黃忠高，李志強(qiáng)，潘海迪，劉甲祥，楊啟文

(1．江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一二大隊(duì)，江西 鷹潭335001;2．山東萊蕪鴻豐探礦工程有限公司，山東 萊蕪271100)

1 概述

江西省浮梁縣朱溪及外圍金屬礦位于江西省東北部景德鎮(zhèn)—樂平之間，行政區(qū)劃隸屬景德鎮(zhèn)市浮梁縣壽安鎮(zhèn)、樂平市涌山鎮(zhèn)等管轄，是我單位近5年承擔(dān)的江西省地質(zhì)勘查基金和中央地質(zhì)勘查基金聯(lián)動(dòng)勘查項(xiàng)目。

項(xiàng)目自2010年開始啟動(dòng)，共投入資金1.0065億元，累計(jì)完成鉆探工作量26000 m。據(jù)現(xiàn)有資料初步判斷，朱溪礦區(qū)深部具有尋找超大型鎢礦床和大中型銅礦床的資源潛力。

ZK5407孔設(shè)計(jì)孔深2300 m，設(shè)計(jì)開孔頂角0°(勘探線方位137°)。主要鉆遇地層為灰?guī)r、厚—巨厚層狀中細(xì)粒白云巖、糖粒狀大理巖、矽卡巖化大理巖和粉砂質(zhì)石英砂巖。巖石硬度一般(軟—中硬)，可鉆性級(jí)別中等(5～7級(jí))，研磨性不強(qiáng)(弱—中)，比較完整和穩(wěn)定。但巖石局部裂隙發(fā)育，蝕變常見。質(zhì)量要求按《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227－2010)6項(xiàng)指標(biāo)，如巖心采取率≮70%，礦心采取率＞80%，頂角彎曲度≯2°/100 m，等。

采用聚丙烯酰胺、磺化瀝青和潤滑劑組成的無固相沖洗液，完全適合鉆進(jìn)要求。鉆進(jìn)中孔壁穩(wěn)定，孔內(nèi)干凈。

2014年4月6日開孔，至6月13日停止鉆進(jìn)施工，孔深1641.70 m，折合臺(tái)月效率高達(dá)700 m以上。其中孔深901 m處發(fā)生跑鉆事故，前后處理時(shí)間＞200 h，最后是用“磨”的方法消滅孔內(nèi)鉆頭。但6月14日接到地質(zhì)方面的通知，鉆孔頂角彎曲指標(biāo)盡管符合當(dāng)初地質(zhì)設(shè)計(jì)提出的2°/100 m要求，但鉆孔軸線的水平位移太大，不能繼續(xù)進(jìn)行鉆探施工。

鑒于孔斜問題，6月19日，用JTL－40GX光纖陀螺測(cè)斜儀測(cè)斜，部分測(cè)斜結(jié)果及水平偏距見表1。

表1 ZK5407孔前期鉆探部分測(cè)斜結(jié)果及水平偏距

2 定向糾斜地質(zhì)要求和總體思路

2．1 定向糾斜地質(zhì)要求

鑒于鉆孔水平偏距＞100 m并有繼續(xù)增大趨勢(shì)，分析認(rèn)為，即使挪孔重鉆或使用液動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)也很難完全滿足地質(zhì)要求，故決定應(yīng)用螺桿定向鉆探技術(shù)進(jìn)行糾斜。

定向糾斜地質(zhì)要求是:ZK5407鉆孔見礦結(jié)束點(diǎn)(預(yù)計(jì)孔深2200 m)在孔口所在水平面的投影位置與鉆孔開孔點(diǎn)的距離即水平位移≯100 m。

2．2 定向糾斜總體思路

根據(jù)定向糾斜地質(zhì)要求，結(jié)合ZK5407孔前期鉆探施工實(shí)際，參考國內(nèi)地質(zhì)巖心定向鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員和施工工人的反復(fù)商議，最終確定ZK5407孔定向糾斜的總體思路如下。

