趙燕來， 李 忠

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對深部勘探技術(shù)的需求，為滿足地學(xué)研究，鉆孔越打越深，對孔斜要求也越來越高?，F(xiàn)在地質(zhì)部門對孔斜要求已經(jīng)超出了傳統(tǒng)的孔斜規(guī)范，它不是以每百米允許孔斜多少度來衡量，而是以在靶點(diǎn)位置(見礦孔深)偏離勘探線多少米來衡量。如果是詳勘礦區(qū)，勘探線距50 m，鉆孔允許偏離線距1/4，即12.5 m,否則算脫靶,影響儲量計(jì)算。礦體埋藏越深，中靶難度越大，常規(guī)鉆探方法很難達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，必須采用定向鉆探技術(shù)，對鉆孔軌跡嚴(yán)加控制，才能最終滿足中靶要求。隨著國家對生態(tài)環(huán)境的要求越來越高“既要綠水青山，也要金山銀山。而且綠水青山就是金山銀山”，為了減少鉆探施工對生態(tài)的破壞，在一個鉆孔內(nèi)進(jìn)行定向鉆探施工打分支孔是非常必要的。

定向鉆探施工的關(guān)鍵是造斜器具，目前國內(nèi)的造斜器具主要有2種：液動螺桿鉆和機(jī)械式連續(xù)造斜器。這2種造斜器具都存在一定的不足之處。特別是現(xiàn)有機(jī)械連續(xù)造斜器主要存在2方面問題：(1)造斜強(qiáng)度不可調(diào)，不能按鉆孔軌跡設(shè)計(jì)要求調(diào)整造斜強(qiáng)度；(2)現(xiàn)有造斜器采用的單滑塊支撐(單點(diǎn)支撐)的結(jié)構(gòu)形式，造斜鉆進(jìn)過程中由于定子(造斜器本體)與孔壁卡固不牢，容易發(fā)生角位移，使造斜方位偏離設(shè)計(jì)方位，影響造斜效果。因此必須研究一種新型的造斜器，解決目前造斜器存在的不足之處，為固體礦產(chǎn)勘探提供有力的技術(shù)支撐。

1 新型造斜器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 新型造斜器結(jié)構(gòu)

新型雙滑塊連續(xù)造斜器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。定子部分包括：軸承室、單動外管、工作彈簧接頭、工作彈簧、上滑塊上半楔、1-鎖接頭；2-軸承室；3-工作彈簧；4-工作彈簧接頭；5-上滑塊上半楔；6-上楔形滑塊；7-上滑塊下半楔；8-主動軸；9-定位套；10-定位接頭；11-外管連接管2；12-軸承；13-回位彈簧；14-分壓接頭；15-花鍵軸；16-外殼連接管1；17-花鍵套；18-萬向節(jié)；19-鉸接銷釘；20-上鉸鏈；21-下絞鏈；22-下滑塊上半楔；23-下楔形滑塊；24-下滾輪；25-被動軸；26-下滑塊下半楔；27-鉆頭上楔形滑塊、上滑塊下半楔、定位套、外殼連接管2、分壓接頭、外殼連接管1、上鉸鏈、下鉸鏈、下滑塊上半楔、下楔形滑塊、下滑塊下半楔。轉(zhuǎn)子部分包括：鎖接頭、主動軸、定位接頭、花鍵軸、花鍵套、萬向節(jié)、被動軸、短管、鉆頭。

圖1 新型連續(xù)造斜器結(jié)構(gòu)示意圖

新型造斜器在組裝的時候，通過定位銷釘使造斜器的上、下楔形滑塊互為反向，鉸鏈機(jī)構(gòu)的活動方向與造斜方向保持一致。新型雙滑塊連續(xù)造斜器實(shí)物如圖2所示。

圖2 新型連續(xù)造斜器實(shí)物圖

1.2 新型造斜器工作原理(見圖3)

造斜器在未施加鉆壓時為自由狀態(tài)，兩楔形滑塊處于回收狀態(tài)。轉(zhuǎn)子上的定位接頭與定子上的定位套通過定位鍵互鎖，定子、轉(zhuǎn)子之間不能相對轉(zhuǎn)動，以保持造斜器的定向母線基準(zhǔn)不變。

