趙曉明

(華北有色工程勘察院有限公司)

定向鉆進(jìn)技術(shù)在礦山注漿中的應(yīng)用

趙曉明

(華北有色工程勘察院有限公司)

為減少深部注漿鉆探工作量、縮短施工工期，將定向鉆進(jìn)技術(shù)引進(jìn)到礦山注漿領(lǐng)域。在原來主孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行定向分支孔施工，分定向階段、造斜階段、斜孔鉆進(jìn)、降斜階段和直孔鉆進(jìn)5個(gè)階段完成，最終進(jìn)入設(shè)計(jì)靶域，完成注漿施工；定向分支孔減少了上部非注漿段大部分輔助鉆探工作量，并達(dá)到了設(shè)計(jì)靶域，保證了注漿效果。采用定向鉆進(jìn)技術(shù)大大減少了礦山投資，加快了礦山建設(shè)，為礦山早日投產(chǎn)提供了有力的保障。

定向鉆進(jìn)技術(shù) 鉆壓 分支孔

70—80年代，隨著我國的改革開放，研究、引進(jìn)和開發(fā)受控定向鉆進(jìn)技術(shù)取得了巨大的發(fā)展，利用地層自然彎曲規(guī)律鉆孔和采用人工強(qiáng)制手段改變鉆孔軌跡等技術(shù)迅速發(fā)展起來，鉆探和鉆井工程由過去的被動(dòng)防斜轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)人工控制，實(shí)現(xiàn)了鉆探史上的一次飛躍[1]。

定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)要求鉆進(jìn)到預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法[2]。利用定向鉆進(jìn)技術(shù)可進(jìn)行鉆孔局部糾偏、局部孔段按設(shè)計(jì)軌跡定向鉆進(jìn)或全孔按設(shè)計(jì)軌跡定向鉆進(jìn)[2]，在石油、天然氣、探礦和井下救援、防護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著礦山注漿技術(shù)的發(fā)展，為了加快礦山的建設(shè)，減少資金投入，定向鉆進(jìn)技術(shù)也得到了進(jìn)一步應(yīng)用。

1 工程概況

某鐵礦位于河北省沙河市白塔鎮(zhèn)西南，目前正處于基建期。礦體圍巖為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，透水性較強(qiáng)；礦區(qū)基底為燕山期火成巖，與石灰?guī)r接觸帶附近普遍發(fā)育著厚層矽卡巖化破碎地層，破碎帶受開掘擾動(dòng)后極易導(dǎo)通上部灰?guī)r地下水，造成工作面突水，而中奧陶系石灰?guī)r裂隙水就是礦坑的主要充水水源。為了保證溜破系統(tǒng)工作面正常施工，采用地表預(yù)注漿的施工方法治理地下水。

本溜破系統(tǒng)由溜井、破碎硐室和下部礦倉組成，各部分的注漿頂?shù)装鍢?biāo)高相差較大(表1)，由于破碎硐室和下部礦倉埋深較大，采用直孔鉆探施工會(huì)造成上部大量非注漿段的輔助鉆探工作量，增加成本。因此，采用直孔與“S”型定向分支孔相結(jié)合的方式施工，即每個(gè)直孔分出2個(gè)“S”型定向分支孔(圖1)。

表1 溜破系統(tǒng)注漿頂?shù)装?/p>

圖1 注漿孔孔位布置

2 “S”型定向分支孔施工

定向分支孔鉆進(jìn)過程主要分為5個(gè)階段：定向、造斜、斜孔鉆進(jìn)、降斜及直孔鉆進(jìn)階段。

2.1 定向階段

定向階段在所有環(huán)節(jié)中最為重要，它關(guān)系著定向孔傾斜段能否最終到達(dá)設(shè)計(jì)靶心位置。以12#分支孔為例，由5#直孔向12#孔進(jìn)行定向分支，分支段長160 m，孔距為7.5 m。

在選擇分支點(diǎn)位置時(shí)，主要遵循以下原則：選擇巖石較軟孔段，鉆孔頂角小，盡量不大于5°。通過地層情況可知，361.93～391.43 m為矽卡巖化破碎帶，且通過已完工的5#鉆孔測(cè)斜資料可知，390 m 位置處鉆孔頂角較小，為0.77°。綜上所述，390 m位置作為分支點(diǎn)是最合適的。

分支孔施工采用螺桿鉆具與JDT-6型陀螺測(cè)斜儀，為便于后期螺桿鉆具造斜，在螺桿鉆具上部使用一根具有一定彎度的鉆桿(圖2)。

圖2 具有一定彎度的鉆桿(單位：mm)

2.2 造斜階段

在螺桿鉆具定位完成后，進(jìn)入造斜階段。利用BW-850泥漿泵提供液體沖擊壓力，5LZ146螺桿鉆馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)φ190 mm牙輪鉆頭；利用鉆桿和鉆鋌自身重量提供鉆壓。

