吳金生，黃曉林，蔣 炳，張 弛，吳萬炯

水平繩索隨鉆定向鉆進技術(shù)研究與應(yīng)用

吳金生1，黃曉林1，蔣 炳1，張 弛2，吳萬炯2

(1. 中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2. 甘肅鐵路綜合工程勘察院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

水平孔繩索取心鉆進時，鉆具回轉(zhuǎn)軸線與自身重力方向不在一條直線上，地面孔口加壓，受地層軟硬或巖層產(chǎn)狀作用下，鉆孔軌跡都會發(fā)生偏斜，目前暫無有效辦法實現(xiàn)隨鉆定向糾斜。針對此問題，開展了小直徑水平繩索隨鉆定向儀器的推送、固定、打撈機構(gòu)研究，創(chuàng)新形成一套水平繩索定向鉆進器具和定向技術(shù)，并在川藏鐵路多吉隧道水平鉆孔進行隨鉆定向糾斜，成功抑制鉆孔上漂趨勢，并降斜3°，為地質(zhì)勘查水平繩索取心定向鉆進軌跡控制提供支撐。

水平定向孔；繩索取心；隨鉆定向鉆進；川藏鐵路

高山峽谷地區(qū)鐵路勘查沿線隧道頂部地形陡峻，山高坡陡，交通條件極差，豎向深孔勘探無法實施。采用超深水平定向鉆探技術(shù)能夠克服地形困難，減少搬遷，保護生態(tài)，同時彌補陡傾巖層豎向鉆探技術(shù)的缺點，改變過去垂直“點”勘查為“線”勘查，能夠直接模擬隧道施工階段洞身前沿隧道地質(zhì)情況，提高勘查效率，為隧道施工提出合理建議[1-2]。

繩索取心鉆進技術(shù)可以實現(xiàn)不提大鉆連續(xù)取心，臺月效率高，孔壁擾動性小，勞動強度低。同時繩索鉆桿重量輕，環(huán)空間隙小，泵量小，故配套的鉆探設(shè)備和泥漿泵體積小，搬遷方便，適合于高山峽谷、交通不便等地區(qū)勘查。因此，鐵路地質(zhì)勘查超深水平定向孔常采用繩索取心鉆進。

據(jù)調(diào)查顯示，目前地質(zhì)鉆探工作中易斜地層鉆孔彎曲難以控制是主要的技術(shù)問題之一[3]，在水平繩索取心定向鉆中此問題尤其突出，其主要原因有：①水平定向鉆探鉆具的回轉(zhuǎn)軸線與自身重力方向不在一條直線上；②鉆遇地層破碎，軟硬互層，鉆進方向與巖層存在夾角；③開孔和鉆機固定不好；④孔口加壓，鉆遇地層堅硬，鉆壓大，易上漂；⑤防斜保直鉆進工藝不到位[4-6]。

當水平繩索取心鉆孔軌跡偏離設(shè)計軌跡較大時，不能滿足設(shè)計要求，必須進行糾斜糾偏，糾斜的狗腿度不能太大，不能影響下一步的繩索取心鉆進，因此，必須采用水平隨鉆定向糾斜，鉆桿采用繩索取心鉆桿。目前國內(nèi)實施的小直徑的全孔水平定向鉆進施工，主要通過特制鉆桿代替電纜傳遞孔底鉆孔軌跡信號應(yīng)用于煤礦井下瓦斯抽采孔和排水孔等，這種工藝成本高、代價大，同時此類鉆桿不能實現(xiàn)連續(xù)取心，滿足不了地質(zhì)鉆探取心技術(shù)要求[7]。采用無纜隨鉆定向鉆進施工，鉆孔直徑大，泵量大(≥10 L/s)，泵壓高，設(shè)備重，無法在地質(zhì)巖心鉆探中推廣應(yīng)用。采用小直徑彎螺桿馬達/有線隨鉆定向鉆進，定向精確、鉆孔軌跡可控且可連續(xù)造斜，泵量小，泵量2～3 L/s，能夠滿足?96 mm、?76 mm小直徑隨鉆定向鉆進需求，但如何配合繩索鉆桿將定向器具水平投送到位、固定、定向和打撈回收，需要進一步研究。

因此，小直徑(?96 mm、?76 mm)水平繩索取心定向鉆進目前沒有合適的定向鉆進技術(shù)方法。需要開展小直徑水平繩索取心有纜隨鉆定向儀器水平輸送工具、到位報信、固定和打撈機構(gòu)的研發(fā)，以及集成無磁鉆桿、繩索鉆桿、定向接頭、螺桿馬達等器具總成，解決小直徑水平孔繩索取心定向鉆進技術(shù)難題。同時可以利用同樣的鉆桿實現(xiàn)繩索取心鉆進，滿足地質(zhì)需求[8-14]。