(1)糾斜起始點(diǎn)定為1300 m左右，即在1300 m下部人造孔底。

(4)采用上海力擎地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的單點(diǎn)定向儀和陀螺測(cè)斜儀進(jìn)行定向和測(cè)斜。

(6)先降頂角，后降方位角(在頂角3°左右再降方位角)，因?yàn)轫斀谴髸r(shí)扭方位比較困難，頂角小時(shí)扭方位比較容易，且頂角小至1°～2°可能方位角測(cè)量不準(zhǔn)。

(7)采用間斷造斜法，即以20 m左右長度進(jìn)尺進(jìn)行分段多次糾斜，控制每段糾斜進(jìn)尺2～3 m、穩(wěn)斜進(jìn)尺17～18 m，以達(dá)頂角彎曲強(qiáng)度0.3°～0.4°/m或方位角彎曲強(qiáng)度10°～15°/m而不斷鉆桿之要求。

(8)及時(shí)測(cè)斜，并根據(jù)測(cè)斜結(jié)果調(diào)整糾斜鉆進(jìn)有關(guān)參數(shù)，進(jìn)而預(yù)估鉆孔彎曲和水平偏距變化趨勢(shì)，確保滿足“ZK5407鉆孔見礦結(jié)束點(diǎn)(預(yù)計(jì)孔深2200 m)在孔口所在水平面的投影位置與鉆孔開孔點(diǎn)的距離即水平位移≯100 m”的地質(zhì)要求。

3 螺桿定向糾斜施工工藝

3．1 螺桿定向糾斜的理論準(zhǔn)備

3．1．1 定向鉆孔空間軌跡

ZK5407孔定向糾斜，是在已知初始造斜點(diǎn)位置以及該點(diǎn)孔斜值的情況下進(jìn)行的。后續(xù)的糾斜施工，將根據(jù)地質(zhì)方面的靶區(qū)目標(biāo)要求實(shí)施。

地質(zhì)方面常采用全角半距法或曲率半徑法。

3．1．2 螺桿鉆具

螺桿鉆具也稱為容積式馬達(dá)(PDA)，具有低速大扭矩的特征，是目前最廣泛使用的一種井下動(dòng)力鉆具。主要由旁通閥總成、防掉裝置、馬達(dá)總成、萬向軸總成和傳動(dòng)軸總成組成。

螺桿鉆反扭轉(zhuǎn)角是定向時(shí)必須考慮的一個(gè)重要因素。定向時(shí)安裝角的讀數(shù)，應(yīng)是在設(shè)計(jì)初始安裝角的基礎(chǔ)上，加上預(yù)先設(shè)置的螺桿鉆反扭轉(zhuǎn)角。

螺桿鉆的輸入－輸出特性問題。在給定沖洗介質(zhì)(含砂量≯0.4%)和泥漿泵排量下，螺桿鉆的輸出轉(zhuǎn)速與其它各參數(shù)基本無關(guān);輸出功率、輸出扭矩與壓降成正線性關(guān)系;機(jī)械效率有一個(gè)最大值。

3．1．3 定向儀和測(cè)斜儀

DXY－2型數(shù)字定向儀輸出的工具面向角(安裝角)是以鞋靴引槽所在母線為零位位置，即當(dāng)引槽所在母線處于探棒外徑圓周的最高點(diǎn)時(shí)，工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為零，并以順時(shí)針增大、逆時(shí)針減小的方式變化。

XBY－2GW無線光纖尋北陀螺測(cè)斜儀由地面無線控制儀和井下探棒2部分組成。儀器采用自尋北測(cè)量方式，其工作原理是通過高精度的陀螺儀測(cè)量地球自轉(zhuǎn)速度(15°/h)，結(jié)合不同地區(qū)的緯度值，計(jì)算出當(dāng)?shù)氐牡厍蜃赞D(zhuǎn)分量，從而測(cè)得儀器所指方位角。

