王紅陽(yáng)，羅永貴，騰新明

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南洛陽(yáng)471023)

偏心楔造斜技術(shù)，是巖心鉆探施工中常用的側(cè)鉆方法。我院在招遠(yuǎn)市欒家河金礦區(qū)47ZK3孔一次深孔繩索取心事故處理中，采用偏心楔同徑側(cè)鉆技術(shù)，在“落魚(yú)”頂2257 m孔深實(shí)施側(cè)鉆繞障，甩掉事故。通過(guò)對(duì)偏心楔造斜技術(shù)的優(yōu)化，簡(jiǎn)化了造斜程序，造斜可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)，使這一傳統(tǒng)的側(cè)鉆技術(shù)，在處理繩索取心深孔事故中發(fā)揮著作用。

1 事故概況

招遠(yuǎn)市欒家河金礦區(qū)47ZK3孔，設(shè)計(jì)孔深2570 m，90°直孔，終孔口徑≮75 mm;孔深650 m至終孔為77 mm口徑繩索取心金剛石鉆進(jìn);事故孔段鉆遇巖石為絹英巖化花崗巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖，巖石可鉆性級(jí)別9～10級(jí)，可鉆性較差。

當(dāng)該孔施工至孔深2297 m時(shí)，出現(xiàn)了鉆具斷落事故，“落魚(yú)”含內(nèi)外管總成，處理過(guò)程中又發(fā)生跑鉆疊加事故，經(jīng)處理后，“落魚(yú)”頂上升至孔深2257 m。由于事故位置深度較大，起下大鉆時(shí)間長(zhǎng)，繼續(xù)處理“落魚(yú)”會(huì)耗費(fèi)大量的臺(tái)時(shí)，對(duì)該孔造成的經(jīng)濟(jì)損失增大。因此，確定不再繼續(xù)糾纏事故，側(cè)鉆繞障，甩掉事故段。

2 側(cè)鉆方法選擇

該事故孔側(cè)鉆的難點(diǎn)是事故深度大，“落魚(yú)”頂孔深2257 m;事故孔段圍巖以花崗巖為主，巖石較完整、堅(jiān)硬，可鉆性差;受設(shè)計(jì)終孔直徑限制，不允許變徑;側(cè)鉆分支后必須滿足口徑≮75 mm繩索取心正常鉆進(jìn)。據(jù)此，對(duì)常用的螺桿鉆側(cè)鉆、LZ連續(xù)造斜器側(cè)鉆、鋼球支撐側(cè)鉆、偏心楔側(cè)鉆等人工造斜技術(shù)方法進(jìn)行比較，選擇出適宜該事故的側(cè)鉆方法。

螺桿鉆、LZ連續(xù)造斜器、鋼球支撐等側(cè)鉆技術(shù)方法，雖具有無(wú)障礙物遺留的優(yōu)點(diǎn)，但均需水泥營(yíng)造人工孔底，且對(duì)水泥固結(jié)質(zhì)量要求較高，在以往的硬巖造斜實(shí)踐中，常因水泥強(qiáng)度與圍巖強(qiáng)度差值較大，影響鉆頭的側(cè)向力，而出現(xiàn)順?biāo)嘀碌默F(xiàn)象;另外，在2000余米的深孔中實(shí)施水泥灌注的可靠性和安全性較差，并且水泥灌注后的候凝時(shí)間和掃水泥柱時(shí)間較長(zhǎng)，以致造斜周期過(guò)長(zhǎng)。

偏心楔造斜雖然存在不易操作、有障礙遺留等問(wèn)題，但其強(qiáng)制性造斜的優(yōu)點(diǎn)適宜該孔堅(jiān)硬花崗巖地層中造斜，若對(duì)偏心楔的固定方式及過(guò)斜面工藝加以改進(jìn)，就能達(dá)到快速繞開(kāi)事故的目的。根據(jù)該孔事故的側(cè)鉆難點(diǎn)以及地質(zhì)設(shè)計(jì)對(duì)鉆孔方位無(wú)特殊要求，確定側(cè)鉆方法選擇為開(kāi)口式偏心楔分支側(cè)鉆。