1 定向儀器水平輸送機構(gòu)研究

常規(guī)垂直孔鉆進可以依靠重力自由下放內(nèi)管總成、打撈器和定向糾斜儀器。水平繩索隨鉆定向糾斜關(guān)鍵技術(shù)是：①如何將定向儀器和工具投送到孔底；②定位是否可靠。為解決上述問題，需開展水平隨鉆定向儀器輸送固定工具的研究。

水平孔定向鉆進時，研發(fā)水平定向儀器輸送固定機構(gòu)，是在原有水平取心鉆具總成保持原樣不變的情況下，實現(xiàn)有纜隨鉆定向儀的順利投放、彈卡定位和打撈回收。

水平隨鉆定向儀器輸送固定打撈機構(gòu)如圖1所示，主要組成有：鎧裝電纜固定接頭、回收管、壓縮彈簧、彈卡板、彈卡架、半球閥、橡膠密封閥、密封活塞、懸掛環(huán)等。

1—鎧裝電纜固定接頭；2—回收管；3—壓縮彈簧；4—彈卡板；5—彈卡架；6—半球閥；7—橡膠密封閥；8—密封活塞；9—懸掛環(huán)

其工作原理是當定向儀和輸送固定機構(gòu)放入繩索鉆桿內(nèi)后，其電纜穿過通纜水龍頭，在通纜水龍頭后面增加電纜密封油缸，密封電纜，建立密閉的壓力空間，泥漿泵往鉆桿內(nèi)輸入高壓泥漿，由于密封活塞的作用和半球閥與橡膠密封閥緊密貼合，泥漿無法與井下泥漿液連通，在泥漿泵的作用下輸送固定機構(gòu)的上端形成高壓腔，下端相對是個低壓腔，形成了一定的壓差，在壓力的作用下，定向儀和輸送固定機構(gòu)被送到孔底。輸送工況時輸送固定機構(gòu)的各零件狀態(tài)如圖2所示。

當輸送固定機構(gòu)泵送到位后，懸掛環(huán)與繩索鉆桿內(nèi)設(shè)臺階接觸，機構(gòu)將無法繼續(xù)運動，高壓腔的壓力升高，當壓力到達一定值時半球閥會穿過橡膠密封閥，密封失效，輸送泥漿與井下泥漿液連通后建立循環(huán)，同時彈卡板到位張開，定向儀被固定在繩索鉆桿內(nèi)，便可進行定向鉆進施工。

圖2 輸送固定機構(gòu)入井狀態(tài)

采用的有纜隨鉆定向鉆進技術(shù)，輸送固定機構(gòu)中設(shè)置線纜通道以便給下端定向儀提供電源和傳輸信號通道。線纜通道如圖3所示。

圖3 輸送固定機構(gòu)內(nèi)線纜通道

根據(jù)小直徑水平繩索定向輸送機構(gòu)圖，采用無磁材料加工，研發(fā)生產(chǎn)?76 mm、?96 mm兩種規(guī)格的水平繩索定向鉆具輸送機構(gòu)各1套，滿足小直徑水平繩索定向需求，實物照片如圖4所示。

圖4 水平繩索定向鉆具輸送機構(gòu)

2 水平繩索定向器具組合研究

研發(fā)了水平繩索定向鉆具輸送、固定和打撈回收機構(gòu)，集成小直徑有纜定向儀器、?73 mm和?89 mm無磁鉆桿(鋌)、儀器固定限位機構(gòu)、定向接頭、螺桿馬達和定向鉆頭，創(chuàng)新形成一套水平繩索定向鉆進器具。

定向儀器采用LHE2000有纜隨鉆測斜儀(MWD)，探管外徑35 mm。有纜隨鉆測斜儀連接在鎧裝電纜上，通過電纜絞車將定向儀器送入到無磁鉆桿內(nèi)，座鍵，將孔底信號傳輸?shù)降乇怼Ｍㄟ^打壓油泵和電纜密封裝置(中空油缸)將信號電纜周圍密封，防止泥漿流出。井下造斜工具選用?73 mm、?60 mm螺桿馬達，彎外管度數(shù)1.0o～1.25o，根據(jù)造斜強度和地層情況進行選擇，同時配套定向接頭、無磁鉆鋌。該鉆具組合在地質(zhì)勘查垂直(斜)鉆孔中進行了多次成功應(yīng)用。

