江西省弋阳铜矿陀螺仪与偏心楔定向侧钻绕障技术实践

罗康杰，陈克林，李树民

（江西有色地质勘查一队，江西 鹰潭 335000）

江西省弋阳铜矿详查矿区ZK2003孔，设计孔深400m，开孔倾角77°，方位角200°，钻遇岩层依次为第四系表土层、变石英角斑岩、泥质灰岩、绢云母千枚岩，断层间夹多层3m～50m破碎带，破碎带主要由变石英角砾、粘土胶结而成。钻孔采用￠95mm口径施工至孔深296.91m时，孔内破碎带掉块、塌孔，孔内阻力突然增大，发生断钻杆事故，马上起下钻准备用丝锥打捞断落的钻具，打捞时发现钻孔继续掉块、坍塌，破碎的岩块掩埋了钻具事故头。断落孔内的钻具包括内外管总成，￠89mm钻杆共计20余米。为加快事故处理进度，降低事故损失，决定采用定向侧钻绕障技术，在满足地质技术要求的情况下，侧钻偏孔绕过事故孔段。

1 侧钻方法选择

目前国内侧钻造斜器具主要有偏心楔、LZ连续造斜器、螺杆钻具三种：偏心楔侧钻定向不精确，传统方法是在钻杆划线确定楔面方位，误差大，也不可取，侧钻孔段有“狗腿”急弯，造斜后钻进难度大；LZ连续造斜器操作复杂，精度低，不适用于复杂地层造斜；螺杆钻具定向造斜是非常成熟的工艺，精度高，效果也非常好，但设备配置要求高，工程造价较高，该孔有多层破碎带且掉块严重，有较高风险卡、埋仪器。此外，一般侧钻工艺均需水泥营造人工孔底，而偏心楔可在下端与￠89mm废旧钻杆连接为一整体，其目的是支撑偏心楔到位，取代水泥架桥。结合各侧钻器具优缺点，决定使用新技术与老工艺相结合的方法，即偏心楔＋光纤陀螺测斜仪的定向侧钻绕障的方法，达到快速绕开事故孔段的目的。

2 侧钻造斜设备

ZK2003孔施工时选用的设备为XY-4型液压立轴式岩心钻机和BW-250型泥浆泵，造斜前，根据钻孔孔深、孔径等情况合理选择适宜的定向纠斜器具，其设备分别为：①￠89mm偏心楔，采用￠89mm绳索取心钻具外管制作，偏心楔顶角为1.25°。②特制同心圆环齿锥形钻头、变径接手若干、0.8m短钻具等。③JTL-40GX光纤陀螺测斜仪，配套的电动绞车、地面显示仪等。

3 定向侧钻绕障施工工艺

（1）定向侧钻绕障施工工序。光纤陀螺测斜仪+偏心楔定向侧钻绕障技术施工的程序是：确定侧钻的层位、偏心楔楔面的安放方位→换浆、清孔→下入偏心楔→定向→造斜钻进→修孔钻进→分支孔钻进→测斜。

（2）造斜前准备工作。①确定侧钻位置：根据钻孔岩心软硬、完整程度，钻具事故头断落位置，选择在孔深264m处（完整的泥质灰岩）侧钻；②根据技术要求，ZK2003孔下入偏心楔侧钻时应减小钻孔方位角，顶角变化影响不大。③换浆、清孔：ZK2003孔岩层破碎，要选用优质、润滑性能好的泥浆作为冲洗介质，一是可以起到排粉护壁的作用，二是有利于保护偏心楔工作面，下入偏心楔前，下钻开泵洗孔，确保孔内干净、孔底无沉渣，以保证偏心楔顺利下入预计孔深。