3．1．4 安裝角與糾斜效果的關(guān)系

螺桿鉆在孔底的安裝方位不同，所產(chǎn)生的糾斜(造斜)效果也不同。當(dāng)螺桿鉆的彎曲凸面安裝在鉆孔上幫時(shí)，母線處于探棒外徑圓周的最低點(diǎn)，此時(shí)工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為180°，鉆孔向下彎曲，頂角下垂;當(dāng)彎曲凸面安裝在鉆孔下幫時(shí)，工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為0°，頂角上漂;當(dāng)彎曲凸面安裝在鉆孔左幫時(shí)，工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為90°，方位角增大;當(dāng)彎曲凸面安裝在鉆孔右?guī)蜁r(shí)，工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為270°，方位角減小。

其基本原理如圖1所示。

圖1 螺桿鉆孔內(nèi)安裝示意圖

3．2 螺桿定向糾斜的設(shè)備和儀器

除了正常鉆進(jìn)所需的鉆探設(shè)備和管材(見表2)外，ZK5407孔定向糾斜還需如表3的儀器和設(shè)備。

3．3 螺桿定向糾斜的實(shí)施經(jīng)過

為定向糾斜，ZK5407孔必須在孔深1300 m以深進(jìn)行人造孔底(水泥封孔)。為此，前前后后共水泥封孔5次，才基本滿足人造孔底的要求。

表2 正常鉆進(jìn)鉆探設(shè)備和管材配備

表3 定向糾斜儀器和設(shè)備

第三次糾斜采用222°的安裝角，穩(wěn)斜鉆進(jìn)后測(cè)斜，儀器不正常，讀出的頂角下降至8.4°不一定可靠。隨后聯(lián)系廠家維修測(cè)斜儀的同時(shí)，開始第四次糾斜。亦采用類似的218°安裝角，穩(wěn)斜鉆進(jìn)后測(cè)斜結(jié)果表明，第三次糾斜效果不明顯，頂角僅略微下降，第四次糾斜基本沒有效果，頂角幾乎沒變，方位角均無變化。分析認(rèn)為，根本原因在于水泵泵量偏小，致螺桿鉆工作乏力。

鑒于自糾斜以來尤其是自第十三次開始以降方位角兼降頂角為目的的糾斜以來，鉆孔的方位角明顯表現(xiàn)出逆時(shí)針螺旋減小并明顯小于272°的變化規(guī)律，鉆孔水平偏距以第十六次糾斜達(dá)最大值98.56 m(孔深1605 m處)后開始減小，故預(yù)計(jì)以降方位角兼增頂角為目的的第十七次糾斜后的穩(wěn)斜鉆進(jìn)中，不論頂角或大或小變化，方位角都將不可能明顯反轉(zhuǎn)即增大至272°以上，亦即水平偏距將＜98.26 m＜98.56 m＜100 m。后續(xù)的穩(wěn)斜鉆進(jìn)施工證明，這一判斷是正確的。最終終孔孔深2047.60 m，頂角0.4°，方位角250°，水平偏距 91.39 m，完全達(dá)到了預(yù)期目的。

圖2為ZK5407孔全孔方位角變化在靶區(qū)范圍內(nèi)投影。

圖2 ZK5407孔全孔方位角變化在靶區(qū)范圍內(nèi)投影

圖3為ZK5407孔鉆孔軌跡水平投影。

圖3 ZK5407孔鉆孔軌跡水平投影

圖4為ZK5407孔全孔孔斜和水平位移圖。

圖4 ZK5407孔全孔孔斜和水平位移

ZK5407孔17次螺桿定向糾斜成果見表4。

表4 ZK5407孔17次螺桿定向糾斜成果

3．4 螺桿定向糾斜的鉆進(jìn)工藝

3．4．1 定向糾斜鉆進(jìn)施工程序

定向糾斜鉆進(jìn)的施工程序是:確定地質(zhì)要求的靶點(diǎn)靶區(qū)→選定分支點(diǎn)孔深→人造水泥孔底→清孔換漿→下入螺桿鉆具→定向→糾斜鉆進(jìn)→穩(wěn)斜鉆進(jìn)→測(cè)斜→繼續(xù)下入螺桿鉆具、定向、糾斜鉆進(jìn)、穩(wěn)斜鉆進(jìn)、測(cè)斜→達(dá)到地質(zhì)要求的靶點(diǎn)靶區(qū)。

