水平绳索随钻定向钻进技术研究与应用

吴金生，黄晓林，蒋 炳，张 弛，吴万炯

水平绳索随钻定向钻进技术研究与应用

吴金生1，黄晓林1，蒋 炳1，张 弛2，吴万炯2

(1. 中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734；2. 甘肃铁路综合工程勘察院有限公司，甘肃 兰州 730000)

水平孔绳索取心钻进时，钻具回转轴线与自身重力方向不在一条直线上，地面孔口加压，受地层软硬或岩层产状作用下，钻孔轨迹都会发生偏斜，目前暂无有效办法实现随钻定向纠斜。针对此问题，开展了小直径水平绳索随钻定向仪器的推送、固定、打捞机构研究，创新形成一套水平绳索定向钻进器具和定向技术，并在川藏铁路多吉隧道水平钻孔进行随钻定向纠斜，成功抑制钻孔上漂趋势，并降斜3°，为地质勘查水平绳索取心定向钻进轨迹控制提供支撑。

水平定向孔；绳索取心；随钻定向钻进；川藏铁路

高山峡谷地区铁路勘查沿线隧道顶部地形陡峻，山高坡陡，交通条件极差，竖向深孔勘探无法实施。采用超深水平定向钻探技术能够克服地形困难，减少搬迁，保护生态，同时弥补陡倾岩层竖向钻探技术的缺点，改变过去垂直“点”勘查为“线”勘查，能够直接模拟隧道施工阶段洞身前沿隧道地质情况，提高勘查效率，为隧道施工提出合理建议[1-2]。

绳索取心钻进技术可以实现不提大钻连续取心，台月效率高，孔壁扰动性小，劳动强度低。同时绳索钻杆重量轻，环空间隙小，泵量小，故配套的钻探设备和泥浆泵体积小，搬迁方便，适合于高山峡谷、交通不便等地区勘查。因此，铁路地质勘查超深水平定向孔常采用绳索取心钻进。

据调查显示，目前地质钻探工作中易斜地层钻孔弯曲难以控制是主要的技术问题之一[3]，在水平绳索取心定向钻中此问题尤其突出，其主要原因有：①水平定向钻探钻具的回转轴线与自身重力方向不在一条直线上；②钻遇地层破碎，软硬互层，钻进方向与岩层存在夹角；③开孔和钻机固定不好；④孔口加压，钻遇地层坚硬，钻压大，易上漂；⑤防斜保直钻进工艺不到位[4-6]。

当水平绳索取心钻孔轨迹偏离设计轨迹较大时，不能满足设计要求，必须进行纠斜纠偏，纠斜的狗腿度不能太大，不能影响下一步的绳索取心钻进，因此，必须采用水平随钻定向纠斜，钻杆采用绳索取心钻杆。目前国内实施的小直径的全孔水平定向钻进施工，主要通过特制钻杆代替电缆传递孔底钻孔轨迹信号应用于煤矿井下瓦斯抽采孔和排水孔等，这种工艺成本高、代价大，同时此类钻杆不能实现连续取心，满足不了地质钻探取心技术要求[7]。采用无缆随钻定向钻进施工，钻孔直径大，泵量大(≥10 L/s)，泵压高，设备重，无法在地质岩心钻探中推广应用。采用小直径弯螺杆马达/有线随钻定向钻进，定向精确、钻孔轨迹可控且可连续造斜，泵量小，泵量2～3 L/s，能够满足ø96 mm、ø76 mm小直径随钻定向钻进需求，但如何配合绳索钻杆将定向器具水平投送到位、固定、定向和打捞回收，需要进一步研究。

因此，小直径(ø96 mm、ø76 mm)水平绳索取心定向钻进目前没有合适的定向钻进技术方法。需要开展小直径水平绳索取心有缆随钻定向仪器水平输送工具、到位报信、固定和打捞机构的研发，以及集成无磁钻杆、绳索钻杆、定向接头、螺杆马达等器具总成，解决小直径水平孔绳索取心定向钻进技术难题。同时可以利用同样的钻杆实现绳索取心钻进，满足地质需求[8-14]。