（3）定向。定向操作步骤如下：①将偏心楔吊装在井口，下光纤陀螺测斜仪，按工具面角0°、90°、180°、270°转动偏心楔，检测仪器是否准确可靠。②综合地质技术要求及侧钻后施工难易程度，ZK2003孔计划顶角不变，方位减小，理论工具面角应为270°，但安装角=理论工具面角+反扭角。反扭角取决于钻压、钻杆类型和长度、井斜角的大小，使用粗钻杆时反扭角小，是经验值，￠89mm绳索钻杆反扭角大小取为20°/1000m。因此ZK2003孔在孔深264m造斜只降方位角时，理论工具面角为270°，反扭角估算为5°，因此安装角为275°。③下入￠89mm偏心楔，偏心楔底端与￠89mm废旧钻杆连接营造人工孔底，为保证连接牢固可靠，偏心楔下端所有钻杆接手全部焊接。下放偏心楔时应认真操作，不可操之过猛，要缓慢平稳。④下放光纤陀螺测斜仪，当定向引鞋入键后，通过转动￠89mm钻杆来调整偏心楔的安装角度。⑤转动￠89mm钻杆，直到光纤陀螺测斜仪显示的工具面角读数为275°，定向结束，取出测斜仪。仪器引鞋进入偏心楔定位靴后应反复提拉3次～5次，工具面角读数误差在3°内，方能确定仪器入键，此时定向才准确可靠。转动钻杆时只能正转，反转容易引起钻杆回扣。在转动钻杆时应反复提拉钻杆，消除钻杆扭劲，定向才能准确。⑥定向结束后，偏心楔须坐牢坐实，要让张爪充分张开抓住孔壁，不让其有转动的余量；同时，位于孔口的￠89mm钻杆需焊接固定，防止偏心楔转动和下行。

（4）造斜钻进。定向成功后，降金刚石钻具造斜钻进，造斜钻具的组合及造斜钻头的选择是过楔面技术的关键。为防止钻头破坏偏心楔，造斜钻头为特制同心圆环齿锥形钻头，钻头设计外径76.5mm，小端外径66mm，胎体高度14mm，锥体高度8mm，钻头胎体硬度为10～15。在钻进过程中，钻头在其锥面的导入作用下，能够顺畅地通过偏心楔楔面，不至于在楔面上搁浅或损坏偏心楔。造斜钻进钻具组合为：主动钻杆+￠71mm绳索钻杆+￠50mm钻杆（4.5m）+￠73mm粗径钻具（0.8m）+￠76.5mm扩孔器+￠76.5mm圆锥钻头。降金刚石钻具到距楔顶面0.5m时开泵冲孔，以低速（97r/min）回转立轴并启用立轴油缸控制钻具缓慢下行，不能用钻机卷扬提动钻具试探楔顶面位置。当立轴回转有异常响声反应时，表明钻头碰刮孔壁和楔面，进入造斜状态。造斜初始阶段以小规程参数（转速：97r/min～178r/min，钻压：3kN～10kN）均匀造斜钻进，以防出现造斜急弯或破坏楔面。随着造斜进尺的增加，克取孔壁岩石的面积增大，钻头过完楔面后，可给以正常参数（转速：255r/min～370r/min，钻压：10kN～13kN）钻进。造斜钻进中，在距偏心楔顶1/3段，由于偏心楔壁较薄，钻进速度应控制在0.8～1m/h，钻速过慢易造成钻头对楔面磨铣量过大，影响偏心楔强度。利用圆锥取心钻头钻进，取出侧钻分支孔岩心，验证造斜效果，钻进2m后，方可进入修孔工序。

（5）修孔工序。在偏心楔造斜过程中，虽然偏心楔斜面的顶角只有1.25°，但自造斜钻头在楔顶接触岩石钻进的同时，老孔与新孔间的孔壁上也会自然形成一个弯度，俗称“狗腿”弯[1]。修孔即是削磨“狗腿”弯，具体做法是在距偏心楔顶下约2m的范围内，反复扫磨，消除或减缓“狗腿”弯，以圆滑钻孔轨迹，方便以后安全钻进。修孔后反复提上、降下钻具，确认无遇阻现象即可转入分支孔钻进程序。修孔钻进钻具组合为：主动钻杆+￠71mm绳索钻杆+￠50mm钻杆（4.5m）+￠73mm粗径钻具（0.8m）+￠76.5mm扩孔器+￠76.5mm普通钻头。

