新型定向方法在充填鉆孔中的應(yīng)用

白寶云，許青海，王 寧

（青海省核工業(yè)放射性地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000）

充填鉆孔的使用壽命主要影響因素在于鉆孔的偏斜度和充填漿料的磨損大小。一般而言，充填漿料是無法改變的，那么充填鉆孔壽命的決定因素主要在于充填鉆孔的垂直度，即鉆孔的頂角接近于0°，垂直度越高，會顯著降低因充填料中的固相對充填管內(nèi)壁的沖刷磨損，垂直度越低或者鉆孔局部存在彎曲，充填料的沖刷磨損將直接作用于充填管內(nèi)壁，從而造成充填管磨損加劇現(xiàn)象，導(dǎo)致使用壽命縮減。因此鉆孔的偏斜度和垂直度是充填孔井眼質(zhì)量要求中的關(guān)鍵，一般要求鉆孔偏斜度小于1%，即垂深100m水平偏斜不超過1m以內(nèi)。

我院自2019年開始在金川銅鎳（屬于磁性礦區(qū)）二礦區(qū)進行充填鉆孔的施工，由于礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，在充填孔施工過程中經(jīng)常偏斜度出現(xiàn)超差現(xiàn)象，通常采用常規(guī)的滿眼鉆具、鐘擺鉆具等鉆具組合進行鉆進，雖然孔斜度得到了控制，因該類方法需要在控制壓力條件下才能達到效果，所以鉆進時效大幅降低，急需采用一種新型的定向鉆進工藝來解決這一難題。

1 充填孔基本情況

充填鉆孔在金川銅鎳礦二礦區(qū)深部開采充填系統(tǒng)中應(yīng)用，共設(shè)計20個鉆孔，鉆孔間距5m，鉆孔直徑?400mm，單孔孔深335m，鉆孔偏斜度控制在1.0%以內(nèi)。下入雙金屬耐磨管（充填管），采用油井G級水泥進行高壓固井，固井結(jié)束后進行透孔掃塞，最終保證充填管內(nèi)無異物、暢通。充填鉆孔井身結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 充填孔井身結(jié)構(gòu)圖

1.1 地層

根據(jù)收集的地質(zhì)資料和鉆孔實際鉆進巖粉進行編錄，充填鉆孔鉆遇地層礦區(qū)地層簡單，主要分布有第四系（Q）和白家咀子組（AnZb）巖層。主要巖性自上而下見表1。

表1 鉆遇地層及巖性特征

1.2 構(gòu)造

礦區(qū)主體構(gòu)造為傾向南西的單斜構(gòu)造，層間褶曲發(fā)育，常形成緊閉的小背斜和小向斜。礦區(qū)成礦前斷裂主要有F1，超基性巖體即沿F1斷裂侵位而形成。成礦期斷裂發(fā)育程度較差，規(guī)模一般較小，且基本未破壞超基性巖體。成礦后斷裂按性質(zhì)有沖斷層和平推斷層，其中平推斷層規(guī)模很小，僅有幾米位移，對礦體無破壞作用。F1斷裂位于礦區(qū)北部，走向295°～310°，傾向南西，傾角60°左右，延長200km，構(gòu)成龍首山和北部潮水沉降帶的分界線，為一寬數(shù)十到百余米的破碎帶。破碎帶中的次級斷裂和巖漿活動極為發(fā)育，圍巖混合巖化、蛇紋石化等變質(zhì)蝕變現(xiàn)象也較普遍，晚期構(gòu)造活動明顯，表現(xiàn)在前震旦系逆覆于第四系上480余米，該斷層為壓扭性斷裂，目前仍在活動。