3 水平繩索隨鉆定向鉆進工藝

鉆孔軌跡計算采用平均角法，平均角法又稱角平均法。假設(shè)測段為一直線，其方向的孔斜角和方位角分別為上、下兩測點的平均孔斜角和平均方位角。為方便現(xiàn)場計算，便于實時調(diào)整鉆具高邊工具面和鉆進參數(shù)，研發(fā)一套定向測量軟件，便于精確控制鉆孔軌跡。

鉆具組合：?96 mm PDC全面鉆頭＋?73 mm彎螺桿＋定向接頭＋?73 mm無磁鉆桿(內(nèi)含MWD)＋變絲接頭＋?71 mm繩索鉆桿＋?89 mm主動鉆桿＋通纜水龍頭。如圖5所示。

水平繩索定向器具組合安裝流程：①組裝調(diào)試儀器，置零儀器角差；②組裝鉆具測量裝合差；③孔口試螺桿下鉆；④定向儀器坐鍵。采用重力工具面定向鉆進與小直徑有纜隨鉆定向鉆進工藝基本一致，這里不再贅述。

圖5 定向鉆具組合

鉆進工藝參數(shù)：①鉆壓，鉆具下到孔底，使用低鉆壓，正常進尺后，逐漸加大鉆壓，一般鉆壓為5～20 kN；②泵量為3～5 L/s。當造斜強度較大或進尺較慢時，采用定向鉆進與復(fù)合鉆進交替進行，復(fù)合鉆進通過鉆具回轉(zhuǎn)減少摩擦阻力，消除狗腿，降低造斜強度，保證定向鉆進軌跡光滑。

4 隨鉆定向器具測試和應(yīng)用

4.1 室內(nèi)測試

研發(fā)加工的?76 mm和?96 mm兩套水平繩索定向鉆具，經(jīng)過三輪室內(nèi)測試，分別為水平輸送工具測試、配套無磁鉆桿和定向接頭測試和全配套測試(連接螺桿馬達)，每次到位測試20～30次，測試指標及性能均達到了設(shè)計要求。

第一輪測試水平繩索輸送機構(gòu)是否可行，測試結(jié)果可行可靠；第二輪配套繩索鉆桿、無磁鉆桿、固定限位機構(gòu)、定向儀器、電纜絞車和定向接頭進行測試，測試定向儀器是否能順利坐鍵、固定和打撈回收，成功率達95%以上；第三輪全配套測試，在第二輪測試的基礎(chǔ)上，連接螺桿馬達模擬孔內(nèi)實際測試，測試定向儀器是否能順利坐鍵、固定和打撈回收，測試能否帶動螺桿馬達轉(zhuǎn)動及壓降大小。泥漿泵為BW300/16泵，泵量180～235 L/min，泵壓3.0～3.5 MPa，螺桿馬達運行正常，達到孔內(nèi)實際定向鉆進要求。

4.2 野外應(yīng)用示范

1)試驗基本情況

川藏鐵路多吉隧道CSDZ-DJ-1水平鉆孔設(shè)計定向鉆孔傾角–12.30° (設(shè)定水平傾角為0°)。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，巖層為花崗巖，且花崗巖中石英含量高，十分堅硬，鉆進速度慢，孔口加壓，導(dǎo)致鉆孔偏斜。鉆孔直徑96 mm，根據(jù)測斜數(shù)據(jù)，水平鉆孔頂角上漂，671 m測斜數(shù)據(jù)為–3.1°，已偏離設(shè)計頂角9.2°，頂角上漂趨勢一直在增加，孔口方位角9.5°，孔底方位角7.5°，方位角變化不大。鉆孔設(shè)計軌跡和實測軌跡如圖6所示。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，使用平均角法計算鉆孔軌跡[15]：

對比鉆孔設(shè)計軌跡，方位角減小，頂角增大，實際鉆孔軌跡和設(shè)計鉆孔軌跡有出入，鉆孔偏斜程度較高，必須進行定向糾斜。

2) 定向糾斜設(shè)計

該鉆孔定向糾斜主要降頂角，需采用螺桿馬達/有纜隨鉆水平定向糾斜技術(shù)，從孔底處開始隨鉆定向糾斜，螺桿馬達采用?73 mm彎螺桿(1.25°)，利用水平推送工具將有纜隨鉆定向儀器送至預(yù)定位置，進行隨鉆定向糾斜，頂角滿足設(shè)計要求后，再采用繩索取心鉆進。定向糾斜軌跡需平滑過渡，若糾斜過大，導(dǎo)致狗腿度較大，鉆桿易斷裂。定向糾斜目標：定向糾斜30 m，降頂角3°～4°，抑制頂角上升趨勢。

