王宗友， 喬生貴， 陳 剛， 何逢陽

(四川省煤田地質(zhì)局一四一隊(duì)，四川 德陽 618000)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家工業(yè)基礎(chǔ)越來越厚實(shí)，工業(yè)制造能力逐步強(qiáng)大，在鉆探工程領(lǐng)域的隨鉆測量技術(shù)、定向鉆具更加成熟與可靠。隨鉆測量技術(shù)[1]、螺桿鉆具受控定向鉆進(jìn)在石油、天然氣、頁巖氣等大孔徑鉆探中應(yīng)用較為成熟和廣泛，然而在小孔徑固體礦產(chǎn)使用繩索鉆桿鉆進(jìn)中，隨鉆測斜與糾斜技術(shù)目前應(yīng)用仍不普遍。無纜隨鉆測量(MWD)與有纜隨鉆對比投資高，一方面小口徑固體礦產(chǎn)鉆探配置的泥漿泵排量不能完全滿足無纜隨鉆泥漿脈沖信號穩(wěn)定傳輸?shù)囊?，二是煤田鉆探多為復(fù)雜地層鉆進(jìn)，護(hù)壁質(zhì)量不高，泥漿不能完全上返影響泥漿脈沖信號穩(wěn)定傳輸。有纜隨鉆成本低，國內(nèi)技術(shù)已經(jīng)成熟，可據(jù)孔內(nèi)定向鉆進(jìn)情況實(shí)現(xiàn)隨鉆監(jiān)控，比單點(diǎn)儀更先進(jìn)。我隊(duì)在四川省珙縣王家鎮(zhèn)大雪山煤礦東段普查項(xiàng)目中，采用繩索取心鉆桿、有線隨鉆測斜儀、螺桿鉆具定向鉆進(jìn)使鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)軌跡達(dá)到地質(zhì)目的層及控制標(biāo)高。

1 工程概況

2014年我隊(duì)承擔(dān)地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目“四川省珙縣筠連礦區(qū)大雪山礦段(東段)煤礦普查”勘查任務(wù)。項(xiàng)目普查區(qū)位于落木柔背斜南翼、大雪山向斜之北翼，總體呈傾向向南的單斜構(gòu)造，從西向東，地層傾角72°～83°，其走向幾乎為正東西方向，傾向向南。煤系地層層位厚、傾角大。地質(zhì)設(shè)計(jì)鉆孔為75°斜孔。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，地質(zhì)、鉆探技術(shù)負(fù)責(zé)人確定的鉆孔孔位，斜孔頂角須>12°，才能達(dá)到設(shè)計(jì)目的,為此制定了有線隨鉆定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)方案。

2 地質(zhì)鉆孔設(shè)計(jì)

ZK13-2、ZK17-2鉆孔地質(zhì)設(shè)計(jì)見表1。

表1 鉆孔地質(zhì)設(shè)計(jì)

3 鉆探施工技術(shù)方案

3.1 主要鉆探設(shè)備

鉆塔：23 m直斜兩用塔；

鉆機(jī)：XY-2000型鉆機(jī)，鉆進(jìn)能力N口徑繩索鉆桿2000 m或H口徑繩索鉆桿1700 m；

泥漿泵：BW-320/10泵型，4個擋位，流量118～320 L/min，壓力2.2～10 MPa。

3.2 鉆進(jìn)工藝及主要鉆具

采用繩索取心金剛石鉆進(jìn)工藝，能大幅度減小起鉆及輔助時間，提高鉆進(jìn)效率及巖礦心采取率[2]。配套HC、NC繩索鉆桿。造斜回次為無巖心鉆進(jìn)。

3.3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用四級鉆孔結(jié)構(gòu)：用?150 mm鉆頭開孔，穿過覆蓋層進(jìn)入基巖；下好?146 mm井口管并做好井口止水工作；?130 mm鉆進(jìn)至巖石完整層段換?91 mm繩索鉆桿鉆進(jìn)(鉆頭外徑98 mm)；?98 mm鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度或鉆至煤系頂板井段換?77 mm終孔。?130 mm段據(jù)孔內(nèi)情況，一是作為備用，二是視基巖完整程度采用水泥固井，可不下入?127 mm套管。

3.4 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

據(jù)機(jī)械設(shè)備、繩索取心工藝，鉆孔ZK13-2以頂角4°，方位角352°的角度開孔；鉆孔ZK17-2以頂角4.5°，方位角355°的角度開孔，每100 m增斜1.5°～2°,控制鉆孔軌跡達(dá)預(yù)計(jì)標(biāo)高后穩(wěn)斜鉆進(jìn)達(dá)到目的層控制標(biāo)高，ZK13-2孔鉆孔軌跡設(shè)計(jì)見圖1。

