初级定向孔设计技术在朱溪矿区ZK1013孔深孔施工中的应用_王盛.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-03-06 第一作者简介 王盛 （1988-） ， 男 （汉族） ， 江西抚州人， 工程师， 现从事探矿工程生产与技术管理工作。 初级定向孔设计技术在朱溪矿区 ZK1013孔深孔施工中的应用 王盛*， 潘振泉 （江西省地质矿产勘查开发局九一二大队， 江西 鹰潭335001） 摘要 简述了朱溪矿区ZK1013孔地层情况， 分析了深孔施工钻孔偏斜的原因， 并介绍了该钻孔通 过采用初级定向技术， 高效解决了钻孔轨迹偏斜量控制的难题。 关键词 朱溪矿区； 钻孔偏斜量控制； 初级定向技术； 深孔施工。 中图分类号 TE2 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202011-0082-04 1项目概况 江西省浮梁县朱溪钨铜多金属矿， 位于江西省东 北部景德镇与乐平交界处。矿区勘查项目由江西省地 质矿产勘查开发局九一二大队实施， 自2010年开始启 动， 累计完成工作量7万多米， 探明WO3资源量 （333 334） 286104t， 一举成为世界最大的钨矿。2017年年底 江西省地勘基金响应落实国家 “三深一土” 战略部署， 于在朱溪矿区北部布设 4 个超 2000m 的深孔钻探任 务， 其中ZK1013孔设计孔深2300m， 首次使用液压顶 升钻塔施工， 终孔深度2277.59m， 曾一度打破江西省地 矿局小口径岩芯钻探最深孔记录。 1.1矿区构造 矿区位于钦杭接合带江西萍乐凹陷带之北缘、 江 南造山带东南部、 赣东北深大断裂北西侧、 宜丰景德 镇深断裂带南侧、 塔前赋春推覆构造带从矿区中部 呈北东向通过。区内经历了多期次多阶段的构造运 动， 中元古代褶皱造山作用强烈， 加里东期褶皱叠加和 韧性变形， 印之燕山期构造活动强烈而广泛， 推覆构 造发育， 伴随中酸性岩浆的侵入， 构造十分复杂。 1.2ZK1013孔地质设计要求 设计孔深2300m， 直孔， 钻孔实际轴线与设计轴线 偏离不超过100m （钻孔轨迹水平投影图必须控制在以 设计开孔点为圆心， 100m半径的圆形范围内） ， 并且钻 孔每钻进1000m， 倾角偏差不超过5。钻孔终孔口径 不小于∅76mm， 岩芯采取率全孔平均应不小于75。 1.3钻孔地层情况 （1） 0～23.72m， 第四系土层， 松散易垮塌； （2） 23.72～908m， 泥质灰岩夹多段炭质砂岩、 煤 层； （3） 908.00～1499.50m， 含燧石结核灰岩； （4） 1499.50～1894.00m， 矽卡岩； （5） 1894.00～2277.59m， 花岗岩。 2施工中遇到的难题 根据地质设计要求， 钻孔设计轴线与实际轴线偏 离不超过100m， 并且钻孔每钻进1000m， 倾角偏差不 超过5。经半角公式法测算， 对于2300m深的钻孔来 说， 每100m顶角偏差要控制在0.2以内， 才能满足设计 轴线与实际轴线偏差不超过100m的要求， 施工难度十 分大。尤其是钻进至908.00～ 1499.50m段， 该段地层 为含燧石结核灰岩， 因燧石结核与灰岩软硬不均， 极易 导致钻孔偏离。 3针对施工中的困难采取的措施 3.1钻孔弯曲理论分析 依据钻探理论 造成钻孔弯曲的原因主要有地质 因素、 技术因素和工艺因素。 3.1.1地质因素 影响钻孔弯曲的地质因素主要有岩石的各向异 性、 软硬互层等。ZK1013孔在908～1499m孔段由煤 系地层变成含燧石结核灰岩， 出现明显软硬互层现象。 3.1.2技术因素 影响钻孔弯曲的技术因素主要有设备性能、 钻具 结构、 钻进方法和钻进参数的选择。