當(dāng)造斜器按定向位置下放到孔底，施加鉆壓后即為工作狀態(tài)，其鉆壓傳遞路徑為：鉆壓P→鉆桿→鎖接頭→主動軸凸肩→軸承室→工作彈簧→上滑塊上半楔→上楔形滑塊→上滑塊下半楔→外殼連接管2→分壓接頭→外殼連接管1→下滑塊上半楔→下楔形滑塊→下滑塊下半楔→被動軸→鉆頭。

如圖3所示，在鉆壓P的作用下，一方面工作彈簧、回位彈簧被壓縮，定位鍵與定位套脫離接觸，定子轉(zhuǎn)子解鎖，轉(zhuǎn)子可以自由轉(zhuǎn)動；另一方面，由于鉆壓通過工作彈簧傳給上滑塊的上、下半楔，帶有滾輪的上楔形滑塊產(chǎn)生橫向位移，擠壓孔壁，力Q1對定子上半部分產(chǎn)生徑向制動扭矩阻止其轉(zhuǎn)動，更好的保持定向方位；同時鉆壓也通過外管、分壓接頭傳遞給下滑塊，使帶有滾輪的下滑塊產(chǎn)生橫向位移，擠壓孔壁?？妆趯ο禄瑝K的反作用力Q把造斜部件推向孔壁的另一側(cè)。由于造斜部件與造斜器本體1-鎖接頭；2-軸承室；3-工作彈簧；4-工作彈簧接頭；5-上滑塊上半楔；6-上楔形滑塊；7-上滑塊下半楔；8-主動軸；9-定位套；10-定位接頭；11-外管連接管2；12-軸承；13-回位彈簧；14-分壓接頭；15-花鍵軸；16-外殼連接管1；17-花鍵套；18-萬向節(jié)；19-鉸接銷釘；20-上鉸鏈；21-下絞鏈；22-下滑塊上半楔；23-下楔形滑塊；24-下滾輪；25-被動軸；26-下滑塊下半楔；27-鉆頭之間鉸接，造斜部件與造斜器本體之間形成一個彎曲角度，類似螺桿鉆具的彎接頭、彎外管。鉆進(jìn)過程中鉆頭不對稱切削孔底的同時還在側(cè)向切削孔壁，使鉆孔軸線發(fā)生彎曲。

圖3 新型連續(xù)造斜器工作原理圖

2 新型連續(xù)造斜器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型連續(xù)造斜器與前蘇聯(lián)ТЗ或LZ型造斜器最大不同點(diǎn)是采用了雙滑塊支撐，并且造斜器定子為彎接頭結(jié)構(gòu)形式，其關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)主要有轉(zhuǎn)子、定位機(jī)構(gòu)、滑塊及滾輪、滑塊回位機(jī)構(gòu)、造斜部件等。

2.1 轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子是由一些中空桿件及萬向機(jī)構(gòu)組成的。其主要作用是帶動鉆頭回轉(zhuǎn)，克取巖石。與造斜器配套使用的鉆頭為全面不取心鉆頭，為提高鉆進(jìn)效率并保證鉆頭有足夠的側(cè)向切削力(造斜力)，使用時所加鉆壓為25～28 kN，比常規(guī)鉆進(jìn)鉆壓要大得多，特別是主動軸不但要傳遞鉆壓還同時要傳遞扭矩，所承受負(fù)荷較大。

為保證轉(zhuǎn)子工作安全，采取了以下措施：

(1)主動軸直徑加大到40 mm(LZ型為35 mm)，并選用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造。

(2)主動軸以下采用花鍵軸副非剛性連接，所以主動軸以下部分只傳遞扭矩而不傳遞鉆壓。這樣就圓滿地解決了高鉆壓與小直徑轉(zhuǎn)子的矛盾，保證造斜器能在孔內(nèi)安全工作。

(3)定子和轉(zhuǎn)子之間用多套軸承扶正，以減輕轉(zhuǎn)子摩擦扭矩，并確保轉(zhuǎn)子單動靈活性。

2.2 定位機(jī)構(gòu)

