程紅文，朱恒銀，劉 兵

（1.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313 地質(zhì)隊(duì)，安徽 六安 237010）

0 引言

南嶺科學(xué)鉆探NLSD-1 孔為“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)”第五項(xiàng)目“大陸科學(xué)鉆探選址與鉆探試驗(yàn)”子項(xiàng)“大陸科學(xué)鉆探選址與鉆探實(shí)驗(yàn)綜合研究”的部分，由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313 地質(zhì)隊(duì)承擔(dān)施工任務(wù)［1-2］。

NLSD-1 孔選址于江西省贛州市于都縣銀坑鎮(zhèn)，位于銀坑礦田內(nèi)，地理位置見(jiàn)圖1。所在贛南地區(qū)位于武夷北東向構(gòu)造帶和南嶺東西向構(gòu)造帶的交匯位置，構(gòu)造上屬欽杭結(jié)合帶之華夏板塊，橫跨武夷、羅霄塊體交接帶，鷹潭-定南深斷裂于兩塊體間穿過(guò)［3-4］。NLSD-1 孔終孔深度2967.83 m，鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。該孔于1373.71 m 深度鉆遇推覆構(gòu)造（F1），該構(gòu)造對(duì)銀坑礦田控巖、控礦具重大意義。F1構(gòu)造上部為新元古代青白口系火山碎屑巖，下部為上古生界二疊系碎屑巖-碳酸鹽巖［5］。0～1373.71 m，鉆遇地層主要有庫(kù)里組的變質(zhì)沉凝灰?guī)r、變質(zhì)凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、變質(zhì)凝灰質(zhì)板巖，具有層理、板理、劈理、節(jié)理、裂隙等構(gòu)造；1373.71～2967.83 m，鉆遇地層主要為二疊系的砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r、煤層等，存在軟硬互層［6］。且鉆孔內(nèi)多處揭露破碎帶、巖漿巖脈。受地層巖石各向異性及軟硬互層的影響，鉆孔彎曲嚴(yán)重，自然彎曲度最大處達(dá)0.5°～0.8°/10 m［1，7］，其典型促斜巖層見(jiàn)圖3、圖4。

圖1 NLSD-1 孔地理位置示意Fig.1 Geographical location of NLSD-1 hole

圖2 NLSD-1 孔鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of NLSD-1 hole

圖3 板理構(gòu)造巖石[7]Fig.3 Foliation rock

圖4 軟硬互層巖石Fig.4 Soft and hard interbeds

為有效控制鉆孔孔斜，使其滿足設(shè)計(jì)要求（累計(jì)平均頂角＜2°/100 m，終孔頂角＜30°），該工程采取了多種預(yù)防孔斜、鉆孔糾斜的施工工藝和技術(shù)措施，取得了顯著的效果。

1 鉆孔防斜技術(shù)

1.1 繩索取心鉆進(jìn)方案

由于鉆具與孔壁的間隙能夠影響鉆頭的側(cè)向力，當(dāng)鉆具與孔壁間隙減小時(shí)，能夠減小鉆孔彎曲，達(dá)到預(yù)防孔斜的效果［8］，因此采用繩索取心鉆進(jìn)方案。繩索取心鉆具除鉆具滿眼外，巖心管近鉆頭端及巖心管頂端均帶有擴(kuò)孔器或扶正器，具有扶正鉆具的作用，能夠提高鉆具同心度，減弱振動(dòng)作用，具有較好的防斜效果［9］。

1.2 采用合理的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

鉆壓過(guò)大時(shí)，易造成孔底鉆具彎曲，導(dǎo)致鉆具產(chǎn)生偏倒角；轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，鉆具產(chǎn)生了較大的離心力，增加了孔壁間隙；鉆壓、轉(zhuǎn)速過(guò)低，鉆頭停留同一位置時(shí)間較長(zhǎng)，造成孔徑超徑。這些因素均容易造成鉆孔彎曲。

在破碎的二疊系地層鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液泵量較大，則會(huì)對(duì)孔壁進(jìn)行沖蝕，造成超徑，也會(huì)使鉆孔發(fā)生彎曲。

為最大限度地防止鉆孔彎曲，須采用合理的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)。本工程根據(jù)鉆孔防斜技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，采取的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)Table 1 Drilling parameters