3．4．2 下鉆

(1)下入螺桿鉆前，必須確認(rèn)孔內(nèi)干凈;

(2)清理循環(huán)系統(tǒng)，更換新鮮沖洗液，要求沖洗液含砂量＜0.4%，顆粒直徑＜0.3 mm，粘度＜20 s;

(3)組裝螺桿鉆，記錄工具裝合差;

(4)在地表進(jìn)行螺桿鉆試運(yùn)轉(zhuǎn)，記錄泥漿泵的排量、壓力和螺桿鉆的運(yùn)轉(zhuǎn)情況;

(5)將鉆具下到離孔底0.3～0.5 m的位置后，反復(fù)上下提拉整個(gè)鉆桿柱，盡可能保持孔內(nèi)鉆桿柱的自由下垂，減少乃至消除虛假“反扭轉(zhuǎn)角”對(duì)定向鉆進(jìn)的危害。

3．4．3 孔內(nèi)定向

3．4．3．1 定向前準(zhǔn)備工作

計(jì)算初始安裝角(考慮儀器裝合差、工具裝合差和螺桿鉆反扭轉(zhuǎn)角);

孔口滑輪邊緣對(duì)準(zhǔn)孔內(nèi)鉆桿中心，以防儀器下孔時(shí)管口劃傷電纜接頭;儀器下孔前先在地表試運(yùn)轉(zhuǎn)，確認(rèn)面板與電纜、電源的線路聯(lián)接無誤和儀器讀數(shù)基本正確后方可下入。

3．4．3．2 孔內(nèi)定向操作

下放儀器，校對(duì)儀器的測(cè)量深度以判斷儀器到位，測(cè)讀螺桿鉆的孔內(nèi)初始狀態(tài)，并計(jì)算其與初始安裝角的差值;用“蘑菇頭”掛上孔內(nèi)鉆桿，稍將鉆具提離孔底，按上步計(jì)算的差值轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，再次試讀，直到面板讀數(shù)等于或近似等于初始安裝角為止;夾緊鉆柱再次復(fù)讀儀器，認(rèn)定無誤后提升儀器;在地表引固定標(biāo)記到鉆柱頂部，合上主動(dòng)鉆桿，不使其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

3．4．3．3 操作注意事項(xiàng)

可通過電纜入井深度和儀器面板不變的讀數(shù)判斷是否入鍵。

3．4．4 定向鉆進(jìn)

3．4．4．1 鉆進(jìn)前準(zhǔn)備工作

將泵量調(diào)至螺桿鉆鉆進(jìn)所需擋位，開泵對(duì)螺桿鉆進(jìn)行孔內(nèi)試運(yùn)轉(zhuǎn)。

3．4．4．2 定向鉆進(jìn)過程

(1)一般情況下的操作。對(duì)螺桿鉆施壓前鉆具必須懸離孔底0.1～0.2 m。開泵驅(qū)動(dòng)螺桿鉆并待泵壓穩(wěn)定后緩慢下放鉆具至孔底，觀察到泵壓有一個(gè)微小的跳躍后維持軸壓10～15 s再給壓鉆進(jìn);

施壓分級(jí)進(jìn)行，建議0.5～1 kN為一級(jí)，過程必須緩慢均勻;

鉆進(jìn)時(shí)要嚴(yán)密注視鉆探儀表和鉆速的變化;

