定向鉆進(jìn)及隨鉆測量技術(shù)在充填孔施工中的應(yīng)用

程紅文

(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

由于尾砂充填技術(shù)能夠減少尾礦砂的地表占用面積，減輕水污染和大氣粉塵污染，并能夠有效控制礦山采空區(qū)的地表沉陷，近年在礦山得到了廣泛的應(yīng)用［1］。尾礦砂充填技術(shù)的關(guān)鍵在于充填孔施工，而充填孔對垂直度要求極高，并要求相鄰鉆孔互不相交，通常需要采取嚴(yán)格的鉆進(jìn)工藝(如采用鉆鋌孔底加壓，運(yùn)用保直鉆具、鐘擺鉆具，控制鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)等)才能使鉆孔垂直度滿足設(shè)計(jì)要求。但當(dāng)?shù)貙哟傩薄@孔自然彎曲度較大時，采取上述工藝也不能夠有效控制井斜。而運(yùn)用定向鉆進(jìn)及隨鉆測量技術(shù)，則可以對鉆孔進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，軌跡預(yù)測，并實(shí)施定向鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)全程高精度軌跡跟蹤控制，極大地提高了充填孔垂直度［2］。

1 工程概況

為加快井下崩落物轉(zhuǎn)充填采礦進(jìn)程，廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦將充填站充填鉆孔及充填套管安裝工程發(fā)包給我隊(duì)，含4個充填孔施工，鉆孔位置如圖1所示。

2 工程技術(shù)要求

(1)1－1和2－1孔孔深250 m，1－2和2－2孔孔深350 m，要求300 mm終孔;

(2)鉆孔垂直度要求:鉆孔偏斜率≯1%(即每鉆進(jìn)100 m水平偏距＜1 m)，相鄰鉆孔不相交、相通;

(4)按照設(shè)計(jì)要求管壁與鉆孔間的環(huán)狀間隙采用強(qiáng)度等級為42．5高標(biāo)號水泥高壓固管，并符合國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 地層及鉆孔自然彎曲情況

上部地層依次為:混凝土、巷道(含鐵軌，用混凝土充實(shí))、混凝土、回填建筑垃圾、灰?guī)r，如圖2所示。

圖2 地層圖

因地層變化頻繁，巖石軟硬不均，鉆孔自然彎曲嚴(yán)重。前期鉆探，2－2孔0～192 m使用保直鉆具和鐘擺鉆具鉆進(jìn)，都未能有效控制井斜，鉆孔軌跡朝230°左右方位傾斜，頂角增量約1.5°/100 m，后將鉆孔超差部分進(jìn)行水泥封孔，并實(shí)施定向側(cè)鉆、糾偏。根據(jù)鉆孔自然彎曲規(guī)律，通過數(shù)學(xué)方法可近似計(jì)算鉆孔自然彎曲軌跡偏斜率，并作如下假設(shè):

(1)鉆孔開孔頂角為0°;

(2)鉆孔方位不變;

(3)鉆孔頂角增量恒為n°/100 m。

則鉆孔自然彎曲軌跡為一圓弧，如圖3所示。

圖3 鉆孔自然彎曲軌跡

因鉆孔軌跡頂角增量為n°/100 m，則:

式中:L——鉆進(jìn)深度，m;R——鉆孔軌跡曲率半徑，m;α——圓弧角，rad;Δx——水平偏距，m;k——偏斜率。

1－1和2－1孔設(shè)計(jì)孔深為250 m，頂角增量1.5°/100 m，將 L=250，n=1.5 代入公式(4)，計(jì)算得k≈3.3% ＞1%，不符合設(shè)計(jì)要求;1－2和2－1孔設(shè)計(jì)孔深 350 m，頂角增量1.5°/100 m，將 L=350，n=1.5代入公式(4)，計(jì)算得k≈4.6% ＞1%，不符合設(shè)計(jì)要求。

由計(jì)算結(jié)果知，鉆孔自然彎曲軌跡遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 定向鉆進(jìn)技術(shù)及施工工藝

4．1 定向鉆進(jìn)和隨鉆測量簡介

定向鉆進(jìn)是利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)要求延伸到預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法;隨鉆測量，簡稱MWD，是定向鉆進(jìn)中一種先進(jìn)的技術(shù)手段，可以在定向鉆進(jìn)過程隨時采集孔底某些信息，將信息即刻傳遞到地面的過程［3］。