1.3 繩索取心式液動(dòng)錘的應(yīng)用

1.3.1 繩索取心式液動(dòng)錘的防斜機(jī)理

（1）在鉆桿與液動(dòng)繩索取心鉆具的連接部位增加了一組擴(kuò)孔器，增加了粗徑鉆具的長(zhǎng)度，起到穩(wěn)定和導(dǎo)正的作用，有利于鉆孔防斜。

（2）受到縱向高頻沖擊力、靜荷載及回轉(zhuǎn)力矩的共同作用，碎巖效率提升，可以實(shí)現(xiàn)較低鉆壓下達(dá)到同等碎巖效果，低鉆壓減小了鉆具的彎曲，從而達(dá)到了防斜的效果。

（3）在液動(dòng)錘的高頻沖擊下，巖心能順利通過(guò)卡簧進(jìn)入巖心管，防止因巖心堵塞而造成巖石重復(fù)破碎，同時(shí)在沖擊作用下可調(diào)整金剛石鉆頭對(duì)巖石的單一方向的受力，能夠起到較好的防斜效果［10-11］。

1.3.2 繩索取心式液動(dòng)錘防斜效果

本項(xiàng)目在孔深1210.87～1580 m 采用SYZX96型繩索取心式液動(dòng)錘進(jìn)行鉆進(jìn)，SYZX96 型繩索取心式液動(dòng)錘組合了復(fù)合式液動(dòng)潛孔錘和繩索取心鉆具，利用液動(dòng)錘的容積式?jīng)_擊原理，將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，由鉆具外總成傳遞至鉆頭，從而實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)［12-13］。經(jīng)使用具有一定的防斜效果，見(jiàn)表2。

表2 繩索取心式液動(dòng)錘與普通繩索取心鉆進(jìn)效果Table 2 Drilling results

由表2 可知，普通繩索取心鉆進(jìn)時(shí)的頂角自然彎曲強(qiáng)度為4.1°/100 m，而采用繩索取心式液動(dòng)錘鉆進(jìn)時(shí)頂角自然彎曲強(qiáng)度只有2.3°/100 m，鉆孔自然彎曲度明顯減小。雖然不排除地層及工藝技術(shù)等其他因素的影響，但綜合來(lái)看，仍然可以說(shuō)明：繩索取心式液動(dòng)錘鉆進(jìn)對(duì)鉆孔防斜具有較好的效果。

1.4 TSZ 型塔式繩索取心鉆具的應(yīng)用

1.4.1 TSZ 型鉆具結(jié)構(gòu)

TSZ 型塔式繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 TSZ 型塔式繩索取心鉆具示意[14]Fig.5 Schematic diagram of TSZ tower wireline coring tool

1.4.2 TSZ 型鉆具防斜機(jī)理

（1）TSZ 型鉆具超前段為?73 mm 巖心管，后端為?89 mm 巖心管，其超前段具有導(dǎo)正效果。

（2）鉆具外管總長(zhǎng)9.17 m，粗徑鉆具長(zhǎng)度大、剛性好，且外管帶有多個(gè)金剛石擴(kuò)孔器，整個(gè)鉆具具有剛、直、滿的特點(diǎn)，鉆進(jìn)時(shí)穩(wěn)定性好［14］。

（3）在破碎地層鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆孔孔徑為97 mm而上部鉆桿直徑為71 mm，超大的環(huán)空間隙讓使用高稠度沖洗液成為可能。沖洗液的護(hù)壁效果好，減少了破碎地層塌孔、掉鉆、超徑，鉆具與孔壁間隙小，粗徑鉆具在孔底的偏倒角較小，防斜效果好［15］。

1.4.3 TSZ 型鉆具使用效果

在孔深1579.44～1764.36 m 段，采用普通?97 mm 繩索取心鉆進(jìn)，但由于鉆孔孔斜指標(biāo)超出設(shè)計(jì)要求、巖心采取率不足，因此進(jìn)行了水泥封孔?？咨?579.44 m 為人工造斜點(diǎn)，成功側(cè)鉆出新孔后，從1606.90 m 開(kāi)始使用TSZ 型塔式繩索取心鉆具鉆進(jìn)。老孔（原封孔段）和新孔段鉆孔頂角隨深度的變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 鉆孔頂角隨深度的變化曲線Fig.6 Curves of inclination vs depth of the new (old)holes