采用的泵量是160 L/min的額定排量檔(對(duì)應(yīng)的額定泵壓為10 MPa)，糾斜鉆進(jìn)時(shí)正常泵壓一般6.5 MPa左右;

由于地層變化不大，建議鉆速0.3～0.4 m/h為宜。

(2)分支鉆進(jìn)操作。開泵，慢放鉆頭到孔底，0鉆壓維持一段時(shí)間后慢放鉆具1～2 cm，反復(fù)數(shù)次，直到可明確判斷已分出月牙形新孔底，再逐漸加大鉆壓;

由于分支鉆進(jìn)“拐點(diǎn)”的出現(xiàn)，判斷出已鉆開新孔底后不可再長鉆程鉆進(jìn)，否則鉆孔將出現(xiàn)強(qiáng)烈的“狗腿”彎，影響后續(xù)安全鉆進(jìn)。

(3)定向加接單根。主動(dòng)鉆桿打完后尚未完成設(shè)計(jì)的造斜工作量時(shí)，需加接單根繼續(xù)鉆進(jìn)(應(yīng)盡可能一次性配好機(jī)上余尺)，務(wù)必保持鉆桿柱的原有定向不發(fā)生變化。

3．4．4．3 操作注意事項(xiàng)

泵壓是反映螺桿鉆孔內(nèi)工況的重要依據(jù)，操作者必須時(shí)刻嚴(yán)密注視表頭，根據(jù)指針變化來調(diào)節(jié)鉆進(jìn)參數(shù)，如有異常，必須首先將鉆具提離孔底再做其他處理;

鉆進(jìn)過程中，要經(jīng)常檢查主動(dòng)鉆桿的劃線方向位置，如有偏轉(zhuǎn)應(yīng)及時(shí)糾正;

分支造斜后換常規(guī)鉆具穩(wěn)斜鉆進(jìn)前，應(yīng)用短鉆具聯(lián)接直徑略大于同級(jí)擴(kuò)孔器的錐形金剛石鉆頭修孔一次，以圓滑鉆孔軌跡。

3．4．5 鉆孔彎曲測(cè)量

與陀螺測(cè)斜儀常規(guī)測(cè)斜基本相同，僅是造斜鉆進(jìn)孔段應(yīng)每0.5 m為一個(gè)測(cè)程。

4 螺桿定向糾斜成果及意義

4．1 螺桿定向糾斜成果

朱溪礦區(qū)應(yīng)用螺桿定向鉆探技術(shù)糾斜，取得如下成果。

(1)采用螺桿定向鉆進(jìn)工藝完成ZK5407孔，歷經(jīng)17次糾斜(糾斜總進(jìn)尺47.80 m)，終孔孔深2047.60 m，終孔水平位移91.39 m，符合鉆孔在穿過主礦層后的終孔前水平位移＜100 m之地質(zhì)要求，同時(shí)避免了1641.70 m鉆探工作量的報(bào)廢，挽回直接經(jīng)濟(jì)損失約200萬元。

(3)自1288.70 m開始至1637.25 m結(jié)束的ZK5407孔糾斜，開創(chuàng)了江西省地礦系統(tǒng)深孔螺桿定向鉆探先例，在全國地礦系統(tǒng)也不多見。

朱溪礦區(qū)深孔螺桿定向鉆探技術(shù)應(yīng)用研究的成功，將徹底解決常規(guī)鉆探工藝技術(shù)很難完全達(dá)到地質(zhì)方面對(duì)鉆孔彎曲度的超高要求(頂角允許均勻彎曲度＜3°/1000 m)這一技術(shù)難題，大大促進(jìn)地質(zhì)找礦工作質(zhì)量和效率的提升;同時(shí)，為礦區(qū)今后可能進(jìn)行分支定向鉆孔群的施工(可大幅度節(jié)約鉆探工作量和征地、修路、平機(jī)臺(tái)、搬遷等費(fèi)用)做好了理論和實(shí)踐準(zhǔn)備;第三，拓展了地質(zhì)鉆探工程的應(yīng)用范圍，使地質(zhì)鉆探技術(shù)在能源和可溶礦等探采領(lǐng)域有了更好利用的可能;第四，對(duì)地質(zhì)鉆探施工本身而言，也是一個(gè)重大的技術(shù)進(jìn)步，一旦發(fā)生嚴(yán)重孔內(nèi)事故很難處理時(shí)，應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)可避免鉆孔報(bào)廢重打而“側(cè)鉆”解決之。