3 偏心楔設(shè)計(jì)與安裝

3．1 偏心楔材料選擇

由于側(cè)鉆孔段巖石堅(jiān)硬，可鉆性差，造斜鉆進(jìn)對(duì)楔面的銑磨量較大，以及側(cè)鉆分支后距終孔孔深尚有較多的進(jìn)尺量，所以，偏心楔選取75 mm普通圓鋼制作。

3．2 偏心楔參數(shù)確定

造斜孔段的鉆孔彎曲強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)所用鉆桿類(lèi)型確定。根據(jù)相關(guān)資料，繩索取心鉆桿允許的鉆孔彎曲強(qiáng)度為0.2°～0.5°，考慮到偏心楔的制作難度，確定鉆孔彎曲強(qiáng)度≯0.5°。

偏心楔斜度的近似計(jì)算如下:

φ=57D/L

式中:φ——偏心楔頂角，°;D——圓鋼直徑，mm;L——楔面長(zhǎng)度，mm。

3．3 偏心楔制作(見(jiàn)圖1)

圖1 75mm開(kāi)口式偏心楔

由于圓鋼銑出楔面鉆頭弧度的難度較大，可將圓鋼按設(shè)計(jì)頂角切開(kāi)后(楔頂厚度≮6 mm)，在偏心楔楔面上按77 mm鉆頭弧度，銑出寬度為20 mm的淺槽，然后用手砂輪機(jī)沿弧形槽打磨成型;在偏心楔背面距楔頂1/3處，利用鉆機(jī)油缸下壓為弓形，使楔頂偏離圓鋼軸線5～7 mm，其目的是偏心楔到位后，楔頂背面能夠盡可能的貼向孔壁，以增大造斜鉆頭的初始工作空間，確保楔頂不受損。

3．4 偏心楔組合(見(jiàn)圖2)

圖2 偏心楔組合與固定示意圖

(3)將偏心楔連接管底端切割出4～5個(gè)倒三角齒，形成齒筒狀，其目的是偏心楔送至“落魚(yú)”頂后，鉆具重力使齒筒插入“落魚(yú)”并變形，起到阻止偏心楔轉(zhuǎn)動(dòng)作用。

3．5 偏心楔送入

3．6 偏心楔固定

偏心楔固定是否可靠，是直接關(guān)系到偏心楔側(cè)鉆成敗的關(guān)鍵程序。常規(guī)固定偏心楔的方法多采用水泥固結(jié)法，但由于該孔事故位置深度較大，考慮灌注水泥的成功率較低和灌注風(fēng)險(xiǎn)，以及封、掃水泥占用臺(tái)時(shí)多等弊端，故采用整體加長(zhǎng)偏心楔，直接將偏心楔坐在“落魚(yú)”頂，通過(guò)偏心楔底的齒筒結(jié)構(gòu)與卡料填充的方法固定偏心楔。

偏心楔送至“落魚(yú)”頂后，在鉆具重力和回轉(zhuǎn)的作用下，偏心楔與鉆具實(shí)現(xiàn)分離后，即通過(guò)鉆桿向偏心楔投放卡料。選用焊條粒和粗砂作為混合卡料，即將焊條剪切成長(zhǎng)度2 mm左右的粒狀，粗砂以石英砂為主，粒徑級(jí)配在1～3 mm之間，并經(jīng)過(guò)篩選、清洗?；旌峡辖?jīng)鉆桿內(nèi)分若干次少量、緩慢地投放，并以泵沖送至偏心楔與孔壁環(huán)隙間。

4 造斜與分支孔鉆進(jìn)

4．1 造斜鉆進(jìn)

造斜鉆具的組合及造斜鉆頭的選擇是過(guò)楔面技術(shù)的關(guān)鍵。

4．1．1 造斜鉆頭選擇

圖3 錐形造斜鉆頭

式中:C——錐度比;D——鉆頭大端直徑，mm;d——鉆頭小端直徑，mm;L——錐體高度，mm。

4．1．2 造斜鉆進(jìn)參數(shù)

鉆壓和轉(zhuǎn)速是造斜鉆進(jìn)的重要參數(shù)。初始階段以小規(guī)程均勻造斜鉆進(jìn)，以防出現(xiàn)造斜急彎。隨著造斜進(jìn)尺的增加，克取孔壁巖石的面積增大，偏心楔厚度也趨于增厚，鉆壓和轉(zhuǎn)速可隨導(dǎo)斜鉆進(jìn)深度的增加而提高。