4 有線隨鉆定向鉆進(jìn)施工工藝及技術(shù)

4.1 有線隨鉆定向鉆進(jìn)使用的儀器及鉆具

4.1.1 造斜鉆頭

根據(jù)巖石硬度及地層情況選擇不同的鉆頭類型，對于硬度較軟的砂巖、泥巖選擇PDC造斜鉆頭(圖2)，對于較硬的灰?guī)r、砂巖選擇表鑲金剛石全面造斜鉆頭(圖3)。

圖1 ZK13-2孔鉆孔軌跡設(shè)計(jì)圖

圖2 PDC造斜鉆頭圖3金剛石全面造斜鉆頭

4.1.2 螺桿鉆具、定向接頭

(1)螺桿鉆具規(guī)格及性能參數(shù)為：5lZ73×7型、L-3-600型鉆具，排量176～616 L/min，轉(zhuǎn)速167～589 r/min，工作壓降2.4 MPa，輸出扭矩317 N·m，最大壓降3.39 MPa，最大扭矩448 N·m，工作鉆壓12 kN，最大鉆壓25 kN，最大功率24 kW，長度3910 mm。

(2)定向接頭。選擇的2種螺桿鉆具定向接頭角度1.25°、1.5°。

4.1.3 ADST有線隨鉆測斜儀

4.1.3.1 系統(tǒng)組成

采用北京長城博創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的ADST有線隨鉆測斜儀，其組成如下。

探管：這是測量儀器的核心部件，用來測量井底的井斜(INC)、方位(AZ)、工具面(GHS/MTF)、溫度(T)等參數(shù)。

接口箱：接口箱連接探管、司鉆閱讀器、計(jì)算機(jī)。用于對探管、司鉆閱讀器供電及相互間的數(shù)據(jù)傳遞。

司鉆閱讀器：用于為司鉆及技術(shù)人員顯示井斜、方位、工具面等數(shù)據(jù)。

掌上電腦：為ADST測斜儀隨鉆測量時的終端顯示設(shè)備?；赪indows CE 平臺開發(fā)的嵌入式隨鉆應(yīng)用軟件SADST。

井下保護(hù)總成：是ADST測斜儀配套的在井下使用時，起到抗壓、減振、加長/加重作用的保護(hù)套件。

4.1.3.2 技術(shù)性能參數(shù)

儀器測量范圍及精度見表2。

表2 ADST有線隨鉆測斜儀性能參數(shù)

4.1.4 通纜水龍頭

通纜水龍頭上部結(jié)構(gòu)安裝見圖4，液壓油缸是外部液壓系統(tǒng)組成之一。外部液壓系統(tǒng)含油缸、密封件、油管和液壓泵。將液壓油缸安裝在通纜水龍頭上后，下放測斜儀到鉆桿內(nèi)，并安裝密封件，在開動泥漿泵前啟動液壓泵，液壓通過油管至液壓缸壓緊密封件，開泵后通纜水籠頭無漏漿時方可造斜作業(yè)。

圖4 通纜水龍頭上部安裝示意圖

4.1.5 測斜儀配套設(shè)備及儀器

測斜儀地面配套設(shè)備有自排繩電動絞車、絞車控制儀。其它輔助裝置有天滑輪、地滑輪。造斜鉆進(jìn)配套器具安裝見圖5。

圖5 造斜鉆進(jìn)配套器具安裝示意圖

4.2 有線隨鉆定向螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)工作原理

泥漿泵排出的液體經(jīng)旁通閥流經(jīng)馬達(dá)，在壓差的作用下，馬達(dá)定子與轉(zhuǎn)子作行星運(yùn)動，萬向連軸節(jié)將馬達(dá)的行星運(yùn)動傳給傳動軸的軸向轉(zhuǎn)動，并將馬達(dá)的扭矩及轉(zhuǎn)速傳遞給傳動軸至鉆頭。萬向軸上殼體與定位套、定向接頭相連，通過定位鍵按設(shè)計(jì)的方位造斜，僅軸向傳遞動力給鉆頭振動沖擊破碎巖石，鉆具不轉(zhuǎn)動。隨鉆測斜儀器置于螺桿馬達(dá)后部的無磁鉆桿中，它提供了鉆頭的當(dāng)前方位、頂角和工具面向角，在必要的時候，可通過調(diào)整工具面向角，改變鉆頭的方向，達(dá)到控制鉆孔軌跡的目的[3-7]。