4．2 主要設(shè)備及儀器

常規(guī)鉆探設(shè)備:SPJ－2000型鉆機(jī)，BW－850/5、BW－300/B型泥漿泵各1臺，SG－24A型鉆塔，152、121、105 mm 鉆鋌，73 mm API鉆桿;

定向鉆進(jìn)器具﹙見圖4):5LZ73×7.0螺桿鉆(彎外管 1.25°)，LHE2000型隨鉆測斜儀，71 mm無磁鉆桿，專用水龍頭，電鍍金剛石造斜鉆頭。

圖4 定向鉆進(jìn)器具

4．3 定向鉆進(jìn)設(shè)計(jì)思路

定向鉆進(jìn)設(shè)計(jì)時，應(yīng)該充分利用鉆孔的自然彎曲規(guī)律，并結(jié)合鉆孔軌跡坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，n=1.5°、L=100 m時的偏斜率k≈1.3%，大于1%的偏斜率要求，已偏離設(shè)計(jì)軌跡;L取值小一點(diǎn)，再次計(jì)算，取L=66 m(孔深66 m時頂角為1°)，計(jì)算得偏斜率k≈0.88% ＜1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由此確定定向鉆進(jìn)設(shè)計(jì)思路:開孔正常鉆進(jìn)至66 m左右或頂角為1°時，進(jìn)行一次定向鉆進(jìn)糾斜，將鉆孔頂角糾至0°，然后正常鉆進(jìn)。當(dāng)鉆孔自然彎曲頂角增至1°時，再次將頂角糾至0°，如此依次進(jìn)行，終孔(250或350 m)時，偏斜率k≈0.88%(因計(jì)算不可避免存在誤差，實(shí)際還應(yīng)根據(jù)軌跡監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行調(diào)整)。按此設(shè)計(jì)思路進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工，不僅可以減輕定向鉆進(jìn)工作量，還可節(jié)約工期，降低工程成本。

4．4 定向鉆進(jìn)施工流程(見圖5)

圖5 定向鉆進(jìn)施工流程

4．5 隨鉆測量及軌跡監(jiān)控

所使用的隨鉆測量系統(tǒng)為有線隨鉆MWD系統(tǒng)，如圖6所示。LHE2000型隨鉆測斜儀的探管依次穿過隨鉆水龍頭(隨鉆水龍頭上端密封)、主桿、鉆桿、無磁鉆桿，進(jìn)入螺桿鉆上方的定向接頭，探管下部的引鞋(見圖7)正好插入定向接頭﹙見圖8﹚的定向鍵，定向鍵與螺桿鉆的母線存在一個已知的角度差，所以螺桿鉆的工具面角可以通過儀器測量。在隨鉆測量時，頂角、方位角、工具面角等參數(shù)傳遞至地面的隨鉆數(shù)據(jù)處理儀(見圖9)，可隨時監(jiān)控，通過計(jì)算并調(diào)整螺桿鉆的工具面角，即可使鉆孔沿著設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡前進(jìn)。

隨鉆測量時，應(yīng)準(zhǔn)確設(shè)置安裝角。當(dāng)鉆孔頂角＞3°時，采用重力高邊工具面角定向法;當(dāng)鉆孔頂角＜3°時，采用磁性工具面角定向法。因一般充填孔頂角＜3°，施工時采用磁性工具面角定向法［4］。

圖9 數(shù)據(jù)處理儀

充填孔定向施工時，若只降頂角，可直接將磁性工具面角調(diào)整至鉆孔方位的相反方向;若需要同時改變頂角和方位，應(yīng)采用數(shù)學(xué)公式或作圖法先計(jì)算出安裝角(重力高邊工具面角)，然后換算至對應(yīng)的磁性工具面角，調(diào)整磁性工具面角進(jìn)行定向;當(dāng)原鉆孔頂角＜0.5°時，鉆孔軌跡只進(jìn)行方位設(shè)計(jì)，直接將磁性工具面角調(diào)整至設(shè)計(jì)的方位即可。

