矿山井下定向钻孔施工中的关键技术研究

王长青

（河南富昌建设工程有限责任公司，河南 鹤壁 458000）

随着我国向现代化工业大国转变，城镇化进程不断加快，国民经济和社会的持续高速发展，国家对矿产资源的需求在逐年增加，所以国家对矿山的开采工作也越来越重视。而井下定向钻孔工作则是确保矿产资源顺利开采的一个重要环节。钻孔工作就是在实地进行矿产资源的取样，然后经考察、分析、研究和计算，确定是何种矿产资源，并获得该类矿产资源的产状、成分、储量、埋藏空间、开采条件等技术经济数据，并且在做出对开采工作有利的科学正确的评估后，对矿区的资源进行实际开采。但是，当前我国很多矿山的深层矿产资源受地质条件和定向钻孔技术的限制，还未能实现充分的开采。基于此，结合矿山井下定向施工的特点，对使用的关键技术进行分析研究，希望能够为井下开采工作的顺利开展提供一些方法上的借鉴。

1 矿山井下定向钻孔施工中的关键技术

矿山井下的定向钻孔工作是钻孔在施工条件允许的弯曲范围内，随着开采深度的变化，有规律的将倾角进行一定程度上的变化，从而使得钻孔能够以理想的角度穿过矿体，实现矿产资源的顺利开发。通常情况下，井下定向钻孔工作受井下巷道条件的限制，钻孔设备、工具必须能够适应井下狭小空间运输、搬迁和施工的要求，采用的钻孔技术也必须能够最大程度地排除井下地质环境的干扰。因而，为了克服井下条件，为了确保矿产资源顺利开采，在施工过程中需要运用多种开采技术，其中最重要的是钻孔设计技术、成孔工艺技术、随钻测量技术和信号传输技术。接下来我们进行详细分析。

1.1 钻孔设计技术

矿山井下定向钻孔工作要想取得理想的钻探效果，最大可能地排除地质环境的影响，首先使用的就是钻孔设计技术。井下定向钻孔设计技术能够对钻孔结构、钻孔布置和钻孔轨迹进行科学合理的设计。例如，对钻孔方位的设计，钻孔设计技术能够按照中间优先然后两边的设计原则，确定钻孔开孔的具体方位，还能合理调整钻孔方位角，保证各个钻孔在设计钻孔的间距内分布均匀，以避免出现探放水盲区的问题[1]。钻孔设计技术在设计定向造斜段时，能够根据井下含水层的垂直深度来调整钻孔的实钻轨迹，使得钻孔能够尽快的进入钻探目标层，并且能够保证进入目标层时钻孔的倾斜角度与地层的倾斜角度相差不大。总的来说，钻孔设计技术能够科学合理地设计钻孔开孔的倾斜角度、开孔方位和相应的定向造斜强度，并预先保留一定的调整空间，避免出现施工轨迹超出可控范围的问题，保证钻孔能够沿着矿产资源分布的地层延伸。

1.2 成孔工艺技术

矿山井下定向钻孔成孔工艺技术是一套全新的钻孔探测技术。成孔工艺技术能够针对矿山井下钻孔施工的特点，制定一系列完善的定向钻孔成孔工序流程。首先在钻进时采用大直径的螺旋钻杆回转钻进技术和复合性排渣技术施工套管段先导孔。然后再变换钻具，使用比较大规格的扩孔钻头，将扩孔钻进到孔底，与设计的好的套管衔接。最后再下入随钻测量定向钻孔工具，完成定向钻孔造斜段和定向稳斜段的工作，控制定向钻孔在目标含矿层中长距离延伸。其中，螺旋钻杆回转钻进技术原理是钻机主动把回转扭矩传递给螺旋钻杆和钻头，然后钻孔底部的钻头因破碎矿层产生的碎屑可以通过螺旋钻杆搅动的被清除到钻孔外，从而减少了钻屑的重复破碎或局部沉积，保证钻孔内部的干净[2]。矿山井下定向钻孔成孔工艺技术能够提高大大钻进的效率，并且在很大程度上能够确保钻进工作的安全，避免发生钻孔事故。

1.3 随钻测量技术

随钻测量技术即指在钻进工作开展的同时实现各种钻孔参数持续且实时测量的技术。随钻测量技术主要是对钻孔工具的空间参数、深度参数、倾斜角度、钻进方位等方面进行测量，通过测量获得的数据信息计算每个测点的位置坐标，从而得到钻孔的实际测量轨迹图。然后用实际测量轨迹图来指导定向钻孔的轨迹预测和轨迹控制[3]。随钻测量技术主要包括加速度计和磁强计组合的测量系统、加速度计和陀螺仪组合的测量系统以及加速度计组合的重力随钻测量系统。随钻测量技术能够准确地获得钻孔的相关参数，随着井下倾斜角度的变化，能够始终保持测量的灵敏度，测量精度很高，使用方便。

1.4 信号传输技术

矿山井下定向钻孔施工过程中在进行了随钻测量后，还需要将测量到的数据信息传输到主控中心，结合这些实时测量的信息指导钻孔施工。井下定向钻孔施工过程中主要采用的信号传输技术是有线传输技术、电磁传输技术和声波传输技术。有线传输技术能够将带有接口的电缆预先埋到钻杆工具的腔体内，每次接触钻杆的同时也能使核心导线互相连通，从而实现信号传输。有线传输技术具有传输参数大、速度比较快、不受传输媒介影响以及实现地面和井下的双向通讯等等优点。接下来是电磁传输技术。电磁传输技术主要是通过地层介质得以实现信号传输。井下的测量仪器将测到的数据输送到载波信号上，测量信号就能够随着载波信号凭借电磁波发射器发射到四周。地面上的检测电波器把检测到的电磁波中的测量信号进行解码，然后计算得到测量数据[4]。电磁传输技术的传输速率高，测量数据花费的时间短。声波传输技术则主要是通过监测钻具的回转频率和振动声波来判断钻具的状况。

2 结语

通过对矿山井下钻孔施工过程中采用的关键技术进行分析，我们可以得知钻孔设计技术、成孔工艺技术、随钻测量技术和信号传输技术是开展井下定向钻孔工作必不可少的技术方法。

但是，通过分析，我们发现有的技术还不是成熟的方法，例如要想发挥随钻测量技术的理想效果，还必须解决钻具体积和可靠性的问题，这就有待于进一步的探索。