繩索取心深孔偏心楔同徑側鉆繞障技術實踐

王紅陽，羅永貴，騰新明

(河南省地質礦產勘查開發(fā)局第三地質勘查院，河南洛陽471023)

偏心楔造斜技術，是巖心鉆探施工中常用的側鉆方法。我院在招遠市欒家河金礦區(qū)47ZK3孔一次深孔繩索取心事故處理中，采用偏心楔同徑側鉆技術，在“落魚”頂2257 m孔深實施側鉆繞障，甩掉事故。通過對偏心楔造斜技術的優(yōu)化，簡化了造斜程序，造斜可靠性進一步增強，使這一傳統(tǒng)的側鉆技術，在處理繩索取心深孔事故中發(fā)揮著作用。

1 事故概況

招遠市欒家河金礦區(qū)47ZK3孔，設計孔深2570 m，90°直孔，終孔口徑≮75 mm;孔深650 m至終孔為77 mm口徑繩索取心金剛石鉆進;事故孔段鉆遇巖石為絹英巖化花崗巖、絹英巖化花崗質碎裂巖，巖石可鉆性級別9～10級，可鉆性較差。

當該孔施工至孔深2297 m時，出現(xiàn)了鉆具斷落事故，“落魚”含內外管總成，處理過程中又發(fā)生跑鉆疊加事故，經處理后，“落魚”頂上升至孔深2257 m。由于事故位置深度較大，起下大鉆時間長，繼續(xù)處理“落魚”會耗費大量的臺時，對該孔造成的經濟損失增大。因此，確定不再繼續(xù)糾纏事故，側鉆繞障，甩掉事故段。

2 側鉆方法選擇

該事故孔側鉆的難點是事故深度大，“落魚”頂孔深2257 m;事故孔段圍巖以花崗巖為主，巖石較完整、堅硬，可鉆性差;受設計終孔直徑限制，不允許變徑;側鉆分支后必須滿足口徑≮75 mm繩索取心正常鉆進。據(jù)此，對常用的螺桿鉆側鉆、LZ連續(xù)造斜器側鉆、鋼球支撐側鉆、偏心楔側鉆等人工造斜技術方法進行比較，選擇出適宜該事故的側鉆方法。

螺桿鉆、LZ連續(xù)造斜器、鋼球支撐等側鉆技術方法，雖具有無障礙物遺留的優(yōu)點，但均需水泥營造人工孔底，且對水泥固結質量要求較高，在以往的硬巖造斜實踐中，常因水泥強度與圍巖強度差值較大，影響鉆頭的側向力，而出現(xiàn)順水泥柱而下的現(xiàn)象;另外，在2000余米的深孔中實施水泥灌注的可靠性和安全性較差，并且水泥灌注后的候凝時間和掃水泥柱時間較長，以致造斜周期過長。

偏心楔造斜雖然存在不易操作、有障礙遺留等問題，但其強制性造斜的優(yōu)點適宜該孔堅硬花崗巖地層中造斜，若對偏心楔的固定方式及過斜面工藝加以改進，就能達到快速繞開事故的目的。根據(jù)該孔事故的側鉆難點以及地質設計對鉆孔方位無特殊要求，確定側鉆方法選擇為開口式偏心楔分支側鉆。

3 偏心楔設計與安裝

3．1 偏心楔材料選擇

由于側鉆孔段巖石堅硬，可鉆性差，造斜鉆進對楔面的銑磨量較大，以及側鉆分支后距終孔孔深尚有較多的進尺量，所以，偏心楔選取75 mm普通圓鋼制作。

3．2 偏心楔參數(shù)確定

造斜孔段的鉆孔彎曲強度應根據(jù)所用鉆桿類型確定。根據(jù)相關資料，繩索取心鉆桿允許的鉆孔彎曲強度為0.2°～0.5°，考慮到偏心楔的制作難度，確定鉆孔彎曲強度≯0.5°。

偏心楔斜度的近似計算如下:

φ=57D/L

式中:φ——偏心楔頂角，°;D——圓鋼直徑，mm;L——楔面長度，mm。

3．3 偏心楔制作(見圖1)

圖1 75mm開口式偏心楔

由于圓鋼銑出楔面鉆頭弧度的難度較大，可將圓鋼按設計頂角切開后(楔頂厚度≮6 mm)，在偏心楔楔面上按77 mm鉆頭弧度，銑出寬度為20 mm的淺槽，然后用手砂輪機沿弧形槽打磨成型;在偏心楔背面距楔頂1/3處，利用鉆機油缸下壓為弓形，使楔頂偏離圓鋼軸線5～7 mm，其目的是偏心楔到位后，楔頂背面能夠盡可能的貼向孔壁，以增大造斜鉆頭的初始工作空間，確保楔頂不受損。