1 定向仪器水平输送机构研究

常规垂直孔钻进可以依靠重力自由下放内管总成、打捞器和定向纠斜仪器。水平绳索随钻定向纠斜关键技术是：①如何将定向仪器和工具投送到孔底；②定位是否可靠。为解决上述问题，需开展水平随钻定向仪器输送固定工具的研究。

水平孔定向钻进时，研发水平定向仪器输送固定机构，是在原有水平取心钻具总成保持原样不变的情况下，实现有缆随钻定向仪的顺利投放、弹卡定位和打捞回收。

水平随钻定向仪器输送固定打捞机构如图1所示，主要组成有：铠装电缆固定接头、回收管、压缩弹簧、弹卡板、弹卡架、半球阀、橡胶密封阀、密封活塞、悬挂环等。

1—铠装电缆固定接头；2—回收管；3—压缩弹簧；4—弹卡板；5—弹卡架；6—半球阀；7—橡胶密封阀；8—密封活塞；9—悬挂环

其工作原理是当定向仪和输送固定机构放入绳索钻杆内后，其电缆穿过通缆水龙头，在通缆水龙头后面增加电缆密封油缸，密封电缆，建立密闭的压力空间，泥浆泵往钻杆内输入高压泥浆，由于密封活塞的作用和半球阀与橡胶密封阀紧密贴合，泥浆无法与井下泥浆液连通，在泥浆泵的作用下输送固定机构的上端形成高压腔，下端相对是个低压腔，形成了一定的压差，在压力的作用下，定向仪和输送固定机构被送到孔底。输送工况时输送固定机构的各零件状态如图2所示。

当输送固定机构泵送到位后，悬挂环与绳索钻杆内设台阶接触，机构将无法继续运动，高压腔的压力升高，当压力到达一定值时半球阀会穿过橡胶密封阀，密封失效，输送泥浆与井下泥浆液连通后建立循环，同时弹卡板到位张开，定向仪被固定在绳索钻杆内，便可进行定向钻进施工。

图2 输送固定机构入井状态

采用的有缆随钻定向钻进技术，输送固定机构中设置线缆通道以便给下端定向仪提供电源和传输信号通道。线缆通道如图3所示。

图3 输送固定机构内线缆通道

根据小直径水平绳索定向输送机构图，采用无磁材料加工，研发生产ø76 mm、ø96 mm两种规格的水平绳索定向钻具输送机构各1套，满足小直径水平绳索定向需求，实物照片如图4所示。

图4 水平绳索定向钻具输送机构

2 水平绳索定向器具组合研究

研发了水平绳索定向钻具输送、固定和打捞回收机构，集成小直径有缆定向仪器、ø73 mm和ø89 mm无磁钻杆(铤)、仪器固定限位机构、定向接头、螺杆马达和定向钻头，创新形成一套水平绳索定向钻进器具。

定向仪器采用LHE2000有缆随钻测斜仪(MWD)，探管外径35 mm。有缆随钻测斜仪连接在铠装电缆上，通过电缆绞车将定向仪器送入到无磁钻杆内，座键，将孔底信号传输到地表。通过打压油泵和电缆密封装置(中空油缸)将信号电缆周围密封，防止泥浆流出。井下造斜工具选用ø73 mm、ø60 mm螺杆马达，弯外管度数1.0º～1.25º，根据造斜强度和地层情况进行选择，同时配套定向接头、无磁钻铤。该钻具组合在地质勘查垂直(斜)钻孔中进行了多次成功应用。

3 水平绳索随钻定向钻进工艺

钻孔轨迹计算采用平均角法，平均角法又称角平均法。假设测段为一直线，其方向的孔斜角和方位角分别为上、下两测点的平均孔斜角和平均方位角。为方便现场计算，便于实时调整钻具高边工具面和钻进参数，研发一套定向测量软件，便于精确控制钻孔轨迹。