封孔前后的地層基本相同，封孔前采用普通繩索取心鉆具鉆進(jìn)，頂角增量約為5.2°/100 m；封孔后采用TSZ 型塔式繩索取心鉆具鉆進(jìn)，鉆孔頂角增量?jī)H為0.2°/100 m。從而表明TSZ 型塔式繩索取心鉆具具有顯著的防斜效果。

2 人工造斜技術(shù)

在采取上述防斜措施后，鉆孔彎曲情況得到明顯的改善，但部分孔段鉆孔頂角仍然具有超出設(shè)計(jì)指標(biāo)的趨勢(shì)。為合理控制鉆孔軌跡曲線，該孔運(yùn)用人工造斜技術(shù)進(jìn)行了鉆孔糾斜和側(cè)鉆。

2.1 造斜工具及儀器設(shè)備

主要造斜工具及儀器設(shè)備有：LHE2000 系列有線隨鉆測(cè)斜儀（見(jiàn)圖7），其主要性能參數(shù)見(jiàn)表3；液動(dòng)螺桿鉆具，有LF-54、LF65、5LZ73 型3 個(gè)型號(hào)，配有1°彎接頭、1°和1.25°彎外管，5LZ73 型螺桿鉆具主要性能參數(shù)見(jiàn)表4；BW-300/12B 型往復(fù)式泥漿泵。

表3 LHE2000 系列有線隨鉆測(cè)線儀主要性能參數(shù)Table 3 Main specifications of LHE2000 series wireline LWD tool

表4 5LZ73 螺桿鉆具主要性能參數(shù)Table 4 Main specifications of 5LZ73 PDM

圖7 LHE2000 系列有線隨鉆測(cè)線儀Fig.7 LHE2000 series wireline LWD tool

2.2 鉆孔糾斜、側(cè)鉆基本工藝流程

鉆孔糾斜及側(cè)鉆基本施工工藝流程見(jiàn)圖8。

圖8 鉆孔糾斜及側(cè)鉆施工工藝流程Fig.8 Drilling process flow chart of borehole deviation correction and sidetracking

2.3 安裝角及反扭角

定向時(shí)，鉆孔頂角≤6°時(shí)采用磁性工具面角，頂角≥6°采用重力高邊工具面角。安裝角計(jì)算則采用公式計(jì)算法及象限法，象限法確定安裝角見(jiàn)圖9。

圖9 象限法確定安裝角Fig.9 Determination of the installation angle by the quadrant method

定向時(shí)，應(yīng)消除反扭角對(duì)安裝角的影響［16］。反扭角的大小與螺桿鉆具輸出扭矩、鉆桿柱的尺寸及形狀、孔壁與鉆桿柱摩擦力等因素有關(guān)［17］。

NLSD-1 在0～1680 m 孔段，采用測(cè)斜資料反算法及隨鉆測(cè)量直接觀察法，總結(jié)的反扭角隨孔深的變化見(jiàn)表5。

表5 NLSD-1 孔造斜時(shí)反扭角大小Table 5 Reverse torsion angles for directional drilling of NLSD-1 hole

2.4 人工造斜施工工藝

完整的造斜工藝流程包括：磨孔、糾斜鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、穩(wěn)斜鉆進(jìn)、修孔。

2.4.1 磨孔

在下入螺桿鉆具之前，首先要下入平底全面鉆頭磨平孔底，保證孔底無(wú)碎塊、落石以及陡峭巖心，確保螺桿鉆定向準(zhǔn)確、鉆進(jìn)平穩(wěn)，為糾斜鉆進(jìn)做好準(zhǔn)備工作。

2.4.2 糾斜鉆進(jìn)

下入造斜鉆具，造斜鉆具組合為：無(wú)磁鉆桿、螺桿鉆具、糾斜鉆頭。下入有線隨鉆儀至螺桿鉆上端鍵槽，進(jìn)行定向。螺桿鉆試鉆，然后進(jìn)行糾斜鉆進(jìn)。