定位機(jī)構(gòu)是保證連續(xù)造斜器定子、轉(zhuǎn)子能自動定位的重要機(jī)構(gòu)。在本設(shè)計(jì)中采用滑鍵-雙螺旋套自動定位機(jī)構(gòu)(如圖4所示)。雙螺旋套是一中空套筒，帶有滑鍵的轉(zhuǎn)子可以從中間通過。套筒固定在定子上，其端面由兩條左右對稱的螺旋面組成，在兩螺旋面的交點(diǎn)位置開有凹槽?；I是一凸頭弧形鍵，與轉(zhuǎn)子加工成一個整體。在定子與轉(zhuǎn)子互鎖狀態(tài)下，滑鍵處于鎖套凹槽中，定子、轉(zhuǎn)子不能相對轉(zhuǎn)動。

1-定子；2-主動軸；3-引楔鍵槽；4-定位鍵；5-斜口引楔；6-定位接頭；7-花鍵軸；8-回位彈簧；9-花鍵套

作為定向基準(zhǔn)的定向母線刻劃好之后，將造斜器下入孔內(nèi)，下鉆過程中在遇有較大阻力的情況下，工作彈簧及回位彈簧被壓縮，滑鍵隨主動軸同步下移，與雙螺旋套脫離接觸，定子與轉(zhuǎn)子解鎖并產(chǎn)生相對角位移，兩者原有的相對位置發(fā)生變化，即定向母線發(fā)生錯動。但當(dāng)造斜器接近鉆孔孔底的時候，下鉆停止，加在鉆頭上的各種阻力消失，加在鎖接頭上的軸向壓力也相應(yīng)消失，在兩彈簧張力作用下主動軸連同滑鍵又同步上移，滑鍵與螺旋套再次接觸。無論滑鍵處于左右螺旋端面的任何位置，都將沿著傾斜的螺旋面滑入鎖套凹槽，使定子與轉(zhuǎn)子再次互鎖并最終保持造斜器定子、轉(zhuǎn)子下鉆前的原有相對位置不變，即定子、轉(zhuǎn)子上的定向母線再次重合，為其在孔內(nèi)定向提供正確基準(zhǔn)。

2.3 滑塊回位設(shè)計(jì)

造斜器工作時滑塊要求被壓出，以對造斜器產(chǎn)生徑向制動扭矩和造斜力，在造斜回次結(jié)束，去掉鉆壓，鉆具提離孔底時，2個滑塊都應(yīng)回到原位，否則將影響提鉆。

為了滿足上述要求，楔形滑塊與相鄰上下半楔采用L形槽和L形鍵聯(lián)接，如圖5所示，滑塊回位都是依靠彈簧的作用力。

圖5 滑塊回位結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 下滑塊回位

下滑塊的回位原理是：回位彈簧張力傳遞給花鍵套→被動軸→下滑塊下半楔→下滑塊，彈簧張力在下滑塊斜面上分解為橫向回位力，使下滑塊橫向運(yùn)動回位。

2.3.2 上滑塊的回位設(shè)計(jì)

上滑塊回位是主要技術(shù)關(guān)鍵之一，如上所述下滑塊回位是依靠回位彈簧的張力，但是回位彈簧的張力無法傳遞到上滑塊。要使上滑塊靈活回位必須另辟途徑。

具體作法是：與上滑塊上半楔相連的工作彈簧接頭加工成與彈簧鋼絲直徑相當(dāng)?shù)陌雸A螺紋槽，如圖6所示，工作彈簧旋入螺紋槽，造斜器組裝后彈簧始終處于拉伸狀態(tài)。通過上滑塊上半楔，彈簧拉力傳遞到上滑塊，使滑塊回位，通過生產(chǎn)試驗(yàn)證明，上滑塊回位是靈活的。

圖6 上滑塊回位結(jié)構(gòu)圖

上滑塊回位設(shè)計(jì)是一個重要的技術(shù)難題。前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了СБС雙支撐連續(xù)造斜器，它的上支撐(上滑塊)是鉸鏈結(jié)構(gòu)形式，滑塊回位是依靠彈簧片彈力，但彈簧片疲勞以后滑塊回位就不太可靠。

2.4 上滑塊側(cè)向力控制設(shè)計(jì)

上滑塊的主要作用是限制造斜器工作時晃動發(fā)生角位移，以穩(wěn)定造斜方位。為減少造斜器進(jìn)尺阻力，上滑塊不需要有較大的側(cè)向力(對孔壁的壓力)，因此必須對上滑塊的側(cè)向力加以控制，本設(shè)計(jì)中采用2種方法來控制上滑塊的側(cè)向力。