3．4 偏心楔組合(見圖2)

圖2 偏心楔組合與固定示意圖

(3)將偏心楔連接管底端切割出4～5個倒三角齒，形成齒筒狀，其目的是偏心楔送至“落魚”頂后，鉆具重力使齒筒插入“落魚”并變形，起到阻止偏心楔轉動作用。

3．5 偏心楔送入

3．6 偏心楔固定

偏心楔固定是否可靠，是直接關系到偏心楔側鉆成敗的關鍵程序。常規(guī)固定偏心楔的方法多采用水泥固結法，但由于該孔事故位置深度較大，考慮灌注水泥的成功率較低和灌注風險，以及封、掃水泥占用臺時多等弊端，故采用整體加長偏心楔，直接將偏心楔坐在“落魚”頂，通過偏心楔底的齒筒結構與卡料填充的方法固定偏心楔。

偏心楔送至“落魚”頂后，在鉆具重力和回轉的作用下，偏心楔與鉆具實現(xiàn)分離后，即通過鉆桿向偏心楔投放卡料。選用焊條粒和粗砂作為混合卡料，即將焊條剪切成長度2 mm左右的粒狀，粗砂以石英砂為主，粒徑級配在1～3 mm之間，并經過篩選、清洗。混合卡料經鉆桿內分若干次少量、緩慢地投放，并以泵沖送至偏心楔與孔壁環(huán)隙間。

4 造斜與分支孔鉆進

4．1 造斜鉆進

造斜鉆具的組合及造斜鉆頭的選擇是過楔面技術的關鍵。

4．1．1 造斜鉆頭選擇

圖3 錐形造斜鉆頭

式中:C——錐度比;D——鉆頭大端直徑，mm;d——鉆頭小端直徑，mm;L——錐體高度，mm。

4．1．2 造斜鉆進參數(shù)

鉆壓和轉速是造斜鉆進的重要參數(shù)。初始階段以小規(guī)程均勻造斜鉆進，以防出現(xiàn)造斜急彎。隨著造斜進尺的增加，克取孔壁巖石的面積增大，偏心楔厚度也趨于增厚，鉆壓和轉速可隨導斜鉆進深度的增加而提高。

(1)鉆壓:楔面段鉆進鉆壓為500～800 N;穿過偏心楔后鉆壓為800～1000 N。

(2)轉速(XY－8型鉆機):楔面段轉速為79 r/min;穿過偏心楔后轉速為137 r/min。

(3)泵量:90～100 L/min。

造斜鉆進中，在距偏心楔頂1/3段，由于偏心楔壁較薄，鉆進速度應控制在0.8～1 m/h，鉆速過慢易造成鉆頭對楔面磨銑量過大，影響偏心楔強度。

4．1．3 造斜孔段長度

造斜鉆進的深度即造斜孔段長度。造斜鉆進的深度以滿足分支孔鉆進為宜，并滿足分支孔初回次繩索取心鉆進時，取心鉆具總成處于偏心楔面以下的分支孔段內。本次造斜鉆進共進尺5.4 m，即2237～2242.4 m，過楔面后分支孔進尺長度為2.5 m。

4．1．4 鉸擴造斜孔

造斜孔完成后，需對造斜孔進行鉸擴至分支鉆進所需的口徑。在繩索鉆桿與錐形鉆頭之間加裝單擴孔器(77.5 mm)進行鉸擴造斜孔，不再延伸造斜孔。鉸擴至造斜孔底后，反復提下鉆具，確認無遇阻現(xiàn)象即可轉入下一程序。

4．1．5 削磨“狗腿”彎

在偏心楔造斜過程中，雖然偏心楔斜面的頂角只有1.47°，但自造斜鉆頭在楔頂接觸巖石鉆進的同時，老孔與新孔間的孔壁上也會自然形成一個彎度，俗稱“狗腿”彎。削磨“狗腿”彎的具體做法，是在錐形取心鉆頭與繩索取心鉆桿之間安裝5個77.5 mm擴孔器，連接成削磨鉆具，削磨鉆具下部用2個舊擴孔器，上部用3個新擴孔器。削磨鉆具在距偏心楔頂上下各約2 m的范圍內，反復掃磨30～40 min，消除或減緩“狗腿”彎，并利用錐形取心鉆頭鉆進0.4 m，取出分支孔巖心，以驗證造斜效果，至此，造斜鉆進結束。