钻机立轴导管松 82 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 动； 机台底座不稳； 天车、 立轴、 孔位三点不同线等都是 造成钻孔偏斜的技术因素。 粗径钻具长度短， 刚度不足， 钻具结构和级配不合 理， 使用弯曲的钻具， 换径或扩孔时未使用导向钻具， 导向钻具太短等都将导致钻孔弯曲强度增加。 3.1.3工艺因素 影响钻孔弯曲的工艺因素 孔壁与钻杆环状间隙 越大， 钻孔弯曲强度越大； 钻压过大， 引起钻杆柱弯曲 变形造成钻孔弯曲。转速过高， 钻具对孔壁刮磨作用 越明显， 使孔壁与钻杆环状间隙加大， 造成钻孔弯曲强 度加大。 3.2钻孔偏斜规律 通过对钻孔弯曲的理论分析， 结合我单位在朱溪 矿区多年钻探施工经验的总结， 我们已基本掌握了矿 区内地层导偏趋势， 在钻进过程中， 钻孔弯曲主要表现 在以下方面 （1） 不同岩性中钻进， 钻孔弯曲强度表现为 变质 岩类＞沉积岩类＞岩浆岩类。 （2） 不均质岩石中钻孔弯曲强度大于均质岩石。 （3） 在软硬互层的岩石中钻进， 钻孔弯曲总体趋势 是与交界面垂直的， 呈现 “顶层进” 规律。 （4） 钻孔顶角较小， 方位角变化明显， 钻孔顶角较 大时， 方位角变化趋稳定。 （5） 孔底是否残留岩芯、 钻头胎体等异物， 对钻孔 弯曲影响明显， 异物硬度越大， 钻孔弯曲强度越明显。 矿区内已完成的钻孔情况统计见表1与图1。 序号 1 2 3 4 5 6 7 孔号 ZK2104 ZK1008 ZK1011 ZK1810 ZK1812 ZK3004 ZK3005 孔深 （m） 1100.01 1420.55 2000.24 1570.40 1932.80 2047.20 1926.70 地层 沉积岩类 沉积岩类 沉积岩类 沉积岩类 沉积岩类 沉积岩类 沉积岩类 偏斜方位 （） 140 192 175 140 165 155 165 备注 表1沉积岩区段内已完成钻孔概况表 图1中ZK1013孔为本次施工的钻孔， 其它钻孔为 前期已经终孔的钻孔。表中偏斜方位数据来源于钻孔 轨迹水平投影图。 3.3针对钻孔偏斜的规律采取的措施 掌握了钻孔在沉积岩中偏斜的基本规律基础上， 我单位经多次会议讨论， 决定采用初级定向孔技术， 配 合优化的钻进工艺和设备， 来解决钻孔偏斜问题。 主要施工思路为首先通过以往已完成的钻孔偏斜 数据进行统计， 摸清楚地层自然导偏规律。通过导偏 规律， 根据定向孔设计原则， 确定好钻孔设计靶区后， 在电脑上做好初级定向孔轴线设计。钻孔轴线设计尽 可能选择简单的二维曲线型孔身剖面以降低施工成 本。 通过表1中钻孔偏斜方位可知 沉积岩区段内， 钻 孔偏斜规律明显， 在沉积岩区段内钻孔偏斜方位区间 为140～190之间， 其中160～170方位聚集明显。本 次施工的ZK1013孔位于图1所示的沉积岩区域内， 依 据以上总结的钻孔偏斜规律及钻孔轴线设计， 采取以 下两个初级定向技术措施进行钻孔施工 （1） 位移法 将实际施工钻孔布置于原设计钻孔位 置沿10方向平移15m处， 以此来抵消钻孔轨迹水平偏 差。 （2） 变角法 在钻孔开孔前， 设定钻机立轴初始角 图1沉积岩区段内已完成的钻孔分布图 83 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 度。ZK1013孔设计倾角90， 开孔前设定89 （预设1倾 角） ， 方位10。 除采用以上初级定向措施外， 在设备安装、 钻进施 工工艺等方面采取以下了措施 设备选用方面 我单位选用2016年出场的XY-6B 型立轴钻机， 配全新的PQ系列HQ系列S75A系列 绳索钻杆进行施工， 利用新钻杆强度大、 刚性强的优 点， 降低钻孔弯曲强度。 设备安装方面 钻孔场地平整， 地基做好砼基础防 止不均匀沉降， 钻机安装水平， 天车、 立轴和孔口三点 一线。 