2.4.1 改變楔形滑塊楔角

從理論計(jì)算得知，上滑塊側(cè)向力Q1計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中：：P——上滑塊所受軸向壓力；α——上滑塊楔角；f——鋼對鋼摩擦系數(shù)。

由計(jì)算看出，滑塊側(cè)向力隨楔角α的增大而減小，綜合考慮上滑塊下行阻力以及徑向制動力要求，上滑塊的楔角設(shè)計(jì)成70°，如圖7所示。

圖7 上滑塊楔角圖

2.4.2 限制上滑塊軸向壓力

上滑塊側(cè)向力大小不但與滑塊楔角有關(guān)，還與所受軸向壓力有關(guān)，而該軸向壓力是由工作彈簧的壓縮提供的，工作彈簧壓縮所需的力來源于所施加的鉆壓。為使其側(cè)向力不致過大，必須對其所承受的軸向壓力加以限制，該功能由分壓接頭來實(shí)現(xiàn)。

圖8所示，造斜器上施加鉆壓時，工作彈簧被壓縮，與主動軸相連的定位接頭同步下移，當(dāng)定位接頭與分壓接頭接觸時，下移停止(分壓接頭與定子外管相連)，此時工作彈簧不再被壓縮而傳遞鉆壓，其受力保持恒定，鉆壓通過分壓接頭傳遞給定子外管。

圖8 分壓結(jié)構(gòu)圖

這就是說上滑塊所受軸向壓力及產(chǎn)生的側(cè)向力，并不隨鉆壓增加而再增加，始終保持設(shè)計(jì)固定值，該值大小是由工作彈簧的壓縮量來決定的。試驗(yàn)臺力學(xué)測試結(jié)果證明：在額定鉆壓范圍內(nèi)，上滑塊側(cè)向力Q1≈2 kN,完全能滿足對造斜器產(chǎn)生徑向制動扭矩的需要。

2.5 新型連續(xù)造斜器鉸鏈設(shè)計(jì)

新型連續(xù)造斜器與國內(nèi)外連續(xù)造斜器另一個最大不同點(diǎn)是鉆進(jìn)時定子外殼可以彎曲一個角度。

圖9所示，造斜部件通過鉸鏈與造斜器本體相連，上下鉸鏈之間有一夾角α。轉(zhuǎn)子上有一球形萬向節(jié)，當(dāng)下滑塊上受力Q時，造斜部件發(fā)生偏移并與造斜器本體之間形成一個夾角α，類似螺桿鉆具彎接頭或彎外管，造斜過程中鉆頭側(cè)向切削和不對稱切削孔壁同時進(jìn)行，有利于鉆孔彎曲。α角越大，造斜強(qiáng)度就越高。我們把彎曲角度設(shè)計(jì)成1°和1.5°兩種，以適合不同的需要。

通過野外生產(chǎn)試驗(yàn)證實(shí)：α=1°時，全彎曲強(qiáng)度平均0.76°/m；α=1.5°時，全彎曲強(qiáng)度平均0.91°/m。

圖9 造斜部件結(jié)構(gòu)圖

3 現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

新型連續(xù)造斜器于2011年5月-8月，在甘肅省文縣陽山金礦區(qū)進(jìn)行了2個孔的鉆孔糾斜及2個孔的水泥孔底側(cè)鉆試驗(yàn)。

3.1 ZK0112鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該孔設(shè)計(jì)為直孔，設(shè)計(jì)孔深920 m，地質(zhì)對孔斜要求為1°/100 m，該孔所處地段0～64 m為覆蓋層，64 m以深為完整千枚巖和軟泥狀千枚巖，軟硬互層，換層頻繁，地層各向異性極強(qiáng)。該孔2011年3月10日開孔，孔深216 m時頂角已達(dá)8°，被迫采取拔套管擴(kuò)孔糾斜，下偏心楔糾斜，調(diào)整動力頭鉆機(jī)桅桿角度等措施，多次反復(fù)仍無明顯效果。鉆進(jìn)效率較低，近1個月時間進(jìn)尺只有210多米。繼續(xù)鉆進(jìn)至576 m時頂角已達(dá)11.14°，已偏離勘探線51 m多，勘探線距100 m。若頂角繼續(xù)增大，終孔時鉆孔落點(diǎn)有可能跨越另一條勘探線，使該孔失去利用價值。