由于螺桿鉆啟動、施加鉆壓的時候會產(chǎn)生一定大小的反扭角，設(shè)置安裝角時應(yīng)將反扭角考慮在內(nèi)，本組充填孔施工反扭角大小為3°～10°，表1為某孔段隨鉆測量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 隨鉆測量監(jiān)測數(shù)據(jù)

4．6 鉆孔糾斜及側(cè)鉆工藝

4．6．1 鉆孔糾斜

造斜鉆具采用1.25°螺桿鉆，其造斜強(qiáng)度約為0.25°/m，造斜段曲率半徑約為229 m，連續(xù)造斜不宜超過8 m，否則影響鉆鋌及充填套管下入;由于造斜段彎度影響，擴(kuò)孔鉆進(jìn)不宜帶鉆鋌，應(yīng)采用低鉆壓和低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，以防止鉆具因受力過大而發(fā)生斷裂;穩(wěn)斜鉆進(jìn)時，可帶上一根105 mm螺旋鉆鋌來增加鉆壓，但不宜加帶121 mm鉆鋌，否則達(dá)不到穩(wěn)斜的目的，穩(wěn)斜鉆進(jìn)15～18 m左右為宜;因孔徑為133 mm，165 mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)前需輕壓、慢轉(zhuǎn)進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)至孔底時152 mm鉆鋌(18 m)正好避開造斜孔段，鉆進(jìn)時不憋勁，并能夠較好地保持糾斜效果。

表2 鉆孔糾斜施工工序及鉆具組合

4．6．2 鉆孔側(cè)鉆

當(dāng)鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)偏差較大時，可將超差孔段用水泥封孔，建立人工孔底實(shí)施側(cè)鉆，如圖10所示。

因巖石硬度比水泥硬度大，水泥強(qiáng)度達(dá)到要求側(cè)鉆方能成功。封孔水泥漿為0.5水灰比，并加入NNO減水劑，三乙醇胺與NaCl作早強(qiáng)劑，封孔10 m以上，48 h后下螺桿鉆側(cè)鉆。連續(xù)造斜6 m即可偏出大半個新孔，提鉆后取出小巖心進(jìn)行檢驗(yàn)，然后下穩(wěn)斜鉆具，穩(wěn)斜2 m可完全偏出新孔，取巖心進(jìn)行檢驗(yàn)。造斜鉆具組合為:96 mm電鍍金剛石造斜鉆頭+73 mm螺桿鉆(1.25°彎外管);穩(wěn)斜鉆具組合:96 mm金剛石取心鉆頭+2 m長89 mm巖心管。圖11為2－2充填孔造斜及穩(wěn)斜取出巖(水泥)心照片。

側(cè)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)如圖12所示。

L1=6 m，L2=2 m，造斜強(qiáng)度0.25°/m，則α =1.5°。

根據(jù)公式(3)計(jì)算得:

Δx1=78.6 mm;

Δx2=2·sinα=0.0524 m=52.4 mm;

Δx=Δx1+Δx2=78.6+52.4=131 mm ＞96 mm，完全偏出新孔，再將側(cè)鉆孔擴(kuò)至165 mm，側(cè)鉆成功。

圖11 造斜及穩(wěn)斜取出巖石(水泥)心

圖12 側(cè)鉆孔鉆孔軌跡

4．7 技術(shù)措施

4．7．1 保障螺桿鉆正常工作采取的措施

(1)盡量選用清水、無固相、低固相沖洗液，定期除砂，使含砂量＜0.5%;

(2)造斜前，大泵量沖孔，清除孔底沉渣;

(3)下鉆前，將螺桿鉆橫放于地面，用自由鏈鉗固定，傳動軸端墊高，卸下鉆頭往傳動接頭內(nèi)注水，同時用鏈鉗順時針旋轉(zhuǎn)傳動軸(站在近鉆頭端面向螺桿鉆看)，對螺桿鉆進(jìn)行清洗;

(4)檢查旁通閥是否完好，用木棒向下壓旁通閥閥芯，并注水，此時旁通閥兩側(cè)應(yīng)不漏水，抽出木棒，水從兩側(cè)流出;

(5)將螺桿鉆懸吊，測量傳動軸承下端與驅(qū)動接頭之間間隙d1，將螺桿鉆坐在轉(zhuǎn)盤上再次測量間隙d2，則軸承軸向串動距離 d=d1－d2，應(yīng)＜3 mm(5LZ73螺桿鉆);