1.3 工程施工難點分析

（1）受地層地質(zhì)影響，充填孔鉆遇地層具有強造斜性，增加了孔斜控制難度。充填孔所鉆遇的地層巖石硬度達到6級以上，傾角達到60°以上，具有較為嚴重的“順層跑”的現(xiàn)象。礦區(qū)處于多條構(gòu)造破碎帶上，全孔地層破碎，并且多處存在軟硬互層。在松散破碎帶鉆進時，孔底碎巖產(chǎn)生各向應(yīng)力不均衡而產(chǎn)生鉆孔橫向偏移，同時孔壁不穩(wěn)定，擴徑現(xiàn)象嚴重，孔徑擴大容易使鉆頭擺動漂位，加劇鉆孔偏斜。另一方面鉆頭通過軟巖時進尺快，硬巖時進尺慢，使鉆頭鉆進存在各向異性，導(dǎo)致鉆孔偏斜。

為了保證鉆孔質(zhì)量，控制孔斜的方法主要從三個方面進行，一是把好“開孔關(guān)”；二是采用具有防斜功能的鉆具組合，如滿眼鉆具和鐘擺鉆具；三是控制鉆進參數(shù)，主要是鉆壓的控制。通過這些技術(shù)措施可以在一定程度上使鉆孔質(zhì)量得到了保證，但是鉆進效率卻大幅下降。

（2）鉆進效率與施工質(zhì)量之間的矛盾。常規(guī)的防斜和糾斜措施主要是嚴格控制鉆壓，減少鉆頭橫向作用力，但鉆頭切削巖石的效率會大幅下降，導(dǎo)致工期延長，增加施工成本。因此需要尋找一種更為有效的技術(shù)手段來控制孔斜，目前最為有效的方法就是采用孔底動力進行定向糾斜，它既能控制鉆孔軌跡的質(zhì)量，又能高效鉆進。但作為非專業(yè)的定向施工隊伍，缺少專業(yè)的隨鉆測斜定向儀器和相關(guān)設(shè)備，加上小井斜測量精度要求高，常規(guī)國產(chǎn)隨鉆測斜儀根本無法滿足測斜精度要求，更主要的是處于弱磁性礦區(qū)施工，隨鉆磁性測斜儀器不能使用。

基于以上各種因素，金川銅鎳磁性礦區(qū)高垂直度充填孔要實現(xiàn)快速高質(zhì)量鉆進需要探索一套不同于以往的定向糾斜新方法?，F(xiàn)場經(jīng)過長期測量數(shù)據(jù)的觀察分析，結(jié)合單彎螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)特征，提出了采用高精度陀螺測斜定向儀對單彎螺桿在鉆孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生井斜的微小變化規(guī)律進行判斷，找出降斜的定向工具面，進行定向糾直，充分發(fā)揮陀螺測斜儀在小井斜狀態(tài)下測量精度高的優(yōu)勢，一旦發(fā)現(xiàn)有偏斜（井斜1°左右）就及時糾直，充分保證鉆孔的垂直度。

2 新型定向方法的工作原理及操作流程

金川銅鎳礦區(qū)屬于磁性礦區(qū)，磁性測斜儀無法使用，我院在前期的充填孔施工過程中通過對定向鉆具的結(jié)構(gòu)研究以及測斜數(shù)據(jù)的收集和分析，提出了一套利用單彎螺桿造斜鉆具結(jié)構(gòu)特征進行定向的方法，該方法實現(xiàn)了依靠現(xiàn)有陀螺測斜儀和一般造斜工具就能達到定向糾斜的目的，完全能滿足充填孔高精度的定向鉆進施工要求。

2.1 新型定向方法的工作原理

新型定向方法是利用造斜鉆具在井下旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的頂角規(guī)律變化進行定向，通過高精度測斜儀測量頂角的變化規(guī)律，確定造斜工具的工具面角方向，最終實現(xiàn)定向的目的。

新型定向方法的工作原理是利用單彎螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)特征，鉆具在井壁、孔底鉆頭以及自身鋼性的約束下，造斜鉆具在井底旋轉(zhuǎn)一周，其上端的頂角會產(chǎn)生規(guī)律性變化。通過按一定角度規(guī)律地旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，對每個點進行頂角測量，確定頂角的最大點（或者最小點）的方向，對應(yīng)在轉(zhuǎn)盤上面的方向，最終確定工具面角的方位，從而達到定向目的。