為挽救鉆孔，自孔深576.69～680 m，采用新型連續(xù)造斜器共糾斜5次，頂角逐漸下降。終孔深度941.89 m，頂角5.7°，平均孔斜率0.6°/100 m，基本滿足了地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。圖10為ZK0112孔糾斜現(xiàn)場，ZK0112孔糾斜統(tǒng)計(jì)見表1。

3.2 ZK2132鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該孔為斜孔，設(shè)計(jì)深度900 m，開孔頂角7.7°，方位336°46′32″，礦區(qū)勘探線距100 m，地質(zhì)要求終孔落點(diǎn)不允許偏離線距1/4～1/3，即25～33 m?？咨?1 m時頂角10.6°，已經(jīng)超差2.9°，71.82～549.98 m經(jīng)過5次降頂角糾斜方位，使鉆孔實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線基本吻合，終孔深度899.6 m，偏離勘探線0.94 m，是一個高質(zhì)量的定向斜孔。圖11為ZK2132孔糾斜現(xiàn)場，ZK2132孔糾斜統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 ZK0112孔糾斜統(tǒng)計(jì)

圖10 陽山金礦區(qū)ZK0112孔現(xiàn)場糾斜試驗(yàn)

圖11 陽山金礦區(qū)ZK2132孔現(xiàn)場糾斜試驗(yàn)

表2 ZK2132孔糾斜統(tǒng)計(jì)

3.3 ZK1336孔側(cè)鉆試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該孔為直孔，設(shè)計(jì)孔深450 m，2011年7月開始施工，因千枚巖地層各向異性太強(qiáng)，導(dǎo)致孔斜嚴(yán)重超差，至孔深228 m時頂角已達(dá)12°，礦層位置在300 m處，孔斜超差太多，可糾斜孔段太短，在孔底直接糾斜難度太大。經(jīng)研究決定在孔內(nèi)架橋，水泥灌至130 m處，然后側(cè)鉆避開急斜孔段。

2011年8月10日，用新型連續(xù)造斜器從孔深133.08 m處開始側(cè)鉆，進(jìn)尺3.8 m偏出新孔(見圖12)。鉆孔頂角降低0.5°，雖然側(cè)鉆后頂角降幅不大，但對以后孔內(nèi)事故處理提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

3.4 ZK1726孔側(cè)鉆數(shù)據(jù)

ZK1726孔設(shè)計(jì)孔深1600 m，傾角90°，鉆至1094 m處出現(xiàn)孔壁坍塌，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，后灌注水泥漿70m護(hù)孔，但到1108m以深孔壁仍然坍塌，孔內(nèi)出現(xiàn)大量石英顆粒，鉆具負(fù)荷大，鉆桿多次被切斷，為避開原孔，決定孔內(nèi)再次灌注水泥進(jìn)行側(cè)鉆，自孔深1049 m開始側(cè)鉆進(jìn)尺2 m偏出新孔。1053～1121.28 m取出完整巖心68.28 m，側(cè)鉆成功。

圖12 ZK1336孔側(cè)鉆示意圖

4 結(jié)語

4.1 試驗(yàn)效果

本新型連續(xù)造斜器通過在甘肅省文縣陽山金礦區(qū)2個鉆孔10次糾斜試驗(yàn)，以及2個鉆孔側(cè)鉆試驗(yàn)表明，新型連續(xù)造斜器在該礦區(qū)應(yīng)用是成功的。試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)異常情況，證明?73 mm新型連續(xù)造斜器的設(shè)計(jì)合理、工作安全可靠，滿足現(xiàn)場施工要求。通過試驗(yàn)取得了原始數(shù)據(jù)，并總結(jié)出相應(yīng)的定向鉆探施工工藝。多次成功試驗(yàn)，也為以后礦區(qū)孔斜防治積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

4.2 存在問題與建議

(1)新型連續(xù)造斜器口徑單一，還不能完全滿足工程中的要求，建議盡快轉(zhuǎn)入成果開發(fā)，研制多種規(guī)格的造斜器，以滿足不同鉆孔口徑需求。

(2)分壓接頭部位磨損較快，應(yīng)加以改進(jìn)。