(1)鉆壓:楔面段鉆進(jìn)鉆壓為500～800 N;穿過(guò)偏心楔后鉆壓為800～1000 N。

(2)轉(zhuǎn)速(XY－8型鉆機(jī)):楔面段轉(zhuǎn)速為79 r/min;穿過(guò)偏心楔后轉(zhuǎn)速為137 r/min。

(3)泵量:90～100 L/min。

造斜鉆進(jìn)中，在距偏心楔頂1/3段，由于偏心楔壁較薄，鉆進(jìn)速度應(yīng)控制在0.8～1 m/h，鉆速過(guò)慢易造成鉆頭對(duì)楔面磨銑量過(guò)大，影響偏心楔強(qiáng)度。

4．1．3 造斜孔段長(zhǎng)度

造斜鉆進(jìn)的深度即造斜孔段長(zhǎng)度。造斜鉆進(jìn)的深度以滿足分支孔鉆進(jìn)為宜，并滿足分支孔初回次繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，取心鉆具總成處于偏心楔面以下的分支孔段內(nèi)。本次造斜鉆進(jìn)共進(jìn)尺5.4 m，即2237～2242.4 m，過(guò)楔面后分支孔進(jìn)尺長(zhǎng)度為2.5 m。

4．1．4 鉸擴(kuò)造斜孔

造斜孔完成后，需對(duì)造斜孔進(jìn)行鉸擴(kuò)至分支鉆進(jìn)所需的口徑。在繩索鉆桿與錐形鉆頭之間加裝單擴(kuò)孔器(77.5 mm)進(jìn)行鉸擴(kuò)造斜孔，不再延伸造斜孔。鉸擴(kuò)至造斜孔底后，反復(fù)提下鉆具，確認(rèn)無(wú)遇阻現(xiàn)象即可轉(zhuǎn)入下一程序。

4．1．5 削磨“狗腿”彎

在偏心楔造斜過(guò)程中，雖然偏心楔斜面的頂角只有1.47°，但自造斜鉆頭在楔頂接觸巖石鉆進(jìn)的同時(shí)，老孔與新孔間的孔壁上也會(huì)自然形成一個(gè)彎度，俗稱(chēng)“狗腿”彎。削磨“狗腿”彎的具體做法，是在錐形取心鉆頭與繩索取心鉆桿之間安裝5個(gè)77.5 mm擴(kuò)孔器，連接成削磨鉆具，削磨鉆具下部用2個(gè)舊擴(kuò)孔器，上部用3個(gè)新擴(kuò)孔器。削磨鉆具在距偏心楔頂上下各約2 m的范圍內(nèi)，反復(fù)掃磨30～40 min，消除或減緩“狗腿”彎，并利用錐形取心鉆頭鉆進(jìn)0.4 m，取出分支孔巖心，以驗(yàn)證造斜效果，至此，造斜鉆進(jìn)結(jié)束。

4．2 分支孔鉆進(jìn)

側(cè)鉆分支孔的關(guān)鍵是取心鉆頭和初回次取心鉆具長(zhǎng)度的確定。

(1)側(cè)鉆分支孔鉆頭為特制同心圓環(huán)齒繩索取心外錐鉆頭(見(jiàn)圖4)。鉆頭設(shè)計(jì)外徑76.5 mm，小端外徑66 mm，錐體高度8 mm。由于鉆頭胎體外徑為圓錐臺(tái)體，且分支孔鉆進(jìn)鉆頭外徑小于造斜孔徑1 mm，所以在下鉆過(guò)程中，鉆頭在其錐面的導(dǎo)入作用下，能夠順暢地通過(guò)偏心楔楔面，不至于在楔面上擱淺或損壞偏心楔。