钻具组合：ø96 mm PDC全面钻头＋ø73 mm弯螺杆＋定向接头＋ø73 mm无磁钻杆(内含MWD)＋变丝接头＋ø71 mm绳索钻杆＋ø89 mm主动钻杆＋通缆水龙头。如图5所示。

水平绳索定向器具组合安装流程：①组装调试仪器，置零仪器角差；②组装钻具测量装合差；③孔口试螺杆下钻；④定向仪器坐键。采用重力工具面定向钻进与小直径有缆随钻定向钻进工艺基本一致，这里不再赘述。

图5 定向钻具组合

钻进工艺参数：①钻压，钻具下到孔底，使用低钻压，正常进尺后，逐渐加大钻压，一般钻压为5～20 kN；②泵量为3～5 L/s。当造斜强度较大或进尺较慢时，采用定向钻进与复合钻进交替进行，复合钻进通过钻具回转减少摩擦阻力，消除狗腿，降低造斜强度，保证定向钻进轨迹光滑。

4 随钻定向器具测试和应用

4.1 室内测试

研发加工的ø76 mm和ø96 mm两套水平绳索定向钻具，经过三轮室内测试，分别为水平输送工具测试、配套无磁钻杆和定向接头测试和全配套测试(连接螺杆马达)，每次到位测试20～30次，测试指标及性能均达到了设计要求。

第一轮测试水平绳索输送机构是否可行，测试结果可行可靠；第二轮配套绳索钻杆、无磁钻杆、固定限位机构、定向仪器、电缆绞车和定向接头进行测试，测试定向仪器是否能顺利坐键、固定和打捞回收，成功率达95%以上；第三轮全配套测试，在第二轮测试的基础上，连接螺杆马达模拟孔内实际测试，测试定向仪器是否能顺利坐键、固定和打捞回收，测试能否带动螺杆马达转动及压降大小。泥浆泵为BW300/16泵，泵量180～235 L/min，泵压3.0～3.5 MPa，螺杆马达运行正常，达到孔内实际定向钻进要求。

4.2 野外应用示范

1)试验基本情况

川藏铁路多吉隧道CSDZ-DJ-1水平钻孔设计定向钻孔倾角–12.30° (设定水平倾角为0°)。由于地质条件复杂，岩层为花岗岩，且花岗岩中石英含量高，十分坚硬，钻进速度慢，孔口加压，导致钻孔偏斜。钻孔直径96 mm，根据测斜数据，水平钻孔顶角上漂，671 m测斜数据为–3.1°，已偏离设计顶角9.2°，顶角上漂趋势一直在增加，孔口方位角9.5°，孔底方位角7.5°，方位角变化不大。钻孔设计轨迹和实测轨迹如图6所示。根据上述数据，使用平均角法计算钻孔轨迹[15]：

对比钻孔设计轨迹，方位角减小，顶角增大，实际钻孔轨迹和设计钻孔轨迹有出入，钻孔偏斜程度较高，必须进行定向纠斜。

2) 定向纠斜设计

该钻孔定向纠斜主要降顶角，需采用螺杆马达/有缆随钻水平定向纠斜技术，从孔底处开始随钻定向纠斜，螺杆马达采用ø73 mm弯螺杆(1.25°)，利用水平推送工具将有缆随钻定向仪器送至预定位置，进行随钻定向纠斜，顶角满足设计要求后，再采用绳索取心钻进。定向纠斜轨迹需平滑过渡，若纠斜过大，导致狗腿度较大，钻杆易断裂。定向纠斜目标：定向纠斜30 m，降顶角3°～4°，抑制顶角上升趋势。