當(dāng)工具面角處于低邊位置時，頂角為最小值，即裝置角為W=0°的位置。當(dāng)工具面角處于高邊位置時工具面角與鉆井方向處于反方向，頂角為最大值時，即裝置角為W=180°的位置。通過高精度陀螺測斜儀測量旋轉(zhuǎn)過程中各個點的頂角，進行判定工具面角的方向，尤其是高邊和低邊的方向，最終確定裝置角W=0°的位置。根據(jù)鉆孔定向設(shè)計的要求，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤達到設(shè)計的方位，從而達到定向的目的。

2.2 定向操作流程

（1）下入造斜鉆具至孔底；

（2）從鉆具內(nèi)下入陀螺測斜儀；

（3）在鉆機轉(zhuǎn)盤平面上以正北方向（或者鉆機正前方）作為旋轉(zhuǎn)起點，測量鉆孔井斜角和方位角；

（4）按順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤一定的角度，旋轉(zhuǎn)角度大小根據(jù)鉆孔要求的定向精度確定，一般旋轉(zhuǎn)間隔45°，提高精度可以旋轉(zhuǎn)間隔30°或者20°、15°，每轉(zhuǎn)一角度，分別記錄下該位置的井斜角和方位角，旋轉(zhuǎn)一周360°作為一組數(shù)據(jù)；

（5）重復(fù)上一步驟，每轉(zhuǎn)一周記錄一組數(shù)據(jù)，每次測斜可以轉(zhuǎn)2～4周，觀察每組數(shù)據(jù)的井斜變化規(guī)律是否一致；

（6）分析測量數(shù)據(jù)確定工具面角的方位；

（7）根據(jù)孔底鉆具組合的裝置角和反扭角（按經(jīng)驗估算），旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤至定向所需的方位；

（8）固定鎖住轉(zhuǎn)盤，進行定向鉆進。

2.3 注意事項

（1）該定向方法主要依靠頂角的小幅度變化判定工具面角方向，因此選擇的陀螺測量儀在小頂角狀態(tài)下要有較高的測量精度。

（2）通過現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)以及對孔內(nèi)鉆具形態(tài)的分析，測斜儀下放的位置影響測量結(jié)果，測斜儀測量的最佳位置要選在靠近螺桿鉆具的上端。

（3）在進行旋轉(zhuǎn)測斜前一定要充分活動鉆具，使整個孔內(nèi)鉆具處于自由鉆態(tài)，每轉(zhuǎn)動一次均要上下活動鉆具，使孔底鉆具的應(yīng)力充分釋放，避免產(chǎn)生井口與井底不一樣的旋轉(zhuǎn)角度。

（4）旋轉(zhuǎn)過程中必須進行順時針一個方向旋轉(zhuǎn)，不能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，井口與井下鉆具不能同步的情況，而出現(xiàn)數(shù)據(jù)無規(guī)律性。

（5）可以通過增加頂角測量的密度，提高定向的精確度。

3 工程實踐

3.1 施工鉆具組合

充填孔采用二次成井工藝，施工過程中鉆具組合主要以滿足孔斜控制為目的，采用滿眼鉆具和鐘擺鉆具組合，開孔段完成后采用鐘擺鉆具+單彎螺桿鉆具組合復(fù)合鉆進和定向糾斜。

具體鉆具組合如下：

開孔段：?245mmPDC鉆頭+?245mm螺旋扶正器+?203mm鉆鋌+?245mm螺旋扶正器+?89mm鉆桿（滿眼鉆具組合）。

正常和造斜鉆進：?245mmPDC鉆頭+?172mm（1.5°）單彎螺桿鉆具+?203mm鉆鋌（19m）+?159mm鉆鋌（9.4m）+?245mm螺旋扶正器+?89mm鉆桿（鐘擺鉆具組合，同時進行定向鉆進）。

