺钻完加杆定向继续造斜。工具面角155.8°，钻压、泵量、泵压同上，进尺至孔深1589.90m时泵压升至3.5～4.0Mpa，进尺变慢，疑钻头损坏，提钻检查，有2.0m小岩心，钻头内孔堵塞。侧钻孔段1587.68～1589.90m，计2.22m，纯钻时580min。

侧钻有效进尺孔段1582.26～1589.90m，计7.64m，新孔已完全形成。

1.4.3 稳斜钻进及扩孔

侧钻成功后，用带三扶正器钻具进行稳斜钻进3～5m，以延伸造斜效果，保证钻孔圆滑。扩孔时扩孔钻具必须带下导向的。

2 受控定向钻探用于侧钻施工的关键技术

2.1 造斜工具的选择

根据孔深、孔径、岩石硬度、钻孔倾角大小、孔壁稳定性、钻杆、设备以及钻探工艺等条件进行螺杆钻选择。深孔造斜需考虑螺杆钻具的背压、额定钻压及密封。螺杆钻外径必須小于两级钻孔直径。视钻孔倾角及地层促斜情况，使用双弯螺杆钻或单弯螺杆钻。造斜件可以是弯外管或弯接头，或是两者组合（双弯）。为增加造斜强度，可用双弯组合或弯外管处补焊背板。深孔造斜不提倡单独使用弯接头。侧钻施工，通常采用1.5°弯外管或1.0°弯接头与1.0°弯外管组合。绳索取心钻孔，弯外管以1.0°为宜。螺杆钻定向接头内径要保证斜口引鞋的顺利通过。由于螺杆钻多与磁性定向仪器配套使用，因此，必须配备3～6m无磁钻杆用于安装磁性定向仪。

2.2 造斜钻头的选择

宜选用外刃锋利的全面或中心孔式电镀造斜钻头。中心孔需加强保径，钻头旁侧或分水接头处对称打两个Φ6～8mm向下斜孔，以降低泵压。钻头内有岩心蓝装置。首回次侧钻宜选用锋利的带外肋骨的金刚石造斜钻头，钻头金刚石胎体面积等于钻头底面1/4为宜。钻头水口布局合理，外侧刃圆弧度要小。为检验侧钻效果，可选择中心孔式可取小岩心的造斜钻头。

2.3 造斜工具安装角的确定与调整

首回次侧钻时造斜工具安装角为90°+反扭转角。有小岩心时，转为常规定向方式。按计算或画图所得结果，适当考虑反扭转角即可。

表1为该孔中随钻实测的不同孔深的反扭转角。

3 螺杆钻造斜的操作方法及注意事项

3.1 螺杆钻的操作方法

螺杆钻造斜钻进操作方法及程序如下：准备合格的孔底及冲洗介质→选造斜钻头→螺杆钻地面试验→地面定向→入孔至预定位置→孔底定向→安装反扭矩装置→螺杆钻启动→螺杆钻造斜钻进（可定时录样）→造斜结束→提钻或加杆定向连续造斜→卸钻头→检查弯外管及钻头磨损情况→分析小岩心→分析造斜效果→反转分水接头，清洗并放净螺杆钻内积液→检查、保存螺杆钻以备下次使用→造斜回次完毕。

3.2 螺杆钻侧钻造斜操作注意事项

（1）定向时检查并记下仪器检验数据；

（2）钻前应扫清孔内障碍物，孔底应用专用磨孔钻头修平；

（3）泥浆含砂量小于0.1℅，黏度小于25s；

（4）下钻时钻杆丝扣涂抹丝扣油并拧紧丝扣；

（5）下钻时不要过快，以防因旁通阀堵塞造成内部结构螺纹脱扣和岩粉刺坏发动机，或螺杆钻捣在钻孔超径或探头石处损坏螺杆钻及造斜钻头；

（6）造斜钻进中注意观察泵压表，压力不稳时，提起螺杆钻停泵再次试启动，无效时提钻检查；

（7）螺杆钻工作正常，泵压稳定但不进尺或进尺极慢，岩石也无变化，需提钻换钻头，不要盲目加压；

（8）造斜钻进时不得随意提动钻具，以免改变螺杆钻工具面向角，如遇特殊情况，处理完毕后重新定向，再进行造斜钻进；

（9）造斜点、段必须选择中硬以下岩层，避开失稳孔段及有特殊岩心取心率要求的地层；

（10）侧钻施工必须重视人工孔底的建造质量。

4 结语

受控定向钻探是保证深孔钻进成功的重要手段，也是处理孔内复杂事故的有效手段。虽然受控定向钻探自20世纪30年代即已出现，发展到现在技术及机具已相当完备，但其应用于深孔，特别是小口径深孔方面，经验不足，尚有待进一步研究。

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（作者单位：安徽省地质矿产勘查局313地质队，探矿工程技术研究所）