4.3 定向鉆進(jìn)程序

4.3.1 技術(shù)與設(shè)備狀態(tài)準(zhǔn)備

(1)孔徑要與造斜鉆頭匹配，孔內(nèi)不能殘留巖心。

(2)沖洗液種類選擇及性能指標(biāo)：完整穩(wěn)定的砂巖地層選擇無固相沖洗液，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等水敏性地層選擇低固相沖洗液。沖洗液主要性能指標(biāo)見表3。

表3 沖洗液主要性能指標(biāo)

(3)泥漿泵及管路安裝檢查：主要檢查泥漿泵擋位靈活性，設(shè)備狀態(tài)、泵量及壓力表是否正常，壓力管道連接是否可靠、牢固；泥漿泵吸水管籠頭提離池底0.5 m,用篩網(wǎng)包好。

(4)鉆具組合：基本鉆具組合為：通纜水龍頭+?89 mm主動鉆桿+下接手+?91 mm繩索鉆桿+專用接手+?71 mm無磁鉆桿(定向測斜儀器)+?73 mm螺桿鉆具(定向接頭)+?95 mm造斜鉆頭。

(5)螺桿鉆具組裝：把無磁鉆桿、螺桿鉆具、鉆頭組裝好，必要時通過一定的連接方式檢查螺桿馬達(dá)啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。

4.3.2 調(diào)整綜合角差

螺桿鉆具彎外管上有一條母線，定向接頭絲扣連接彎外管，定向接頭上刻有一條母線，與彎外管母線很難對中重合，存在著一定角差，稱作“裝合差”。每拆一次螺桿鉆具彎外管和定向接頭，須測量一次“裝合差”值。由螺桿至鉆頭方向，順時針測量所得的角度取“+”值，逆時針測量所得的角度取“-”值。儀器綜合角差值指測斜儀器由于是絲扣連接，本身產(chǎn)生的儀器誤差，需校正，校正后得儀器校正值。綜合角差值=“裝合差”+儀器校正值,將校正后的綜合角差值輸入電腦，連接好儀器設(shè)備。

4.3.3 有線隨鉆定向鉆進(jìn)操作

鉆具下入孔底，將鉆頭提離井底0.3～0.5 m。隨鉆測斜儀器經(jīng)通纜水龍頭、鉆桿、無磁鉆桿到定向接頭。通過下放測斜儀使下端定向鍵順利卡進(jìn)定向接頭內(nèi)的斜口管靴進(jìn)行做鍵，當(dāng)重力高邊連續(xù)3次數(shù)值在±3內(nèi)，見隨鉆測量界面(圖6)，完成做鍵，打壓封閉液壓油缸。

圖6 隨鉆測量界面

做好鍵后，預(yù)留30°～50°扭轉(zhuǎn)角,將螺桿鉆具工作面方向調(diào)整到40°方位后，用管鉗鉗住主動鉆桿，通過人力輔以綁繩固定，開動水泵，啟動螺桿鉆，開始定向造斜。在鉆進(jìn)過程中通過調(diào)整管鉗綁繩的松緊來控制鉆進(jìn)的方位，主要以控制工具面的角度(重力高邊)來控制鉆進(jìn)的方位。

5 有線隨鉆螺桿定向鉆進(jìn)配套器具及技術(shù)

(1)泥漿泵性能：衡陽探礦機(jī)械廠產(chǎn)BW-320/10型(配?60 mm柱塞)泥漿泵，其流量及泵的壓力基本滿足定向鉆進(jìn)要求；造斜時水泵2擋165 L/min泵量，泵的壓力達(dá)4 MPa，若3擋230 L/min泵量，泵壓將達(dá)8 MPa左右。鉆孔深度>1200 m，應(yīng)配BW-300/16型泵。

(2)沖洗液性能：沖洗液要具有一定的粘度，便于攜帶巖粉，能抑制泥頁巖水化保護(hù)孔壁，潤滑鉆具，減少鉆具與孔壁之間的阻力。無固相泥漿中加化學(xué)處理劑PHP、Na-CMCA及高效潤滑劑；低固相泥漿選擇造漿性能好的鈉土；加入磺化瀝青保護(hù)孔壁。泥漿攪拌時間達(dá)到15 min以上。配置旋流除砂器和振動篩除去鉆井液中的有害固相。

