宋繼偉，張恒春，冉 飛，胡 晨，朱斗圣，李奇龍，陳登齊

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局112地質(zhì)大隊，貴州 安順 561000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；3.中國地質(zhì)調(diào)查局定向鉆井技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 廊坊 065000；4.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，貴州 貴陽 550004)

1 引言

者相二金礦位于貴州黔西南州貞豐縣，為國家千噸級黃金資源基地的重要組成部分(劉建中 等，2005；齊少烽 等，2016)。者相二金礦勘查是2020年貴州省重點礦產(chǎn)資源十個大精查項目之一，該項目ZK61724鉆孔原孔位位于者相鎮(zhèn)龍井集中式飲用水水源保護區(qū)內(nèi)，為深入貫徹落實綠色勘查理念，減少在保護區(qū)內(nèi)實施過多的地面工程、防止鉆探漿液污染保護層，貴州省地礦局設(shè)計了“一主一支”的鉆探施工方案，其中ZK61708為主孔，ZK61724為定向分枝孔。分枝孔靶點垂深900.35 m，距主孔開孔點水平位移160 m，靶區(qū)半徑40 m。

ZK61708主孔采用繩索取心工藝，終孔孔深1 208 m，孔斜1.19°，口徑φ75 mm。分枝孔采用“造斜段+直井段”的剖面設(shè)計，其中造斜段在非目的層應(yīng)用定向鉆技術(shù)鉆進(jìn)，直井段采用繩索取心鉆進(jìn)工藝完成目的層的連續(xù)取心任務(wù)。實施后，工程順利中靶，中靶精度8.02 m。本文介紹工程相關(guān)定向分枝鉆進(jìn)技術(shù)。

2 工程地質(zhì)

2.1 礦區(qū)地質(zhì)概述

勘查區(qū)位于貞豐縣城北西直距18 km處，地處云貴高原向廣西低山丘陵過渡的斜坡地帶，屬淺切割巖溶侵蝕和構(gòu)造剝蝕低山地貌，區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖和碎屑巖相間分布，巖溶地貌與侵蝕地貌并存。構(gòu)造蝕變體中巖石較堅硬，硅化較強，溶蝕孔洞發(fā)育，易引起孔內(nèi)漏失嚴(yán)重、孔壁失穩(wěn)坍塌、卡鉆等現(xiàn)象。

2.2 礦區(qū)地層

根據(jù)相鄰勘探線上的鉆孔及主孔揭露的地層、礦體特征、斷層特征等，礦區(qū)出露地層由上到下有：下三疊統(tǒng)夜郎組，二疊系中上統(tǒng)大隆組、長興組、龍?zhí)督M、茅口組。分支孔造斜段鉆遇巖石巖性以灰?guī)r、泥灰?guī)r及粉砂質(zhì)黏土巖為主，如下表1所示。

表1 鉆遇地層對應(yīng)表Table 1 Correspondence table of drilled strata

3 難點解析

定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)最早應(yīng)用在石油鉆井，后廣泛引用到煤礦井下工程，并得到迅速發(fā)展(陳元朋，2016；唐敦成 等，2016；暢利民 等，2019)。相對于石油定向鉆井而言，地質(zhì)勘探小直徑(φ96 mm、φ76 mm)高精度受控定向鉆探技術(shù)更為困難和復(fù)雜。結(jié)合目標(biāo)礦區(qū)鉆遇地層及其巖性，工程主要難點如下(劉敏 等，2017；李光宏，2018；于成鳳 等，2018；葉蘭肅 等，2020)：

1.小直徑井底動力剛性小，功率低，造斜能力差，如何確保側(cè)鉆分枝成功是工程的一大難點。

2.自上世紀(jì)八九十年代之后，國內(nèi)鮮有地質(zhì)巖心鉆探的定向分枝孔實施案例，市場上很難配套成熟的鉆頭、器具等，定向鉆頭、修孔鉆頭、定向接頭等均需要自行設(shè)計。

3.本工程為貴州省首例小直徑定向分枝孔，礦區(qū)地層的造斜特征，鉆頭、鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)的匹配性均需不斷探索。

4.受繩索取心工藝泥漿排量限制，目前成熟的泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)在本工程中并不能使用，有線隨鉆測量系統(tǒng)操作繁瑣，效率低下。