4．2 螺桿定向糾斜意義

技術(shù)意義體現(xiàn)在糾正偏離設(shè)計(jì)要求的鉆孔軌跡，使孔斜或鉆孔截礦點(diǎn)滿足地質(zhì)勘探要求，以及避開復(fù)雜的地形地勢(shì)或難以跨越的地下障礙、避開復(fù)雜地層和難鉆進(jìn)地層順利施鉆的層面上。

經(jīng)濟(jì)意義體現(xiàn)在準(zhǔn)確揭露礦層及其邊界關(guān)系，為國家和礦山企業(yè)提供更為準(zhǔn)確的礦產(chǎn)儲(chǔ)量報(bào)告，和利用定向分支孔技術(shù)，在條件具備的礦區(qū)大幅度節(jié)約鉆探工作量的層面上。

對(duì)于2009年即被國務(wù)院列為第二批資源枯竭城市的景德鎮(zhèn)市，資源枯竭將嚴(yán)重制約該市的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，而朱溪礦區(qū)利用螺桿定向鉆進(jìn)工藝很好地滿足了地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，為該區(qū)找礦增儲(chǔ)起到明顯效果，將具有明顯的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

5 結(jié)語

朱溪礦區(qū)ZK5407孔深孔螺桿定向鉆進(jìn)工藝應(yīng)用研究的成功，掌握螺桿鉆定向鉆探原理是基礎(chǔ)，設(shè)備器具配套和沖洗液達(dá)標(biāo)(泵量和泵壓2個(gè)指標(biāo)必須同時(shí)滿足螺桿鉆工作需要)是前提，確定施工方案和糾斜鉆進(jìn)各回次目標(biāo)是關(guān)鍵，準(zhǔn)確定向是難點(diǎn)，正確操作以完成預(yù)定的造斜強(qiáng)度和造斜進(jìn)尺是重點(diǎn)，及時(shí)多點(diǎn)連續(xù)精確測(cè)斜是保證。

毫無疑問，朱溪礦區(qū)ZK5407孔深孔螺桿定向鉆進(jìn)還存在諸如施工設(shè)計(jì)方案欠優(yōu)選、配套儀器性能不穩(wěn)定、反扭轉(zhuǎn)角預(yù)估不準(zhǔn)確、造斜強(qiáng)度選擇非最優(yōu)、糾斜效率待提高、糾斜對(duì)鉆孔后續(xù)鉆進(jìn)影響不清楚等種種問題，還需不斷學(xué)習(xí)—實(shí)踐—總結(jié)—再學(xué)習(xí)—再實(shí)踐。

［1］ 朱永宜．地質(zhì)勘查與科學(xué)鉆探螺桿鉆深部定向鉆探技術(shù)［C］．中國地質(zhì)調(diào)查局定向鉆探技術(shù)培訓(xùn)交流會(huì)材料，2011．

［2］ 劉志強(qiáng)．定向鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)［C］．中國地質(zhì)調(diào)查局定向鉆探技術(shù)培訓(xùn)交流會(huì)材料，2011．

［3］ 張文英．連續(xù)造斜器定向孔施工技術(shù)與工藝［C］．中國地質(zhì)調(diào)查局定向鉆探技術(shù)培訓(xùn)交流會(huì)材料，2011．

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［10］ 黃忠高，李志強(qiáng)，楊啟文．江西省浮梁縣朱溪礦區(qū)深孔鉆探施工技術(shù)研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(5)．