圖4 錐形取心鉆頭

(2)側(cè)鉆分支孔的初始階段采用短鉆具取心鉆進(jìn)，其目的是避免鉆具處于偏心楔楔面上，擾動(dòng)、磨損偏心楔;再者，為減少鉆頭的側(cè)向力，控制鉆孔彎曲度，是分支孔鉆進(jìn)初始階段穩(wěn)斜鉆進(jìn)的需要。繩索取心短鉆具的總成長(zhǎng)度，根據(jù)造斜孔段的長(zhǎng)度確定。本次造斜孔段總長(zhǎng)度為5.4 m，過(guò)楔面后的分支孔段長(zhǎng)度為2.5 m，據(jù)此確定取心鉆具外管總成長(zhǎng)度為2.2 m，內(nèi)管長(zhǎng)度為0.9 m，內(nèi)管長(zhǎng)度加上擴(kuò)孔器和鉆頭長(zhǎng)度，則回次進(jìn)尺≯1 m。使用短鉆具鉆進(jìn)一個(gè)提大鉆回次后，換回常規(guī)繩索取心鉆具鉆進(jìn)。

5 側(cè)鉆繞障效果

(1)造斜周期短。在硬巖石中偏心楔側(cè)鉆，通常采用小一級(jí)口徑過(guò)楔面鉆進(jìn)，即77 mm鉆孔用60 mm口徑鉆出先導(dǎo)孔，再進(jìn)行同級(jí)擴(kuò)孔;繩索取心鉆進(jìn)則在繩索鉆桿下部連接若干50 mm普通鉆桿，采取逐回次加長(zhǎng)粗徑鉆具的方法造斜鉆進(jìn)，程序較繁瑣。本次偏心楔同徑造斜實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)對(duì)偏心楔造斜技術(shù)程序進(jìn)行優(yōu)化，簡(jiǎn)化了造斜程序，以71 mm繩索取心鉆桿連接76 mm造斜鉆頭，直接同徑造斜鉆進(jìn)，在2257 m事故孔深，堅(jiān)硬花崗巖地層中，僅用5趟大鉆(造斜鉆進(jìn)更換鉆頭一次)，計(jì)84個(gè)臺(tái)時(shí)，便完成了造斜過(guò)程的4個(gè)工序，即送偏心楔;造斜鉆進(jìn);鉸擴(kuò)造斜孔;削磨“狗腿”彎。

(2)偏心楔固定可靠。采用加長(zhǎng)偏心楔體，混合卡料與楔體齒筒結(jié)構(gòu)固定偏心楔的辦法，操作簡(jiǎn)單，可靠;避免了水泥固定偏心楔耗時(shí)多、風(fēng)險(xiǎn)大的弊端。在造斜鉆進(jìn)、側(cè)鉆延伸分支孔過(guò)程中，均未出現(xiàn)偏心楔松動(dòng)、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

(4)47ZK3孔經(jīng)側(cè)鉆后，終孔孔深2442.29 m，鉆孔各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均滿足了地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

偏心楔造斜的關(guān)鍵工序是固定偏心楔和過(guò)楔面技術(shù)。在實(shí)施過(guò)程中，對(duì)其關(guān)鍵工序的工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)揮其強(qiáng)制性造斜的優(yōu)越性，快捷、可靠地在深孔硬巖中，實(shí)現(xiàn)繩索取心同徑分支側(cè)鉆，繞開(kāi)事故，減少事故對(duì)鉆孔的經(jīng)濟(jì)損失。

［1］ 江天壽，周鐵芳，等．受控定向鉆探技術(shù)［M］．北京:地質(zhì)出版社，1994．

［2］ 吳翔．受控定向鉆進(jìn)［R］．河南鄭州:河南省地礦局鉆探技術(shù)高級(jí)培訓(xùn)班，2010．

［3］ 何遠(yuǎn)東，高波，何遠(yuǎn)洪，等．繩索取心鋼球偏斜技術(shù)原理及應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(4):37 －39．

［4］ 張文英，張廷茂，吳德軍，等．側(cè)鉆技術(shù)在鉆孔事故處理中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(6):10 －12．

［5］ 李光華．螺桿鉆側(cè)鉆分支繞障技術(shù)處理繩索取心鉆孔事故［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(11):32 －34．

［6］ 黃平．大村礦段鉆孔下偏心楔補(bǔ)采煤心施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(3):26 －28，32．

［7］ 首照兵，盧文華，李躍成，等．71 mm同徑開(kāi)口式導(dǎo)斜楔偏斜(繞障)施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(10):36－39．

［8］ 羅曉斌，羅凱．偏心楔鉆進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(10):23 －25，31．