贵州省者相二金矿小直径定向分枝孔钻进技术

2022-07-26宋继伟张恒春朱斗圣李奇龙陈登齐

贵州地质 2022年2期

宋继伟，张恒春，冉飞，胡晨，朱斗圣，李奇龙，陈登齐

(1.贵州省地质矿产勘查开发局112地质大队，贵州安顺 561000；2.中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000；3.中国地质调查局定向钻井技术创新中心，河北廊坊 065000；4.贵州省地质矿产勘查开发局，贵州贵阳 550004)

1 引言

者相二金矿位于贵州黔西南州贞丰县，为国家千吨级黄金资源基地的重要组成部分(刘建中等，2005；齐少烽等，2016)。者相二金矿勘查是2020年贵州省重点矿产资源十个大精查项目之一，该项目ZK61724钻孔原孔位位于者相镇龙井集中式饮用水水源保护区内，为深入贯彻落实绿色勘查理念，减少在保护区内实施过多的地面工程、防止钻探浆液污染保护层，贵州省地矿局设计了“一主一支”的钻探施工方案，其中ZK61708为主孔，ZK61724为定向分枝孔。分枝孔靶点垂深900.35 m，距主孔开孔点水平位移160 m，靶区半径40 m。

ZK61708主孔采用绳索取心工艺，终孔孔深1 208 m，孔斜1.19°，口径φ75 mm。分枝孔采用“造斜段+直井段”的剖面设计，其中造斜段在非目的层应用定向钻技术钻进，直井段采用绳索取心钻进工艺完成目的层的连续取心任务。实施后，工程顺利中靶，中靶精度8.02 m。本文介绍工程相关定向分枝钻进技术。

2 工程地质

2.1 矿区地质概述

勘查区位于贞丰县城北西直距18 km处，地处云贵高原向广西低山丘陵过渡的斜坡地带，属浅切割岩溶侵蚀和构造剥蚀低山地貌，区内碳酸盐岩和碎屑岩相间分布，岩溶地貌与侵蚀地貌并存。构造蚀变体中岩石较坚硬，硅化较强，溶蚀孔洞发育，易引起孔内漏失严重、孔壁失稳坍塌、卡钻等现象。

2.2 矿区地层

根据相邻勘探线上的钻孔及主孔揭露的地层、矿体特征、断层特征等，矿区出露地层由上到下有：下三叠统夜郎组，二叠系中上统大隆组、长兴组、龙潭组、茅口组。分支孔造斜段钻遇岩石岩性以灰岩、泥灰岩及粉砂质黏土岩为主，如下表1所示。

表1 钻遇地层对应表Table 1 Correspondence table of drilled strata

3 难点解析

定向钻进工艺技术最早应用在石油钻井，后广泛引用到煤矿井下工程，并得到迅速发展(陈元朋，2016；唐敦成等，2016；畅利民等，2019)。相对于石油定向钻井而言，地质勘探小直径(φ96 mm、φ76 mm)高精度受控定向钻探技术更为困难和复杂。结合目标矿区钻遇地层及其岩性，工程主要难点如下(刘敏等，2017；李光宏，2018；于成凤等，2018；叶兰肃等，2020)：

1.小直径井底动力刚性小，功率低，造斜能力差，如何确保侧钻分枝成功是工程的一大难点。

2.自上世纪八九十年代之后，国内鲜有地质岩心钻探的定向分枝孔实施案例，市场上很难配套成熟的钻头、器具等，定向钻头、修孔钻头、定向接头等均需要自行设计。

3.本工程为贵州省首例小直径定向分枝孔，矿区地层的造斜特征，钻头、钻具组合及钻进参数的匹配性均需不断探索。

4.受绳索取心工艺泥浆排量限制，目前成熟的泥浆脉冲随钻测量系统在本工程中并不能使用，有线随钻测量系统操作繁琐，效率低下。

5.定向钻进采用绳索取心钻杆，壁薄、刚性大，造斜规律和对造斜强度的极限要求均未可知(陈会领等，2014；韦源生，2016)。

6.定向钻进完成后，采用常规绳索取心进行钻进，转速高、钻杆强度弱，对全孔造斜强度和钻孔轨迹控制有更高的要求。

4 定向分枝孔设计

4.1 分枝点选择及轨迹设计

根据目前最成熟的小直径造斜钻具情况，选用φ96 mm口径造斜，因此造斜点要选在φ114 mm套管以下，主孔φ114 mm套管下深为370 m，因此造斜点必须在370 m以深，又根据地质设计和靶点信息(如表2所示)，进行自下而上反向推算曲线，同时优选相对较稳定、无破碎带、无断层的孔段，综合钻具口径、合理曲线、地层稳定性等方面因素分析，最终将分枝点确定在主孔内400 m深度夜郎一段内。考虑到绳索取心钻杆强度较弱，设计造斜强度不大于6°/30 m，采用直井段+造斜段+直井段的三段制剖面结构(唐海全，2009)，孔眼数据如表3所示。