2.4.3 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

由于糾斜鉆進(jìn)孔徑比原孔徑小一級(jí)，因此需要進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔鉆具為短鉆具，鉆具上端連接一根?50 mm API 鉆桿，鉆頭帶導(dǎo)向。

2.4.4 穩(wěn)斜鉆進(jìn)

造斜段由于具有一定“狗腿”度，若此時(shí)下入長(zhǎng)鉆具鉆進(jìn)，不利于糾斜效果的保持。此時(shí)下入短鉆具（長(zhǎng)約2 m），鉆具上端連接一根?50 mm API 鉆桿，鉆進(jìn)1～2 個(gè)回次。

2.4.5 修孔

造斜及擴(kuò)孔時(shí)，孔壁可能存在一定的臺(tái)階及鍵槽。為了修正孔壁，使孔壁更加圓滑，此時(shí)下入長(zhǎng)鉆具進(jìn)行修孔。

2.5 造斜鉆具、鉆頭、鉆孔直徑之間的級(jí)配設(shè)計(jì)

硬巖鉆進(jìn)時(shí)，螺桿鉆具及造斜鉆頭在孔底應(yīng)留有一定的空間余地，這樣螺桿鉆具才能正常帶動(dòng)造斜鉆頭旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖10。

圖10 螺桿鉆具、鉆頭、孔徑級(jí)配計(jì)算示意Fig.10 Calculation for matching-up of PDM,drill bit and hole diameter

鉆孔孔徑、螺桿鉆具直徑、鉆頭直徑的關(guān)系如下：

式中：θ——螺桿鉆彎外管度數(shù)，（°）；L——彎外管及以下部分（含造斜鉆頭）的長(zhǎng)度，mm；d1——螺桿鉆具外徑，mm；d2——造斜鉆頭直徑，mm；D——鉆孔孔徑，mm。

NLSD-1 孔造斜鉆進(jìn)時(shí)孔徑為97 mm，使用的螺桿鉆具規(guī)格為?73 mm 及?65 mm 兩種，彎外管度數(shù)為1°和1.25°，彎外管及以下部分（含造斜鉆頭）的長(zhǎng)度取1 m?，F(xiàn)根據(jù)式（1）計(jì)算各規(guī)格螺桿鉆具在97 mm 孔徑中所使用造斜鉆頭的極限值，計(jì)算值和實(shí)際使用情況見(jiàn)表6。

表6 NLSD-1 孔造斜鉆頭直徑計(jì)算極限值及實(shí)際使用規(guī)格統(tǒng)計(jì)Table 6 Summary of calculated maximum values and actual used sizes of the directional bit diameter at NLSD-1 hole

在選擇造斜鉆頭時(shí)，除應(yīng)考慮造斜鉆頭的極限直徑外，還應(yīng)考慮螺桿鉆具的功率。螺桿鉆具直徑較小時(shí)，計(jì)算的造斜鉆頭直徑極限值較大，但螺桿鉆具功率較小，此時(shí)應(yīng)選用較小直徑的鉆頭，以增加鉆頭底面的壓強(qiáng)，減小鉆頭受到的扭矩，從而提高造斜進(jìn)尺時(shí)效。

2.6 鉆孔糾斜成果分析

NLSD-1 孔共進(jìn)行42 次有效糾斜，累計(jì)糾斜進(jìn)尺105.82 m，累計(jì)降頂角25.8°，糾斜強(qiáng)度平均值0.315°/m（由于造斜均為降頂角，忽略方位角對(duì)造斜強(qiáng)度的影響）。共采用5 種造斜工具進(jìn)行人工造斜，造斜段代表性數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表7。

