陀螺定向技术在袁店二矿西风井冻结造孔工程中的应用

程锦亮，唐 林，周 峰

(安徽省煤田地质局水文勘探队，安徽 宿州 234000)

袁店二矿西风井井筒深度440 m，井筒直径5.5 m，表土层厚度为278.8 m，冻结深度350 m。布设三圈冻结孔，孔数79个，工程量19 540 m。主排孔19/19个，圈径为15.2 m，开孔间距1.26 m，孔深为350/290 m；辅助孔18个，圈径为11.5 m，开孔间距2.0 m，孔深为285 m；防片帮孔18个，圈径10.1 m，开孔间距1.75 m，孔深为70 m。布设测温孔3个，孔深分别为350、350和75 m；布设水文孔2个，孔深分别为32和183 m。钻孔靶域半径：表土段≤0.50 m，基岩段≤0.60 m;径向内偏值：主排孔≤0.50 m，辅助孔≤0.40 m；主排孔最大终孔间距：表土段2.0 m，基岩段3.4 m。在施工过程中，主要靠陀螺定向技术来保证钻孔质量，满足施工技术要求。尽管陀螺定向技术已开展多年，但它是一项综合性较强的工作，由于工作人员的新老交替，技术衔接不是很好，导致该技术工作往往处于被动局面。为了扭转这种不利局面，需要我们不断加强对陀螺定向技术的学习，要勤于思考，善于总结。下面对将陀螺定向在实际工作中所选用的技术参数、工作方法及操作要领进行介绍，以供参考。

1 陀螺定向的基本要求

1.1 仪器及操作应满足的基本要求

本工程根据冻结工程质量要求，选用北京建井研究所生产地JDT-5A型陀螺测斜仪，定向仪选用陀螺定向仪。陀螺测斜仪性能参数见表1。

实际操作中，每次测井用经纬仪吊线，采集初始方位，降低肉眼吊线造成初始方位角误差，确保每个孔斜轨迹的准确性和重合度，为定向工具面角度的计算提供可靠参数。

(1)定向仪性能可靠稳定，工具角度0°～360°转动一圈显示满度。

(2)仪器外管母线用不同颜色胶带做好标记,保证同定向靶槽口安装准确，并固定可靠。

(3)定期检查仪器漂移(动漂、静漂)。

1.2 对螺杆钻的要求

螺杆钻是井下纠偏造斜的主要工具，工作原理是通过泥浆力作用使马达转动，带动钻头旋转，刻取岩石进尺。使用前，确认坐键是否被挪焊，挪焊后与母线角度差值的大小，钻头马达工作是否正常，仪器坐键槽能否坐键，螺杆的整合情况和弯度角，各项性能是否符合要求。

在使用过程中，应严格按照《螺杆钻具使用说明书》进行施工操作，避免不合理使用钻具，降低螺杆钻具定向的成功率[1]。

1.3 对泥浆、泥浆泵的要求

螺杆钻对泥浆有着特殊要求，泥浆中固相含量过高，会加速螺杆钻具橡胶的磨损，缩短使用寿命，降低定向成功率。因此泥浆应进行有效的分离净化，尽可能降低固相含量，泥浆含砂量小于0.5%[2]。

泥浆泵用于输送钻进过程的泥浆液，作为螺杆定向进尺的动力源，必须具有足够的泵量和较高的泵压；保证进尺时孔底清洁；另外，泥浆泵在钻孔孔壁与钻具之间的环状间隙一定的情况下，要保证冲洗液具有较高的上返流速，必须提高泵量。该工程选用TBW-850/50型泥浆泵，其性能参数如下：公称流量为850 L/min,公称压力为5 MP，配用动力为90 kW。

2 陀螺定向对钻具下放的要求

螺杆钻具下放前，应先在井口做开泵实验，确定螺杆能正常工作，各项功能符合要求后才能下放钻具。

钻具下放时，必须拧紧钻杆的每一个接头丝扣，准确丈量钻具长度，避免深度误差影响定向段高，降低定向纠偏效果；合理控制下放速度，防止下放速度过快导致泥浆迫使马达倒转，泥砂随流体灌入堵塞螺杆，造成螺杆无法正常工作；下钻过程遇阻，决不允许硬压、划眼，不能合钻冲孔，应同时启动钻机、螺杆，泥浆泵低速运转顺孔，也可以用管钳转动钻具一定角度再试，避免操作不当造成更大的事故，开出新孔，打破邻近冻结管壁；下钻结束，合上立轴，钻具上提3～5 m做开泵实验，确定螺杆能正常启动，再下放钻具至孔底，开泵冲孔，清理孔底。清孔结束，上提钻具卸下立轴，垫叉卡住钻具置于磨盘中，正常后下定向仪定向。

3 定向仪坐键实验

定向仪器下放至孔底，绞车停稳2 min后，点击坐键角测量2次，检查仪器稳定性和重复性，并记录测量数据。一切正常后，仪器上提30 m以上，开始第二次坐键并测量。连续坐键3次，3次方位角测量值误差±5°时即可确认仪器坐键成功。