5.定向鉆進(jìn)采用繩索取心鉆桿，壁薄、剛性大，造斜規(guī)律和對造斜強度的極限要求均未可知(陳會領(lǐng) 等，2014；韋源生，2016)。

6.定向鉆進(jìn)完成后，采用常規(guī)繩索取心進(jìn)行鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)速高、鉆桿強度弱，對全孔造斜強度和鉆孔軌跡控制有更高的要求。

4 定向分枝孔設(shè)計

4.1 分枝點選擇及軌跡設(shè)計

根據(jù)目前最成熟的小直徑造斜鉆具情況，選用φ96 mm口徑造斜，因此造斜點要選在φ114 mm套管以下，主孔φ114 mm套管下深為370 m，因此造斜點必須在370 m以深，又根據(jù)地質(zhì)設(shè)計和靶點信息(如表2所示)，進(jìn)行自下而上反向推算曲線，同時優(yōu)選相對較穩(wěn)定、無破碎帶、無斷層的孔段，綜合鉆具口徑、合理曲線、地層穩(wěn)定性等方面因素分析，最終將分枝點確定在主孔內(nèi)400 m深度夜郎一段內(nèi)。考慮到繩索取心鉆桿強度較弱，設(shè)計造斜強度不大于6°/30 m，采用直井段+造斜段+直井段的三段制剖面結(jié)構(gòu)(唐海全，2009)，孔眼數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 靶點信息表Table 2 Target information

表3 軌跡數(shù)據(jù)表Table 3 Trajectory data table

(a)鉆孔軌跡垂直視圖 (b)鉆孔軌跡水平視圖圖1 鉆孔軌跡視圖Fig.1 Drilling track view

4.2 關(guān)鍵器具設(shè)備選型

4.2.1 螺桿馬達(dá)

圖2 螺桿馬達(dá)角度調(diào)整機構(gòu)Fig.2 Screw motor angle adjustment mechanism

4.2.2 定向儀器

圖3 孔內(nèi)探管和儀器總成Fig.3 Inner probe tube and instrument assembly

圖4 測井絞車Fig.4 Logging winch

4.2.3 泥漿泵

根據(jù)螺桿鉆具的排量范圍和現(xiàn)場條件，選用BW320泥漿泵，該泵60mm缸徑Ⅳ擋排量和80mm缸徑Ⅲ、Ⅳ擋排量均能滿足現(xiàn)場需求，具體性能如表4所示。

表4 泥漿泵性能參數(shù)表Table 4 Parameters of mud pump performance

4.2.4 側(cè)鉆鉆頭

小直徑螺桿鉆具剛性小，側(cè)鉆造斜能力相對較弱，相較于石油大口徑井眼，側(cè)鉆分枝難度更大。側(cè)鉆鉆頭的設(shè)計尤其要注重鉆頭的側(cè)向切削能力和回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，同時避開鉆頭的回轉(zhuǎn)死點。項目使用兩種金剛石鉆頭作為側(cè)鉆鉆頭，分別為孕鑲金剛石鉆頭和表鑲金剛石鉆頭(馮帆，2015)，分別如圖5和圖6所示。

圖5 孕鑲金剛石鉆頭Fig.5 Impregnated diamond bit

圖6 表鑲金剛石鉆頭Fig.6 Table-set diamond bit

4.2.5 通纜水龍頭

圖7 通纜水龍頭Fig.7 Cable-through faucet

5 定向鉆進(jìn)技術(shù)

小直徑分枝孔技術(shù)早在二十世紀(jì)八九十年代在我國就有成熟應(yīng)用的案例，但當(dāng)時主要采用普通鉆桿(非繩索取心鉆桿)進(jìn)行定向鉆進(jìn)，并進(jìn)行后續(xù)的提鉆取心作業(yè)。繩索取心鉆桿具有壁薄、剛度大、滿眼的特點，本身不適用高造斜強度的定向鉆進(jìn)，更何況造斜后仍需進(jìn)行高轉(zhuǎn)速的繩索取心鉆進(jìn)，工程風(fēng)險高。以繩索取心鉆桿為主要鉆柱的造斜能力、造斜特性及后續(xù)施工的適應(yīng)性還需廣泛探索(姚寧平 等，2013)。

5.1 側(cè)鉆分枝

圖8 獲取的小巖心Fig.8 Small core obtained

5.2 定向鉆進(jìn)

側(cè)鉆分枝成功后，即可進(jìn)行常規(guī)定向鉆進(jìn)，使用有線隨鉆儀器進(jìn)行定向鉆進(jìn)的操作步驟如下：

1.地面調(diào)試儀器，完好備用；

2.組裝定向鉆具并下鉆；

3.打開通纜水龍頭電纜密封組件，儀器電纜頭帶著鋼絲繩從“通纜水龍頭→方鉆桿”內(nèi)穿過，連接電纜頭和儀器，儀器放入鉆桿內(nèi)，移車將方鉆桿對準(zhǔn)井口；