钻进施工工艺方面 （1） 开孔轻压慢转， 采用小规程钻进参数， 采用的 粗径钻具要刚、 满、 直， 其粗径长度随钻孔加深而加长 （满眼钻进） ， 避免环状间隙过大造成孔壁偏斜。 （2） 换径阶段轻压慢转， 小口径钻具施工采用小规 程钻进参数钻至绳索钻具完全进入基岩后， 逐渐恢复 正常钻进参数。 （3） 在满足设备性能的情况下， 运用合理的钻孔结 构， 通过采用大口径绳索钻具刚性强、 强度大的优点， 进行防偏斜施工。ZK1013孔钻孔结构 0～23.72m采用∅170mm口径； 23.72～43.50m采用∅150mm口径； 43.50～388.03m采用∅122mm口径； 388.03～1079m采用∅96mm口径； 1079m至终孔采用∅76mm口径。 （4） 采用合理的取芯工具捞取岩芯， 规范操作避免 出现工具掉入孔内， 尽量避免钻扫岩芯及其他异物等 非正常操作。 （5） 关注地层变化， 遇到软硬互层时， 采用小规程 参数低压低转速钻进。 （6） 选用保径性能良好的钻头、 扩孔器、 扶正器进 行施工， 下钻前仔细检查钻头、 扩孔器、 扶正器偏磨情 况。 4施工情况 通过采用以上措施， ZK1013孔赶在2018年春节假 期前成功穿过上部破碎的炭质泥岩、 煤系地层， 并于 1079m处下入∅89mm套管， 为下部深孔施工做好铺 垫。钻孔于 2018 年 5 月 23 日施工至 2277.59m， 历时 188d， 在未采用螺杆钻、 造斜器等人工纠斜的措施下， 高效率、 高质量地完成了钻孔的施工， 达到地质要求顺 利终孔。钻孔水平偏斜量见表2。 由表中数据可以看出， 钻孔在900m以浅施工阶 段， 顶角变化幅度较小； 900～1450m施工阶段， 因该段 为含燧石结核灰岩， 软硬夹层频繁， 顶角增大幅度明显 增大； 1450m后顶角变化幅度趋于平稳。钻孔轨迹水 平投影见图2。 ZK1013孔终孔孔深2277.59m， 从图2可知， 虽然 钻孔轴线水平位移 107.70m， 超出地质设计要求的 100m水平位移， 但因采用了初级定向设计， 将原设计 孔位沿10方向平移15m， 钻孔轴线水平投影依然还在 原来地质设计圈定的靶区之中， 满足了地质设计的要 求。 备用措施 如果在采用以上措施仍然无法满足地 质方面要求的偏斜范围时， 我们准备了一套技术成熟 的钻孔纠斜措施。在钻孔局部孔段弯曲度过大时， 在 该段采用孔底液动螺杆钻配合定向仪进行人工定向纠 斜。该项技术已经多次在朱溪矿区深孔施工中被使 用， 可以很好的解决钻孔偏斜过大的难题。但由于深 孔人工纠斜劳动强度大、 施工周期长、 费用巨大等问 题， 该技术措施存在很大的局限性。 5结语 由于地质钻探工艺的特殊性， 钻遇地层的不确定 性， 给深孔施工带来了许多的难以预判的困难， 尤其在 地质市场急剧萎缩的趋势下， 如何高效、 高质量、 低成 本的解决钻探中所遇到的难题， 提高企业效益， 成为钻 探技术人员必须面对的问题。 ZK1013孔初级定向设计施工取得的成功， 为我队 将来在遇到易偏斜地层施工奠定了良好的基础。通过 初级定向施工可以做到减少甚至避免人工纠斜频率， 84 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 这将大大降低劳动强度和施工成本。 深孔钻探施工中前期的钻探施工设计显得尤为重 要， 从钻孔结构的设计、 冲洗液的选用、 设备的安装、 钻 进参数的选择都应该根据地质设计的要求来确定， 只 有详细、 缜密的前期部署才能保证后期高效安全的施 工。 参考文献 [1]汤凤林， A.Г.加里宁， 段隆臣.岩心钻探学[M].武汉 中国地质 大学出版社， 2009. 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