仪器坐键成功后，地面用管钳转动钻杆至所需角度，然后上提下放钻具3次，每次活动范围2～4 m，待完成后测量坐键角。如果达不到要求，必须增加坐键实验的次数，如果还不能吻合，必须查明原因，排除问题，然后重新定向。

4 定向方位角和定向段高确定

(1)定向方位角的确定。定向方位角的确定应充分结合设计技术要求和钻孔的实际情况。钻孔轨迹呈现偏距增加、方位增加的变化，可以采用测斜方位角增加180°，再结合孔深、钻具长度适度增加反扭角来确定定向方位角；钻孔轨迹如果呈现增偏距、减方位趋势发展，可采用测斜方位反180°，结合实际孔深、钻具长度适度减反扭角方法来确定方位角；如果钻孔方位呈一个方向变化，轨迹偏距增加，一般直接选择测斜方位反180°方位角来确定定向方位角。

(2)反扭角的确定。磨盘将螺杆从上部锁死，正常工作时，钻头朝相反的方向上产生一个反作用力，反作用力使钻具产生一定的扭转变形，扭转变形前后角度的差值称为反扭角[2]，反扭角的大小随孔深增减而随之变化。实际操作中，为了确保定向角度的选取合理，定向效果明显，必须反复验算好反扭角的大小，并提前加入定向方位角中。影响反扭角的因素较多，如钻孔轨迹本身的复杂程度，钻孔的深度，钻具的刚度、长度，钻压的大小，地层岩性的软硬程度等都会对反扭角的大小产生影响[3]。

(3)定向段高的确定。下面以1.5°螺杆一小根钻铤定向，加一小根钻铤稳斜在袁二冻结工程中的实际应用为例。

对于顶角小于0.5°的定向段，定向段高的选择应结合地层岩性软硬程度合理确定，黏土层定向段高适合2～3 m；砂和砂质黏土层适度增加段高至4～5 m。顶角大于1°时，定向难度增大，可以增加定向段高，采用单根螺杆定向和一小根钻铤稳斜的方法；顶角较大的定向段，应根据角度的大小适度增加定向段高。

实际操作中，不同的岩性定向的成功率不同，尤其在砂层、风化破碎带和黏土层定向后效果区别特别明显：砂层、风化破碎带定向钻进，进尺速度快，稳斜效果差；泥岩、黏土层固结好，定向进尺速度慢，稳斜效果好。因此受岩层固结程度的影响，往往黏土层和泥岩的定向成功率更高。

5 稳斜和测斜

(1)稳斜。定向结束后的稳斜很关键。根据地层的软硬决定钻铤的数量，如果在新地层适合一小根钻铤进尺，基岩段可以选择两小根钻铤进尺，避免影响定向效果。稳斜钻进时钻具给压要小于正常进尺的压力，结合地层参数适时调整压力，待钻进4～5 m后按正常压力进尺钻进。

(2)定向前测斜。开孔钻进40～50 m进行一次测斜，测斜结束，根据数据分析钻孔轨迹发展趋势。如果正常，可以加大测井段长，减少测斜次数，增加钻进时间。在浅部表土层，钻孔偏距、顶角过大，一般采用扫孔、垫架子、移位、吊打等方法纠偏，且效果明显。但在深部或进入基岩，上述方法就很难发挥作用，需要借助普遍使用的陀螺定向纠偏技术。

(3)定向后测斜。定向结束后，取出螺杆，下放钻具，正常钻进至进尺完残尺。如果采用一小根钻铤钻进，钻进约10 m后进行测斜；采用2小根钻铤钻进，待进尺20 m后再进行测斜。测斜仪器下放至底部应单点测量(方位、顶角)，根据测斜结果分析定向效果，并及时调整相关参数。

6 总结和体会

陀螺定向技术虽然已经应用多年，但其综合性较强，技术要求较高，在实际操作中的干扰因素比较多。即使测斜仪器性能正常，数据采集结果准确，定向方位角选择合理，但下放钻具丝扣接头如果有一个未拧紧，也可能会导致定向失败；假如前面都做得很好，符合各项技术规范要求，定向时泥浆泵的泵压泵量如果达不到要求，不能满足螺杆定向进尺所需的动力，马达转速达不到，无法完全运转，定向效果也会不理想；再假如钻具接头丝扣完好，泵压泵量满足要求，螺杆钻具性能不好也会影响定向效果；还有钻具深度丈量不准确，孔底沉淀，造成定向段高误差，也会难以达到定向效果，所以想要做好陀螺定向工作，需要控制好每一个环节。对于定向工作人员，要求必须拥有扎实的技术功底，首先做好测斜工作，保证数据的准确可靠，能够通过观察测量数据结果判断仪器的性能；懂得仪器的基本调试，确保不能因为不能判断仪器性能而选取错误参数，造成更大事故，只有做到这些才能保证陀螺定向的圆满成功。在此需要提醒大家的是，虽然不同地区定向参数大致相同，但想要取得更高的定向成功率，还需要结合工程实际，地层的软硬差别，选择合理的定向段高技术参数，工作人员还需勤于思考善于分析，对定向技术参数进行实时动态跟踪、调整，从而不断提高和完善。