九瑞地区复杂地层深斜钻孔弯曲预防与测斜技术探讨_蒋兵.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-05-09修回日期 2020-05-09 项目来源 江西省九江市九瑶矿山密集区深部铜乡金属矿战略性勘查， 工作项目编码 1212011220691。 作者简介 蒋兵 （1964-） ， 男 （汉族） ， 湖北黄梅人， 高级工程师、 岩土高级工程师、 注册岩土工程师， 现从事探矿工程和岩土工程技术工作。 九瑞地区复杂地层深斜钻孔弯曲预防与测斜技术探讨 蒋兵* （江西省地质矿产勘查开发局赣西北大队， 江西 九江 332000） 摘要 针对赣北地区第一个深斜钻孔施工， 探讨了钻孔弯曲的原因， 通过加强钻孔设计、 加固基础 和钻机安装、 采用合理钻孔结构与钻具级配、 金刚石绳索取芯钻进、 小钻压适当转速等技术、 工艺预 防孔斜措施， 以及测斜方法和测斜数据的处理， 并与物探测井数据进行对比。表明钻孔施工防斜措 施效果明显， 达到地质设计要求。 关键词 弯曲预防； 测斜技术； 深斜钻孔； 复杂地层 中图分类号 TE2 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202011-0035-06 九瑞地区是我国长江中下游重要的多金属成矿 带。随着浅部资源的遂渐枯竭， 矿床勘查进入攻深找 盲阶段， 深度超1000m的钻孔己占到施工钻孔总数的 80以上， 最大深度已经超过1500m。 近年来， 赣西北大队实施 “江西省九江市九瑞矿山 密集区深部铜多金属矿战略性勘查” 项目东雷湾矿区 ZK1-1 孔， 该孔设计孔深 1350m， 倾角 80， 方位角 180。实际终孔孔深 1409.08m， 倾角 81.5， 方位角 188.4， 是赣北地区目前施工的第一个深斜钻孔[1]。钻 孔地质设计剖面见图1。 图1ZK1-1孔地质设计剖面 钻孔弯曲是钻探质量的重要技术指标之一。由于 钻孔弯曲程度 （倾角、 方位角） 超出规范的限值不能满 足地质要求而需要纠斜， 或报废， 造成施工成本增加。 钻孔施工过程中， 产生钻孔弯曲是必然的， 但如何防止 或减小钻孔弯曲， 保证钻孔弯曲程度在规范限值或地 质设计要求的限值之内， 是钻探施工的关键环节[2]。 1钻孔弯曲的原因 理论和实践经验表明， 造成钻孔弯曲的原因是多 方面的， 一般来说主要有地质、 钻探技术和钻进工艺等 方面因素[3]。 1.1地质原因 东雷湾矿区位于长江中下游铁铜金成矿带， 大冶 九江成矿亚带的九瑞铜金矿田中。钻孔位于矿区东 雷湾向斜， 东西走向， 南倾， 倾角70～80。矿区内断层 由北东东、 北西北北西、 北东三组断裂构成， 裂隙构 造发育。ZK1-1孔地层结构见表1。 从地层的结构、 构造方面来看， 地层产状陡倾。岩 层构成复杂， 有灰岩 （白云质灰岩、 含炭质灰岩、 含燧石 结核灰岩） 、 页岩、 石英砂岩、 泥质砂岩、 粉砂岩、 粉砂质 泥岩等沉积岩； 有花岗闪长斑岩、 煌斑岩等火成岩； 有 大理岩、 矽卡岩等变质岩。岩层破碎， 构造、 节理裂隙 发育， 软硬互层。这些都是引起钻孔弯曲的地质因素。 1.2钻探技术原因 （1） 钻机安装基础不稳固、 基础面不平整； （2） 孔口管埋设不牢固， 钻具级配不合理， 扩孔、 换 35 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 径未带导向[3]； （3） 钻孔换径或套取脱落岩芯， 换径前未清除孔底 岩芯， 或取芯过程中途岩芯脱落形成 “架桥” 未专门套 取[4]。 1.3钻探工艺原因 （1） 钻进压力。钻进压力过大， 将造成孔内钻杆弯 曲， 产生弯曲力矩[5]。对于软硬互层， 产状陡倾的地层， 容易引起顺层滑和顶层进； （2） 立轴转速。过高的转速使钻具离心力增大， 从 而增大了钻具的横向力， 增大扩壁作用， 加大孔壁间 隙， 降低粗径钻具的导向作用， 造成钻孔弯曲。 2钻孔弯曲预防 为确保ZK1-1孔孔斜满足地质设计要求， 根据实 际地层和地质构造特点、 钻探设备、 钻进工艺， 经分析 研究主要采取以下防斜措施。 2.1钻孔设计与基础防斜措施 （1） 适当增大钻孔开孔倾角。过大的钻孔开孔倾 角， 既不利于地面操作， 也会增加钻具磨损； 过小的开 孔倾角， 易引起顺层滑。经与地质技术人员协商， 钻孔 开孔倾角采用80。 （2） 加固基础。为避免钻进过程中地基发生不均 匀沉降， 基础采用混凝土浇注， 场地进行硬化。 2.2钻探技术防斜措施 （1） 孔口管埋设。采用水泥浆固定， 防止钻进过程 中松动。 （2） 增加导向机构。塔顶到孔口安装导向钢丝绳， 减小主动钻杆弯曲力矩。 （3） 钻孔结构与钻具组合。钻孔采取四开结构 （图 2） 。全孔采用金刚石钻进方法， 除开孔外其余三开均 采取金刚石绳索取芯钻进。 