江西九瑞地区复杂地层深部螺杆受控定向钻探施工技术初探

郭 健

（江西省地质矿产勘查开发局赣西北大队，江西 九江 332000）

1 地质条件

出露地层自南至北、自下而上依次为志留系中统罗惹坪组（S2l）、上统纱帽组（S3s）、泥盆系上统五通组（D3w）、石炭系中统黄龙组（C2h）、二叠系下统梁山组（P1l）栖霞组（P1q）、茅口组（P1m）上统龙潭组（P2l）、长兴组（P2c）、三叠系下统大冶组（T1d）、中统嘉陵江组（T2j），第四系（Q）广布于湖区及地表。

2 主要技术难点分析

九瑞矿区地质构造复杂，断层发育。区内岩性具有如下特点：①水敏性地层：一是花岗闪长斑岩、煌斑岩由于长期受到地下水的影响岩脉呈强风化、全风化状态，厚度一般3m～5m，最厚达56m；二是第三系泥质砂岩、泥质粉砂岩地层，加上成岩程度不高、强度较低而表现为孔壁坍塌。②漏失地层：一是裂隙、溶洞普遍存在，既有填充型也存在无填充型型裂隙、溶洞。深度100m～800m不等，漏失量一般较大。③多种复杂情况集与一孔：在钻探施工过程中，经常一个钻孔既遇到多层漏失又遇到多层岩脉，给钻探施工带来极大难度。

造斜段一般比较深。终孔孔深在500m～1200m不等，根据地层情况以及终孔靶点要求，造斜段都在300m以下，最深需要到700m以下，增加了造斜难度。

3 定向钻探配备的机具及设备

螺杆钻具：65型4LZ-65-3-1°，54型4LZ-54-3-0.75°；钻头：75型造斜钻头；随钻测斜定向仪：LHE2000型；绞车及电缆：北京六合伟业生产；无磁钻杆：¢73mm无磁钻杆3米；钻机采用XY-44、XY-5、XY-6型立轴式钻机，水泵：BW-250，BW-320型泥浆泵。

4 定向钻探技术应用情况

武山南港矿区ZK96-2孔是我们施工的第一个钻探分支孔，具有实验和探索性质，该孔主孔情况：钻孔设计孔深1250m，终孔孔深1307.95m。

4.1 确定造斜点

为稳妥起见，在下螺杆钻具施工之前，先在地表上做了螺杆钻具的测试，按照孔内连接方式在地面上接好各个部件，进行开泵实验。

4.2 非定向偏斜实验

目的：掌握螺杆钻具施工操作、收集钻进参数、测试偏斜效果。本次非定向偏斜进行了两个回次，偏斜弯头选用1°弯头。在非定向阶段螺杆钻进共进行了三个回次。下图1分别是第一回次和第二回次用绳索取出的岩心。

图1 绳索取出的岩心

通过两个回次的绳索取芯钻进，取出岩心情况表明：掌握了螺杆钻进的操作过程，能够正常施工；弯头具有偏斜作用，可以实时定向偏斜。

4.3 随钻定向偏斜实验

目的：掌握随钻定向测斜仪的使用，采集定向偏斜钻进偏斜相关数据，绘制定向偏斜钻孔轨迹。

按照要求接无磁钻杆，下放随钻定向测斜仪，进行随钻定向钻进。偏斜弯头选用1°弯头，造斜方位280°，因键槽与弯头角差是+42°，因此实际工具面角为238°，受控定向时只要随时调整工具面角就可以达到。

4.4 实验效果

通过螺杆钻具偏斜及随钻定向偏斜两个阶段的钻进实验，我们成功的掌握了螺杆随钻定向技术，为下一步在矿区实现定向钻探的应用打下了坚实的基础做好了必要的技术储备。

顶角造斜强度（389.97m～399.52m）=2.3/9.55=0.24°/m

螺杆钻钻进效率（389.97～399.52）=9.5m/15h=0.6m/h

5 技术分析及初步结论

5.1 螺杆钻钻进效率

螺杆钻钻进效率受到地层、钻压、冲洗液流量、泵压等几方面影响。由于采集的数据有限，本次实验对于个钻进参数对钻进效率的影响没有定量数据支撑，只能做一个定性的认识。

（1）需要的液体压力.冲洗液在泵的作用下通过螺杆，钻具在离开孔底的条件下自由转动，如果排量不变，通过钻具的泵压也不变。当钻头接触了孔底并加了钻压，则冲洗液压力增加。该压力增值与钻压增量成正比，这是钻头扭矩所必须的。当钻压继续增大是泵压也随之增加，当达到最佳后，继续增加钻压，泵压也增加，但超过最大设计压力时钻进停止工作。以上情况可以通过图表形式表述（350m～420m孔深）。

表1 螺杆钻的泵压参数情况

（2）钻压的影响。钻压的增加对于钻进是需要的，从上表也可以看出，钻压有一个合理值，本次实验在该孔深段，钻压约1000KG左右，超过这个值会使得螺杆回转阻力增大最终停止工作，钻压过低影响施工效率。

（3）泵量的影响。由于螺杆钻具属于容积式马达，其特点是输出轴转速与泵量成比例，但是螺杆马达定子是有弹性材料制成的，每一种弹性材料党的承压能力是一定的，当输出轴上的载荷达到一定值时，高压液体将转子与定子相互啮合的封闭线撑开，造成液体漏失。

（4）基本结论。螺杆钻进效率的影响主要取决于螺杆钻具的钻速和扭矩，在不考虑地层以及泥浆（比重、粘度等）、冲洗液沿路流量压力损失因素的影响；泵压直接影响螺杆钻具的扭矩，因此，可以通过地表泵压表的变化判断钻具的在孔内的工作情况。

5.2 受控定向钻探

本次实验由于条件受限，不可能考虑各种条件下不同情况分析，只能按照现有情况做一个分析。钻孔弯曲主要受到地层、钻孔顶角、钻孔方位角、定向弯头造斜强度、造斜下放钻具的工具面角等因素影响，其表现形式是：造斜强度、顶角、方位角的变化。

影响造斜强度的因素是极其复杂的。造斜强度除与造斜工具自身的弯曲角度及其在钻具上的安装位置有关外，还与设备（泥浆泵）的性能、钻杆的材质及外径、钻孔深浅、钻孔顶角、方位角、定向钻具参数（泵压、泵量、钻压）、安装角、地层条件及造斜孔径等一系列因素有关。基于以上原因，我们不可能做到对造斜强度做一个定量分析，设计时更多的是凭经验取得一个合理的范围。