4.下放儀器至定向接頭，并確保儀器入鍵；

5.連接方鉆桿和鉆桿，并擰緊；

6.讀取軌跡數(shù)據(jù)，上提鉆具，轉(zhuǎn)動鉆柱定向；

7.定向結(jié)束后安裝反扭轉(zhuǎn)器，安裝通纜水龍頭密封組件；

8.定向鉆進(jìn)；

9.單根鉆進(jìn)結(jié)束，上提鉆具，安全坐在井口，拆卸反扭轉(zhuǎn)器，打開方鉆桿；

10.拆卸通纜水龍頭密封組件，絞車提出儀器；

11.加接單根；

12.重復(fù)4-11步。

表5 定向鉆進(jìn)效果表Table 5 Effect of directional drilling

表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)“φ96PDC鉆頭+1.22°彎螺桿+φ89繩索鉆桿”鉆具組合造斜能力平均為5.79°/30 m，最接近設(shè)計值(6°/30 m)，為本工程最優(yōu)鉆具組合。

5.3 穩(wěn)斜鉆進(jìn)

表6 穩(wěn)斜鉆進(jìn)效果表Table 6 Effect of steady inclination drilling

5.4 鉆頭使用效果

圖9 四刀翼PDC鉆頭Fig.9 Four blade wing PDC drill

圖10 平底型PDC鉆頭Fig.10 Flat-bottom PDC bit

6 實施效果

在主孔孔深426 m處采用表鑲金剛石鉆頭開始側(cè)鉆分枝，至438.22 m，鉆出新孔，新孔頂角1.71°，方位角約190°。以下交替使用定向鉆進(jìn)和螺桿鉆復(fù)合回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜鉆進(jìn)，至孔深621 m，鉆孔頂角增至21.5°、方位角扭至212.5°，完成全孔定向鉆進(jìn)。后續(xù)采用S75繩索取心鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)，至測深927.87 m(垂深900.35 m)成功中靶，頂角22.6°，方位角210.9°，中靶精度8.02 m。因側(cè)鉆分枝點向下偏移了26 m，實際軌跡在設(shè)計軌跡的下方，且實際造斜段大于設(shè)計造斜段，軌跡與靶心平面交點相對于靶心方位為74.89°，即在靶心的東偏北方向，具體效果如圖11所示。

圖11 實施效果圖Fig.11 Implementation effect diagram

7 結(jié)論

(1)有線隨鉆定向鉆進(jìn)操作步驟較為繁瑣，若開發(fā)成功適用于繩索取心工藝的無線隨鉆測量系統(tǒng)則可大大提高定向鉆進(jìn)效率；

(2)在中硬地層，使用PDC鉆頭進(jìn)行定向鉆進(jìn)可獲得較高的機械鉆速，鉆頭結(jié)構(gòu)形式對造斜率有較大影響，同等條件下，保徑越短造斜率越高；

(3)結(jié)合后續(xù)施工過程，采用φ89 mm繩索取心鉆桿進(jìn)行定向鉆進(jìn)，造斜強度控制在6°/30 m較為合理，過高的造斜強度易造成鉆桿失效事故；

(4)定向鉆進(jìn)后，穩(wěn)斜較為困難，“繩索取心鉆桿+直螺桿”進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)的技術(shù)手段，穩(wěn)斜效果并不理想，推薦使用常規(guī)繩索取心鉆進(jìn)進(jìn)行穩(wěn)斜；

(5)“定向鉆進(jìn)+常規(guī)繩索取心鉆進(jìn)”實施小直徑定向分枝孔整體方案可行，全部定向鉆進(jìn)完成后，進(jìn)行約300 m常規(guī)繩索取心鉆進(jìn)，頂角增加1.1°，方位角減少1.6°，鉆孔軌跡基本穩(wěn)定，為后續(xù)同類工程的設(shè)計和實施提供了有效的案例。

致謝：中國地質(zhì)科學(xué)勘探技術(shù)所朱永宜教授在鉆孔、器具設(shè)計方面給予大量建議和指導(dǎo)，并在施工現(xiàn)場給予幫助；金石鉆探(唐山)股份有限公司王久泉總工在通纜水龍頭設(shè)計、定向鉆頭制造方面給予大力支持，在此一并致謝。