表2 靶点信息表Table 2 Target information

表3 轨迹数据表Table 3 Trajectory data table

(a)钻孔轨迹垂直视图 (b)钻孔轨迹水平视图图1 钻孔轨迹视图Fig.1 Drilling track view

4.2 关键器具设备选型

4.2.1 螺杆马达

图2 螺杆马达角度调整机构Fig.2 Screw motor angle adjustment mechanism

4.2.2 定向仪器

图3 孔内探管和仪器总成Fig.3 Inner probe tube and instrument assembly

图4 测井绞车Fig.4 Logging winch

4.2.3 泥浆泵

根据螺杆钻具的排量范围和现场条件，选用BW320泥浆泵，该泵60mm缸径Ⅳ挡排量和80mm缸径Ⅲ、Ⅳ挡排量均能满足现场需求，具体性能如表4所示。

表4 泥浆泵性能参数表Table 4 Parameters of mud pump performance

4.2.4 侧钻钻头

小直径螺杆钻具刚性小，侧钻造斜能力相对较弱，相较于石油大口径井眼，侧钻分枝难度更大。侧钻钻头的设计尤其要注重钻头的侧向切削能力和回转稳定性，同时避开钻头的回转死点。项目使用两种金刚石钻头作为侧钻钻头，分别为孕镶金刚石钻头和表镶金刚石钻头(冯帆，2015)，分别如图5和图6所示。

图5 孕镶金刚石钻头Fig.5 Impregnated diamond bit

图6 表镶金刚石钻头Fig.6 Table-set diamond bit

4.2.5 通缆水龙头

图7 通缆水龙头Fig.7 Cable-through faucet

5 定向钻进技术

小直径分枝孔技术早在二十世纪八九十年代在我国就有成熟应用的案例，但当时主要采用普通钻杆(非绳索取心钻杆)进行定向钻进，并进行后续的提钻取心作业。绳索取心钻杆具有壁薄、刚度大、满眼的特点，本身不适用高造斜强度的定向钻进，更何况造斜后仍需进行高转速的绳索取心钻进，工程风险高。以绳索取心钻杆为主要钻柱的造斜能力、造斜特性及后续施工的适应性还需广泛探索(姚宁平等，2013)。

5.1 侧钻分枝

图8 获取的小岩心Fig.8 Small core obtained

5.2 定向钻进

侧钻分枝成功后，即可进行常规定向钻进，使用有线随钻仪器进行定向钻进的操作步骤如下：

1.地面调试仪器，完好备用；

2.组装定向钻具并下钻；

3.打开通缆水龙头电缆密封组件，仪器电缆头带着钢丝绳从“通缆水龙头→方钻杆”内穿过，连接电缆头和仪器，仪器放入钻杆内，移车将方钻杆对准井口；

4.下放仪器至定向接头，并确保仪器入键；

5.连接方钻杆和钻杆，并拧紧；

6.读取轨迹数据，上提钻具，转动钻柱定向；

7.定向结束后安装反扭转器，安装通缆水龙头密封组件；

8.定向钻进；

9.单根钻进结束，上提钻具，安全坐在井口，拆卸反扭转器，打开方钻杆；

10.拆卸通缆水龙头密封组件，绞车提出仪器；

11.加接单根；

12.重复4-11步。

表5 定向钻进效果表Table 5 Effect of directional drilling

表中数据可以发现“φ96PDC钻头+1.22°弯螺杆+φ89绳索钻杆”钻具组合造斜能力平均为5.79°/30 m，最接近设计值(6°/30 m)，为本工程最优钻具组合。

5.3 稳斜钻进

表6 稳斜钻进效果表Table 6 Effect of steady inclination drilling

5.4 钻头使用效果

图9 四刀翼PDC钻头Fig.9 Four blade wing PDC drill

图10 平底型PDC钻头Fig.10 Flat-bottom PDC bit

6 实施效果

在主孔孔深426 m处采用表镶金刚石钻头开始侧钻分枝，至438.22 m，钻出新孔，新孔顶角1.71°，方位角约190°。以下交替使用定向钻进和螺杆钻复合回转稳斜钻进，至孔深621 m，钻孔顶角增至21.5°、方位角扭至212.5°，完成全孔定向钻进。后续采用S75绳索取心钻进工艺钻进，至测深927.87 m(垂深900.35 m)成功中靶，顶角22.6°，方位角210.9°，中靶精度8.02 m。因侧钻分枝点向下偏移了26 m，实际轨迹在设计轨迹的下方，且实际造斜段大于设计造斜段，轨迹与靶心平面交点相对于靶心方位为74.89°，即在靶心的东偏北方向，具体效果如图11所示。