圖6 多吉隧道水平孔實測軌跡

3) 定向糾斜過程

地面調(diào)試螺桿(5LZ73×7.0)，彎螺桿度數(shù)1.25o，如圖7所示，泥漿泵300/12型，測量工具面角，下鉆，分別在280 m、450 m和孔底671 m開泵循環(huán)，一切正常。地面連接和調(diào)試儀器，儀器角差249.3°，磁場強度56.4 A/m，投送儀器坐鍵，三次坐鍵，傾角86.9°，方位7.5° (設(shè)計方位9°)，坐鍵成功，密封電纜，開始鉆進。

圖7 螺桿地面測試

定向鉆進孔深671 m，?95.5 mm電鍍鉆頭，定向鉆進1.94 m后，進尺緩慢，將定向儀器提出，實施復(fù)合鉆進，進尺效果良好。后一直采用定向鉆進與復(fù)合鉆進交替進行。

4) 定向糾斜效果

采用定向鉆進和復(fù)合鉆進交替進行，在純鉆進時間內(nèi)，共進尺21 m，其中鉆孔定向糾斜3.13 m，復(fù)合鉆進18 m，糾斜成功地控制鉆孔上漂趨勢，并降斜3°，如圖8所示，為后續(xù)順利鉆進打下了堅實的基礎(chǔ)，達到了該水平孔定向糾斜的目標任務(wù)。

圖8 鉆孔糾斜過程

5 結(jié)論

a. 為解決水平繩索取心鉆孔偏斜難題，研發(fā)了水平繩索取心隨鉆定向器具，攻克了水平繩索隨鉆定向儀器的推送、固定和打撈工藝，集成小直徑有纜定向儀器、無磁鉆桿、定向接頭、螺桿馬達等，創(chuàng)新形成一套水平繩索定向鉆進器具與工藝，實現(xiàn)國內(nèi)零的突破，并在川藏鐵路水平孔成功定向糾斜，取得了良好的示范效果。

b. 小直徑水平繩索取心定向鉆進軌跡控制技術(shù)的突破，構(gòu)建了艱險山區(qū)鐵路地質(zhì)勘查水平定向鉆探新模式，解決了高原高寒高山峽谷地區(qū)垂直鉆孔搬遷無法實現(xiàn)和混雜巖體陡傾巖層構(gòu)造，實現(xiàn)了“綠色勘查、線狀勘查、精準勘查”。

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Research and application of horizontal wire-line directional deviation correction while drilling

WU Jinsheng1, HUANG Xiaolin1, JIANG Bing1, ZHANG Chi2, WU Wanjiong2

(1. Institute of Exploration Technology, CAGS, Chengdu 611734, China; 2. Gansu Railway Comprehensive Engineering Survey Institute Co., Ltd, Lanzhou 730000, China)

In wire-line core drilling of horizontal holes, the rotation axis of the drilling tool is not in a straight line with its own gravity direction; with the ground hole pressurized, the drilling trajectory will be deviated due to the soft and hard formation or the occurrence of the rock formation. At present, there is no effective way to achieve directional deviation correction while drilling. This paper studies the pushing, fixing and fishing technologies of small-diameter horizontal wire-line directional instruments while drilling. A set of horizontal rope directional drilling tools and directional technology are developed and applied in directional deviation correction while drilling in horizontal drilling of Duoji tunnel in Sichuan-Tibet Railway. It has successfully restrained the upward drift of the borehole and lowered the inclination by 3°. It will provide support for trajectory control of horizontal wire-line coring directional drilling in geological exploration.

horizontal directional hole; wire-line coring; directional deviation correction while drilling; Sichuan-Tibet Railway

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語音講解

P634.6

A

1001-1986(2021)05-0260-05

2021-05-06；

2021-07-08

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(DD20190643)；川藏鐵路勘察千米級水平鉆進技術(shù)研究項目(2019001)

吳金生，1971年生，男，安徽樅陽人，博士，教授級高級工程師，從事深孔復(fù)雜地層鉆探技術(shù)及科學(xué)鉆探研究工作. E-mail：542768373@qq.com

蔣炳，1995年生，男，四川三臺人，碩士，助理工程師，從事巖土鉆掘技術(shù)研究工作. E-mail：455671041@qq.com

吳金生，黃曉林，蔣炳，等. 水平繩索隨鉆定向鉆進技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：260–264. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.05.029

WU Jinsheng，HUANG Xiaolin，JIANG Bing，et al. Research and application of horizontal wire-line directional deviation correction while drilling[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：260–264. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.05.029

(責任編輯 郭東瓊)