4．2 分支孔鉆進

側鉆分支孔的關鍵是取心鉆頭和初回次取心鉆具長度的確定。

(1)側鉆分支孔鉆頭為特制同心圓環(huán)齒繩索取心外錐鉆頭(見圖4)。鉆頭設計外徑76.5 mm，小端外徑66 mm，錐體高度8 mm。由于鉆頭胎體外徑為圓錐臺體，且分支孔鉆進鉆頭外徑小于造斜孔徑1 mm，所以在下鉆過程中，鉆頭在其錐面的導入作用下，能夠順暢地通過偏心楔楔面，不至于在楔面上擱淺或損壞偏心楔。

圖4 錐形取心鉆頭

(2)側鉆分支孔的初始階段采用短鉆具取心鉆進，其目的是避免鉆具處于偏心楔楔面上，擾動、磨損偏心楔;再者，為減少鉆頭的側向力，控制鉆孔彎曲度，是分支孔鉆進初始階段穩(wěn)斜鉆進的需要。繩索取心短鉆具的總成長度，根據(jù)造斜孔段的長度確定。本次造斜孔段總長度為5.4 m，過楔面后的分支孔段長度為2.5 m，據(jù)此確定取心鉆具外管總成長度為2.2 m，內管長度為0.9 m，內管長度加上擴孔器和鉆頭長度，則回次進尺≯1 m。使用短鉆具鉆進一個提大鉆回次后，換回常規(guī)繩索取心鉆具鉆進。

5 側鉆繞障效果

(1)造斜周期短。在硬巖石中偏心楔側鉆，通常采用小一級口徑過楔面鉆進，即77 mm鉆孔用60 mm口徑鉆出先導孔，再進行同級擴孔;繩索取心鉆進則在繩索鉆桿下部連接若干50 mm普通鉆桿，采取逐回次加長粗徑鉆具的方法造斜鉆進，程序較繁瑣。本次偏心楔同徑造斜實施過程中，通過對偏心楔造斜技術程序進行優(yōu)化，簡化了造斜程序，以71 mm繩索取心鉆桿連接76 mm造斜鉆頭，直接同徑造斜鉆進，在2257 m事故孔深，堅硬花崗巖地層中，僅用5趟大鉆(造斜鉆進更換鉆頭一次)，計84個臺時，便完成了造斜過程的4個工序，即送偏心楔;造斜鉆進;鉸擴造斜孔;削磨“狗腿”彎。

(2)偏心楔固定可靠。采用加長偏心楔體，混合卡料與楔體齒筒結構固定偏心楔的辦法，操作簡單，可靠;避免了水泥固定偏心楔耗時多、風險大的弊端。在造斜鉆進、側鉆延伸分支孔過程中，均未出現(xiàn)偏心楔松動、扭轉現(xiàn)象。

(4)47ZK3孔經側鉆后，終孔孔深2442.29 m，鉆孔各項質量指標均滿足了地質設計要求。

6 結語

偏心楔造斜的關鍵工序是固定偏心楔和過楔面技術。在實施過程中，對其關鍵工序的工藝技術進行優(yōu)化，發(fā)揮其強制性造斜的優(yōu)越性，快捷、可靠地在深孔硬巖中，實現(xiàn)繩索取心同徑分支側鉆，繞開事故，減少事故對鉆孔的經濟損失。

［1］ 江天壽，周鐵芳，等．受控定向鉆探技術［M］．北京:地質出版社，1994．

［2］ 吳翔．受控定向鉆進［R］．河南鄭州:河南省地礦局鉆探技術高級培訓班，2010．

［3］ 何遠東，高波，何遠洪，等．繩索取心鋼球偏斜技術原理及應用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(4):37 －39．

［4］ 張文英，張廷茂，吳德軍，等．側鉆技術在鉆孔事故處理中的應用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(6):10 －12．

［5］ 李光華．螺桿鉆側鉆分支繞障技術處理繩索取心鉆孔事故［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(11):32 －34．

［6］ 黃平．大村礦段鉆孔下偏心楔補采煤心施工技術［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(3):26 －28，32．

［7］ 首照兵，盧文華，李躍成，等．71 mm同徑開口式導斜楔偏斜(繞障)施工技術［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(10):36－39．

［8］ 羅曉斌，羅凱．偏心楔鉆進技術的改進與應用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(10):23 －25，31．