（6）分支孔钻进。为防止分支孔钻进时破坏偏心楔，钻头外径应小于造斜孔径，选用￠75mm金刚石钻头和￠75.5mm的扩孔器，同时为减少起下钻时刮碰偏心楔次数，应选用高胎体、进口料的长寿命钻头[2]。侧钻分支孔的初始阶段采用短钻具取心钻进，其目的是避免钻具处于偏心楔楔面上，扰动、磨损偏心楔；再者，为减少钻头的侧向力，控制钻孔弯曲度，是分支孔钻进初始阶段稳斜钻进的需要。绳索取心短钻具的总成长度，根据造斜孔段的长度确定。本次造斜孔段总长度为2m，据此确定取心钻具外管总成长度不大于2m，使用短钻具钻进5m后，换回常规绳索取心钻具钻进，直至顺利地将分支孔钻进至终孔。

（7）注意事项。①要用优质泥浆护壁，确保孔内干净、孔底无沉渣，一是防止光纤陀螺测斜仪在定向时发生卡、埋现象，二是保证偏心楔能顺利下放到位，且坐牢坐实，不会出现下移错位现象。②泥浆浓度应适宜，过小，起不到护壁作用，浓度太大，光纤陀螺测斜仪探管引鞋难以入定位键，影响定向。③定向完成后，要固定住偏心楔和￠89mm钻杆，防止转动和下行错位。④下入次一级口径钻杆造斜时应在短粗径钻具上端连接一根￠50mm钻杆，增加底部钻杆柔性。⑤造斜初入楔面位置时不可操之过猛，应注意控制钻进参数，防止破坏偏心楔。⑥钻头在过楔面无明显偏孔进尺时，不能长时间停留在一个点面上研磨，应及时提升钻具查明原因，否则易造成楔面破坏。⑦分支孔先采用短粗径钻具取心钻进，一是利于偏孔稳斜，二是避免钻具刮碰偏心楔，待分支孔进尺超过常规粗径钻具长度时，再换回常规绳索取心钻具钻进。

4 侧钻绕障效果

ZK2003孔在孔深264m处（完整的泥质灰岩）侧钻，并成功偏孔绕过事故孔段，分支孔钻进10余米后及时测斜，测斜数据（见表2）表明，定向侧钻后，ZK2003孔顶角几乎不变，方位角减小了5°～6°，满足了地质技术要求，达到了定向侧钻绕障技术实践的预期目标。继续钻进110余米后，ZK2003孔顺利终孔，终孔孔深379.68m。

表1 定向侧钻前后测斜数据

5 认识与体会

（1）工程实践证明，陀螺仪与偏心楔定向侧钻绕障技术与传统侧钻方法相比较具有以下优点：①侧钻器具偏心楔制作简单、成本低，操作简单方便；②造斜侧钻周期短，用废旧钻杆取代水泥架桥，不仅架桥成功率高，而且减少了水泥候凝时间和扫水泥柱时间；③定向精准，可根据钻孔轨迹制定需要的侧钻偏孔方向；④侧钻绕障效果明显，达到了低耗高效的效果。

（2）虽然陀螺仪与偏心楔定向侧钻绕障技术在ZK2003孔取得了很好的效果，但也存在以下不足之处。①定向精度有待提高，因为反扭角是根据施工经验估算的，不是精确的。②侧钻孔段有“狗腿”急弯，造斜后起下钻容易刮碰偏心楔，钻进时负荷大，易发生断钻杆事故。因此应选择楔顶角较小（1°～1.3°）的偏心楔，避免钻孔出现强烈的“狗腿”弯。③难以实现同径侧钻偏孔，需下入小一级口径钻具分支侧钻绕障。

（3）陀螺仪与偏心楔定向侧钻技术可快捷、可靠地实现分支侧钻，绕开事故，减少事故对钻孔的经济损失，也是我们今后施工分支定向孔、定向纠斜行之有效的技术手段。