表7 NLSD-1 孔造斜代表性數(shù)據(jù)Table 7 NLSD-1 hole deviation data

各造斜鉆具的造斜強(qiáng)度見(jiàn)圖11，可得出以下結(jié)論：

圖11 造斜鉆具造斜強(qiáng)度Fig.11 Build rates of the directional drilling tools

（1）在彎外管及彎接頭度數(shù)一樣的情況下，一般螺桿鉆直徑越大，造斜鉆具剛度越大，螺桿鉆造斜強(qiáng)度越高。

（2）螺桿鉆直徑相同的情況下，彎外管度數(shù)越大，造斜強(qiáng)度越大。

（3）其他條件相同的情況下，雙彎螺桿鉆具比單彎螺桿鉆具造斜強(qiáng)度更高［18-20］。

2.7 鉆孔側(cè)鉆成果分析

NLSD-1 鉆孔軌跡示意圖見(jiàn)圖12。

圖12 NLSD-1 鉆孔軌跡示意Fig.12 Schematic diagram of NLSD-1 borehole trajectory

由于鉆孔孔斜超標(biāo)，該孔進(jìn)行了2 次側(cè)鉆糾斜，水泥封孔孔段分別為：949.00～1076.86 m、1589.90～1764.36 m，并分別于949.00 和1589.90 m側(cè)鉆出新孔。

第一次側(cè)鉆新（老）孔頂角隨孔深的變化曲線見(jiàn)圖13，第二次側(cè)鉆新（老）孔頂角隨孔深的變化曲線見(jiàn)圖6。

如圖13 所示，第一次側(cè)鉆時(shí)，側(cè)鉆前老孔960～1010 m 孔段未進(jìn)行鉆孔糾斜，鉆孔頂角增長(zhǎng)速度較快。1010～1070 m 孔段鉆孔頂角增速相對(duì)緩慢，這是由于該孔段進(jìn)行了兩次糾斜，但孔斜已超標(biāo)；側(cè)鉆新孔960～1040 m 孔段，鉆孔頂角呈下降狀態(tài)，這是由于該孔段糾斜次數(shù)較多，共糾斜10 次，1040～1070 m 孔段由于未進(jìn)行糾斜，鉆孔頂角又呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。說(shuō)明當(dāng)鉆遇地層為促斜地層、鉆孔自然彎曲嚴(yán)重時(shí)，把握造斜點(diǎn)的位置和糾斜的次數(shù)對(duì)于鉆孔軌跡控制至關(guān)重要［21-22］。

圖13 第一次側(cè)鉆前、后頂角隨孔深的變化曲線Fig.13 Curves of inclination vs depth before and after the first sidetracking

如圖6 所示，第二次側(cè)鉆時(shí)，側(cè)鉆前老孔1600～1760 m 孔段，糾斜次數(shù)為1 次，鉆孔頂角增長(zhǎng)趨勢(shì)較快；側(cè)鉆新孔在使用TSZ 型塔式繩索取心鉆進(jìn)后，頂角呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，1680～1700 m 孔段糾斜2次，頂角呈下降狀態(tài)，1700 m 以后頂角繼續(xù)呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。說(shuō)明采用適當(dāng)?shù)姆佬奔夹g(shù)工藝，并輔以少量的鉆孔糾斜，更有利于鉆孔軌跡的控制，能夠節(jié)省較多的時(shí)間、成本［23-24］。

3 結(jié)論

南嶺科學(xué)鉆探NLSD-1 孔受巖石各向異性及軟硬互層的影響［25］，造成鉆孔嚴(yán)重彎曲。為有效控制鉆孔軌跡，避免鉆孔孔斜超標(biāo)，應(yīng)用了多種鉆孔防斜技術(shù)、定向鉆進(jìn)人工糾斜及側(cè)鉆技術(shù)，均取得了良好的效果。通過(guò)總結(jié)及分析研究，得出如下結(jié)論：

（1）采用繩索取心鉆進(jìn)工藝、合理的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，能夠有效預(yù)防孔斜；采用繩索取心式液動(dòng)錘及TSZ 型塔式繩索取心鉆具鉆進(jìn)，對(duì)預(yù)防孔斜有較好的效果。

（2）人工造斜時(shí)，安裝角可采用公式計(jì)算法及象限法確定，并應(yīng)消除反扭角；人工造斜主要施工流程包括磨孔、糾斜鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、穩(wěn)斜鉆進(jìn)及修孔等幾個(gè)步驟；造斜鉆具、鉆頭、鉆孔可采用式（1）進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)；把握造斜點(diǎn)的位置和糾斜的次數(shù)對(duì)于鉆孔軌跡控制至關(guān)重要；采用適當(dāng)?shù)姆佬奔夹g(shù)工藝，并輔以少量的鉆孔糾斜，更有利于鉆孔軌跡的控制。