在造斜階段，泵壓及鉆壓控制至關(guān)重要，泵壓是牙輪鉆轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力來源，鉆壓大小反作用于牙輪鉆。在相同的泵壓下，鉆壓大，則牙輪轉(zhuǎn)速變小，相反則變大。

造斜時(shí)，首先應(yīng)控制泵壓，本孔泵壓控制在3.5 MPa 左右；在保證不憋壓的同時(shí)，鉆頭能夠與巖壁摩擦造斜，這就使得鉆壓相對(duì)鉆進(jìn)而言要足夠小(一般為4～16 kN壓力)。

由于5#孔為直孔，在完成下部施工后,用水泥封堵至分支位置，進(jìn)行12#孔定向分支施工。在本階段鉆進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)返出的巖粉為水泥和閃長巖顆粒的混合物；與此同時(shí)增大鉆壓，鉆探進(jìn)尺變緩慢，初步判定造斜成功。

2.3 斜孔鉆進(jìn)

在斜孔鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)地層情況適時(shí)改變鉆壓；本孔鉆遇矽卡巖化破碎帶時(shí)，使用鉆壓為40 kN；遇蝕變閃長巖時(shí)，使用鉆壓45 kN，泵壓控制在3.5 MPa 左右。

定向分支斜孔鉆進(jìn)過程中，20～30 m測(cè)斜一次，隨時(shí)掌握鉆孔軌跡變化情況，及時(shí)調(diào)整軌跡。

12#孔分支位置位于390 m，在500 m左右進(jìn)行降斜，預(yù)計(jì)頂角為4°左右，390 m分支處初始頂角為0.77°，偏距為2.09 m，在首次造斜后鉆進(jìn)20 m左右，通過測(cè)斜發(fā)現(xiàn)鉆孔頂角為3.95°，達(dá)到了預(yù)期目的。12#孔通過一次造斜達(dá)到偏距要求(圖3)。斜孔鉆進(jìn)過程中，如頂角不理想，可在螺桿鉆具彎曲處墊一鐵板增加頂角度數(shù)。

圖3 鉆孔一次造斜軌跡

2.4 降斜階段

在降斜階段，應(yīng)盡快降低頂角，當(dāng)鉆進(jìn)到注漿段孔深時(shí)，鉆孔在設(shè)計(jì)靶域范圍內(nèi)的理想頂角應(yīng)為0°，鉆孔垂直進(jìn)入注漿段。降斜定向過程與造斜定向過程類似，不同的是在轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿鉆具時(shí)應(yīng)多轉(zhuǎn)180°。12#分支孔于500 m左右降斜，頂角為3.11°，通過80 m降斜距離，頂角為2.56°，此時(shí)進(jìn)入設(shè)計(jì)靶域，經(jīng)過50 m的鉆進(jìn)后，繼續(xù)降斜施工。

2.5 直孔鉆進(jìn)

降斜完成后即進(jìn)入直孔鉆進(jìn)階段，直孔鉆進(jìn)主要在注漿段。鉆進(jìn)時(shí)，主要依靠鉆鋌及鉆桿自重給足鉆壓。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地層，鉆壓基本為40 kN，在提高鉆壓的前提下，加快轉(zhuǎn)速，使其能夠盡量確保垂直，保證鉆孔軌跡在設(shè)計(jì)靶域內(nèi)。

3 定向分支孔的鉆探參數(shù)

在分支孔施工過程中，參數(shù)控制相當(dāng)重要，其決定著定向分支孔的成敗。不論造斜、降斜，還是斜孔、直孔鉆進(jìn)，泵壓、鉆壓是施工中必不可少的工作參數(shù)。針對(duì)本工程所處地層，從施工過程中總結(jié)出的鉆探工作參數(shù)(表2)可以看出，在破碎地層中造斜段鉆壓最小，其次為完整地層中降斜階段，鉆進(jìn)時(shí)鉆壓最大，保持在40 kN左右，而泥漿泵流量和泵壓變化不大。不同地層的鉆探施工參數(shù)是不同的，以上鉆探參數(shù)僅使用于本工程所處矽卡巖破碎帶和蝕變閃長巖地層，與其巖性相近的地層可參考使用。

表2 地層與分支孔控制參數(shù)對(duì)照

4 結(jié) 論

本工程采用直孔和分支孔相結(jié)合的施工工藝，在不同的地層中進(jìn)行定向造斜施工，獲取了大量的鉆探參數(shù)，為不同地層定向分支孔施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，分支孔施工減少鉆探投資約300萬元，縮短工期約30 d，大大減少了礦山投資，加快了礦山建設(shè)，為礦山早日投產(chǎn)提供了有力的保障。

[1] 江天濤，馮士安.受控定向鉆探技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[2] 周興旺，高崗榮，薄志豐，等.注漿施工手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2014.

2015-05-05)

趙曉明(1979—)，男，工程師，050021 河北省石家莊市。