擴孔鉆進：?216/400mm導(dǎo)向擴孔鉆頭+?165mm鉆鋌（6組）+?127mm鉆桿。

3.2 孔斜控制及測量

充填鉆孔垂直度要求高，100m鉆孔位移量在1m，通過測算，鉆孔頂角應(yīng)當(dāng)控制在0.5°左右，同時鉆孔孔徑大，測斜儀外徑小，因此測斜在鉆桿內(nèi)進行，測量采用高精度JTL-50F型光纖陀螺測斜儀。正常孔段20m測斜一次，但在易斜、復(fù)雜地層需進行加密測點。鉆孔每次定點測量不少于2次，每次測斜時對上部2～3個測點進行復(fù)測和數(shù)據(jù)對比，保證測斜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3 使用新型定向方法前后鉆孔效率和質(zhì)量對比

充填孔施工過程中采用傳統(tǒng)防斜鉆具防斜和新型定向方法快速糾斜相結(jié)合的方式進行，鉆進效率整體提高了25%，鉆孔偏斜質(zhì)量要求均控制在設(shè)計范圍以內(nèi)，部分充填孔偏斜度達到0.5%以內(nèi)。當(dāng)充填孔鉆孔頂角達到了1.5°以上時，通過新型定向方法使鉆孔頂角降至0.3°，最終鉆孔偏斜度均控制在質(zhì)量要求以內(nèi)，充分驗證了該定向方法能夠快速有效地進行定向鉆進。新型定向方法部分鉆孔施工效果對比詳見表2、表3。

表2 采用定向方法前鉆孔效率和質(zhì)量統(tǒng)計表

表3 采用定向方法后鉆孔施工效率和質(zhì)量統(tǒng)計表

3.4 新型定向方法現(xiàn)場操作實例

以金川銅鎳礦充填鉆孔8號孔為例，說明新型定向方法的操作過程以及施工效果。

充填鉆孔8號井，開孔因鉆遇破碎硬巖層，鉆進至20m處時經(jīng)測斜頂角就達到1.62°,嚴重超出偏斜要求，隨后進行長鉆具擴孔等糾斜措施后，鉆孔孔斜有所下降，但效果不是很明顯。鉆進至60m處時，經(jīng)測量頂角1.85°，孔斜有明顯增大趨勢，因此采用新型定向方法進行定向鉆進，共進行二次全力降斜鉆進，測量數(shù)據(jù)及定向位置如圖2所示，每次定向鉆進6m后進行復(fù)合鉆進14m，鉆進至100m時孔斜已降至0.5°以內(nèi)，采用鐘擺鉆具進行防斜鉆進，最終充填孔達到質(zhì)量要求。

圖2 定向測量數(shù)據(jù)及定向位置示意圖

4 結(jié)論

（1）充填鉆孔作為充填系統(tǒng)中重要一環(huán)，它的質(zhì)量好壞直接影響充填系統(tǒng)的使用壽命。其質(zhì)量要求的重點是鉆孔偏斜度和鉆孔垂直度，傳統(tǒng)防斜和糾斜技術(shù)措施雖然能夠達到要求，但大大降低鉆進效率，最為有效的方法是定向鉆進工藝，主動控制鉆孔軌跡，同時提高鉆進效率。

（2）定向鉆進工藝的關(guān)鍵是定向，即確定糾斜的工具面角方向。新型定向方法確定的工具面角是間接獲得的，存在一定的誤差，因此采用高精度陀螺測斜儀和增加測點的密度，以提高定向和井眼軌跡測量的精度。

（3）新型定向方法是利用孔底單彎螺桿造斜鉆具的結(jié)構(gòu)特征進行定向，使用常規(guī)的造斜鉆具和高精度陀螺測斜儀就可以實現(xiàn)定向鉆進施工，定向鉆進應(yīng)用的條件大幅度下降，對定向鉆進施工的使用范圍進行拓展，尤其是在磁性礦區(qū)的定向施工有著不可替代的作用。