图6 多吉隧道水平孔实测轨迹

3) 定向纠斜过程

地面调试螺杆(5LZ73×7.0)，弯螺杆度数1.25º，如图7所示，泥浆泵300/12型，测量工具面角，下钻，分别在280 m、450 m和孔底671 m开泵循环，一切正常。地面连接和调试仪器，仪器角差249.3°，磁场强度56.4 A/m，投送仪器坐键，三次坐键，倾角86.9°，方位7.5° (设计方位9°)，坐键成功，密封电缆，开始钻进。

图7 螺杆地面测试

定向钻进孔深671 m，ø95.5 mm电镀钻头，定向钻进1.94 m后，进尺缓慢，将定向仪器提出，实施复合钻进，进尺效果良好。后一直采用定向钻进与复合钻进交替进行。

4) 定向纠斜效果

采用定向钻进和复合钻进交替进行，在纯钻进时间内，共进尺21 m，其中钻孔定向纠斜3.13 m，复合钻进18 m，纠斜成功地控制钻孔上漂趋势，并降斜3°，如图8所示，为后续顺利钻进打下了坚实的基础，达到了该水平孔定向纠斜的目标任务。

图8 钻孔纠斜过程

5 结论

a. 为解决水平绳索取心钻孔偏斜难题，研发了水平绳索取心随钻定向器具，攻克了水平绳索随钻定向仪器的推送、固定和打捞工艺，集成小直径有缆定向仪器、无磁钻杆、定向接头、螺杆马达等，创新形成一套水平绳索定向钻进器具与工艺，实现国内零的突破，并在川藏铁路水平孔成功定向纠斜，取得了良好的示范效果。

b. 小直径水平绳索取心定向钻进轨迹控制技术的突破，构建了艰险山区铁路地质勘查水平定向钻探新模式，解决了高原高寒高山峡谷地区垂直钻孔搬迁无法实现和混杂岩体陡倾岩层构造，实现了“绿色勘查、线状勘查、精准勘查”。

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Research and application of horizontal wire-line directional deviation correction while drilling

WU Jinsheng1, HUANG Xiaolin1, JIANG Bing1, ZHANG Chi2, WU Wanjiong2

(1. Institute of Exploration Technology, CAGS, Chengdu 611734, China; 2. Gansu Railway Comprehensive Engineering Survey Institute Co., Ltd, Lanzhou 730000, China)

In wire-line core drilling of horizontal holes, the rotation axis of the drilling tool is not in a straight line with its own gravity direction; with the ground hole pressurized, the drilling trajectory will be deviated due to the soft and hard formation or the occurrence of the rock formation. At present, there is no effective way to achieve directional deviation correction while drilling. This paper studies the pushing, fixing and fishing technologies of small-diameter horizontal wire-line directional instruments while drilling. A set of horizontal rope directional drilling tools and directional technology are developed and applied in directional deviation correction while drilling in horizontal drilling of Duoji tunnel in Sichuan-Tibet Railway. It has successfully restrained the upward drift of the borehole and lowered the inclination by 3°. It will provide support for trajectory control of horizontal wire-line coring directional drilling in geological exploration.

horizontal directional hole; wire-line coring; directional deviation correction while drilling; Sichuan-Tibet Railway

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P634.6

A

1001-1986(2021)05-0260-05

2021-05-06；

2021-07-08

中国地质调查局地质调查项目(DD20190643)；川藏铁路勘察千米级水平钻进技术研究项目(2019001)

吴金生，1971年生，男，安徽枞阳人，博士，教授级高级工程师，从事深孔复杂地层钻探技术及科学钻探研究工作. E-mail：542768373@qq.com

蒋炳，1995年生，男，四川三台人，硕士，助理工程师，从事岩土钻掘技术研究工作. E-mail：455671041@qq.com

吴金生，黄晓林，蒋炳，等. 水平绳索随钻定向钻进技术研究与应用[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(5)：260–264. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.05.029

WU Jinsheng，HUANG Xiaolin，JIANG Bing，et al. Research and application of horizontal wire-line directional deviation correction while drilling[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：260–264. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.05.029

(责任编辑 郭东琼)