(6)下鉆時，在孔口通泵試轉(zhuǎn)螺桿鉆，下鉆速度要慢，防止螺桿鉆反轉(zhuǎn)致使螺桿鉆內(nèi)部構(gòu)件松扣或吸入大量巖粉;

(7)下鉆至最后2～3根立根時，每下一根立根往鉆桿內(nèi)注滿沖洗液，孔較深時，每下200 m鉆桿注滿一次;

(8)為防止泥漿池內(nèi)沉淀的巖粉吸入螺桿鉆，可將水泵蓮蓬頭用20～60目紗網(wǎng)包裹，并將蓮蓬頭抬高，脫離池底一定高度。

4．7．2 螺桿鉆操作注意事項(xiàng)

5LZ73螺桿鉆推薦鉆壓15 kN，最大鉆壓20 kN，選用金剛石造斜鉆頭鉆壓更小;流量120～240 L/min;馬達(dá)壓降2.4 MPa。

螺桿鉆下至離孔底1～2 m時開始啟動水泵，逐漸增加流量至螺桿鉆啟動，記錄此時泵壓(離井底泵壓)。然后下至孔底，緩慢施加鉆壓至推薦范圍內(nèi)，記錄泵壓(工作泵壓)。馬達(dá)壓降=工作泵壓－離井底泵壓，應(yīng)＜2.4 MPa，鉆壓過大會使工作泵壓急劇升高，致使螺桿鉆制動，長時間制動會損壞螺桿鉆或縮短螺桿鉆壽命。在本組充填孔施工中，馬達(dá)壓降1.5 MPa左右。

造斜時，操作者應(yīng)主要觀察泵壓表，根據(jù)泵壓判斷螺桿馬達(dá)工作狀況。當(dāng)泵壓急劇升高時，可能是螺桿鉆制動引起，應(yīng)上提螺桿鉆再緩慢下放;若泵壓急劇升高，鉆具離開井底但泵壓無明顯變化，可能是螺桿鉆堵塞或鉆頭水眼被巖心堵塞引起，應(yīng)該提鉆檢查;若泵壓逐漸升高，進(jìn)尺逐漸減慢，可能是鉆頭磨耗引起，應(yīng)提鉆換鉆頭;若泵壓減小，進(jìn)尺緩慢，可能是鉆桿發(fā)生刺漏，水泵活塞、缸套磨損致水量小，螺桿鉆定子、轉(zhuǎn)子磨損至泄露等原因引起［5］。

4．7．3 增加造斜強(qiáng)度采取的措施

當(dāng)造斜遇到強(qiáng)促斜地層時，造斜強(qiáng)度會降低，甚至無造斜效果。為增加造斜強(qiáng)度，同徑造斜可在螺桿鉆下端加扶正器，上端加穩(wěn)定器。但在異徑造斜時，加扶正器和穩(wěn)定器的方法卻行不通，因?yàn)榭讖酵ǔ１仍煨便@頭大一些，這時可以在螺桿鉆傳動軸下端焊接一個“定向扶正裝置”(見圖13)來增加造斜側(cè)向力，即在螺桿鉆傳動軸下端母線的相反方向焊接一塊扶正墊片，墊片厚度為鉆頭半徑與螺桿鉆半徑之差，也可大1～2 mm，此方法在1－1充填孔中應(yīng)用，增強(qiáng)造斜效果明顯。

圖13 定向扶正裝置

5 定向鉆進(jìn)施工成果

定向鉆進(jìn)及隨鉆測量技術(shù)的應(yīng)用使鉆孔軌跡得到監(jiān)控，最終4個充填孔都按照預(yù)定目標(biāo)成功“中靶”，各孔終孔坐標(biāo)如圖14所示。

6 結(jié)語

廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦充填站充填鉆孔施工實(shí)踐表明，在強(qiáng)促斜地層進(jìn)行充填鉆孔施工時，可運(yùn)用定向鉆進(jìn)及隨鉆測量技術(shù)對鉆孔進(jìn)行全程軌跡跟蹤控制，使其高精度“中靶”。相比常規(guī)鉆進(jìn)方法，能夠大幅度提高施工效率，降低施工成本，避免因鉆孔軌跡偏離設(shè)計(jì)要求使鉆孔報(bào)廢而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

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