(3)鉆壓：根據(jù)定向鉆進(jìn)鉆速調(diào)節(jié)控制鉆壓，保持定向鉆進(jìn)勻速進(jìn)尺。過大的鉆壓將使螺桿鉆“制動”。在實(shí)際操作中，鉆壓略低于正常取心鉆進(jìn)時鉆壓，一般控制為1000～1200 kg。

(4)繩索取心鉆桿：材質(zhì)45MnMuB,整體調(diào)質(zhì), 外徑91 mm、壁厚5.8 mm、螺紋長度50 mm，基本滿足1500 m內(nèi)定向鉆進(jìn)。發(fā)生絲扣折斷1次，超深定向孔應(yīng)配加厚型繩索取心鉆桿。

6 有線隨鉆定向鉆進(jìn)效果分析

2個鉆孔均使用PDC鉆頭，共造斜29回次，總進(jìn)尺73.78 m(見表4)，設(shè)計(jì)與實(shí)鉆測斜數(shù)據(jù)測井對比見表5。

表4 定向鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

ZK13-2 鉆孔定向鉆進(jìn)深度至1094 m，1094 m深度以下控制鉆壓穩(wěn)斜鉆進(jìn)。從600～1100 m頂角增量與設(shè)計(jì)差2°～3°，進(jìn)入深部煤系未再造斜，頂角偏差3°～4°，方位偏差3°。因此，定向鉆探軌跡要與設(shè)計(jì)軌跡基本吻合，控制好淺部鉆進(jìn)頂角增量和造斜距相當(dāng)關(guān)鍵。ZK17-2 孔定向鉆進(jìn)深度至1046.18m，造斜角度和定向頻率上控制相對較好，定向鉆進(jìn)軌跡也較平滑。經(jīng)分析:?91 mm繩索取心鉆桿，1.5°彎頭，造斜彎曲強(qiáng)度平均0.57°，應(yīng)不超過0.6°，過大鉆桿孔壁阻力大，不利于壓力傳導(dǎo)及采取巖心。有線隨鉆繩索取心定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)在四川省珙縣王家鎮(zhèn)大雪山煤礦的應(yīng)用達(dá)到了地質(zhì)目的。

表5 設(shè)計(jì)與實(shí)鉆測斜數(shù)據(jù)對比

注：ZK13-2孔設(shè)計(jì)方位角352°，ZK17-2孔設(shè)計(jì)方位角352°。

7 經(jīng)濟(jì)、社會效益分析

陡急傾斜地層，若采用直孔設(shè)計(jì)，鉆孔較深，或達(dá)不到地質(zhì)目的；有線隨鉆定向鉆進(jìn)技術(shù)的采用，降低了設(shè)計(jì)鉆孔工作量，減少投資費(fèi)用。以17-2號孔為例，定向斜孔見主煤層8號煤深度1142.91 m，若直孔設(shè)計(jì)見8號煤(傾角72°)推算深度1929.43 m,節(jié)省鉆尺786.52 m，按地質(zhì)調(diào)查預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)(2010年試用)測算，Ⅶ類地層，定向斜孔在單價基數(shù)1287元基礎(chǔ)上上浮30%，直孔>1200 m時，每100 m上浮5%，僅鉆探一項(xiàng)減少投資144萬元。對于復(fù)雜孔內(nèi)事故，可以采用此技術(shù)繞過事故段，節(jié)省大量事故處理時間。

8 獲得的成果及下一步工作的方向

8.1 獲得的成果

掌握了定向鉆孔空間軌跡的測控技術(shù)及方法，積累了川南煤田勘探鉆孔繩索取心工藝鉆桿適宜的定向鉆進(jìn)彎曲強(qiáng)度數(shù)據(jù)，初步建立地層、定向接頭度數(shù)、造斜鉆頭類型、繩索取心鉆桿、彎曲強(qiáng)度之間的聯(lián)系，有線隨鉆繩索取心定向鉆進(jìn)工藝的技術(shù)控制要點(diǎn)。

8.2 下一步工作的方向

可加大開孔立軸斜度，減少定向鉆進(jìn)工作量；做好彎曲強(qiáng)度及鉆孔軌跡的優(yōu)化，以適應(yīng)繩索取心鉆桿鉆進(jìn)；使用負(fù)角度螺紋[8]或加厚型繩索鉆桿，提高繩索鉆桿絲扣強(qiáng)度與韌性；鉆井液的選型和性能優(yōu)化及固相控制系統(tǒng)的配套使用，提高螺桿鉆具使用壽命。

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