图2ZK1-1孔钻孔结构 （4） 套取岩芯。套取孔底残留岩芯或脱落孔内 “架 桥” 岩芯时应采用原钻头， 不得采用新钻头， 避免新钻 头扩孔造成孔斜。 2.3钻探工艺防斜措施 （1） 轻钻压。过大的钻进压力容易引起孔斜， 尤其 是易斜的页岩地层， 或软硬互层孔段更是如此。钻进 过程中， 应以较小压力， 一般来说， 钻压应采用正常钻 进压力的1/3～1/4。 （2） 合理转速。正常情况下， 地层完整孔段， 同一 岩性孔段， 钻孔口径小， 采用较高转速来确保钻孔孔斜 序号 1 2 3 4 5 深度 （m） 0.00～608.00 608.00～1241.00 1241.00～1385.00 1385.00～1399.00 1399.00～1409.08 时代 T2j T1d P1m P1q C2h D3w S3s 岩性描述 薄中厚层状灰白色白云质灰岩、 灰岩夹黄绿色页岩 黄绿色页岩夹透镜状灰岩， 节理裂隙发育， 岩溶发育。其中， 孔深306.60～327.80m、 339.50～ 348.30m、 375.7～412.90m、 456.50～483.10m、 509.5～575.40m为5层全强风化煌斑岩岩脉， 属 强水敏性地层 中厚层灰岩、 薄层灰岩夹黄绿色页岩 黑色含炭质灰岩、 大理岩、 矽卡岩与花岗闪长斑岩、 含燧石结核灰岩等， 节理裂隙较发育， 岩溶弱 发育。其中含燧石结核灰岩厚度达565.60m 白云质灰岩， 隐晶质结构， 中厚层状构造， 节理裂隙较发育。其中在1330～1385m为厚度55m 的断层破碎带及构造运动引起的破碎地层 石英砂岩， 块状构造 泥质砂岩、 粉砂岩、 粉砂质泥岩， 泥质胶结， 薄厚层状构造， 节理裂隙发育 表1ZK1-1孔地层结构 36 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 的控制； 但在地层破碎孔段， 岩性互换频繁， 钻孔口径 大， 则应限制钻机转速。 （3） 优质冲洗液。冲洗液采用纳米材料生产的 PHP-CoreSMART无固相冲洗液体系， 该冲洗液具有 良好的护壁、 减阻效果， 增加钻具运转的稳定性。 3钻孔测斜及防斜效果 测斜数据准确、 精确与否， 与所使用的测斜仪器、 测斜方法及测斜数据的读取有直接的关系， 与数据处 理方法有重要关系， 严重影响到钻孔质量乃至地质成 果质量。 3.1测斜仪器选择 测斜仪器选择上海地质仪器研究所生产的多点数 字式测斜仪。该测斜仪器能够对同一测点进行多次测 量， 或同时对多个点进行测量， 具有精度高、 轻便、 使用 方便等特点。仪器测量精度 倾斜角， 0～180， 0.01； 方位角， 0～360， 1.0。 钻孔测斜 孔深 （m） 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 500.0 550.0 600.0 650.0 700.0 750.0 800.0 850.0 900.0 950.0 1000.0 1050.0 1100.0 1150.0 1200.0 1250.0 1300.0 1350.0 1407.0 顶角 （） 10 10 10 9 9 9.5 11 11 10.5 9 10.5 9 9 9 9 9 10 10 10 9 9 9 9 10 11 11 11 11 11 方位 （） 180 180 180 174 178 172 172 184 186 182 176 178 176 176 178 174 176 178 174 172 174 172 172 176 178 180 182 180 178 物探测井 孔深 （m） 0.0 51.6 101.6 151.6 201.6 251.6 301.6 351.6 401.6 451.6 501.6 551.6 601.6 651.6 701.6 751.6 801.6 851.6 901.6 951.6 1001.6 1051.6 1101.6 1151.6 1201.6 1251.6 1301.6 1351.6 1401.6 顶角 （） 10 9.5 9 8.8 8.7 8.5 8.1 7.9 7.7 7.8 7.9 8 8.2 8.2 8.3 8.3 8.4 8.5 8.6 8.4 8.6 8.5 9.4 9.5 9.2 8.9 8.7 8.3 8.5 方位 （） 180 177 178.5 180.3 178.4 181.6 181.5 182.4 182.6 182.8 183.1 181.8 178.7 180.5 181.9 182.2 181.2 182.6 184.2 184.1 186.4 182.9 185.5 186.3 186.1 186.1 184.7 187.4 188.4 表2钻孔测斜与物探测井数据对照表 37 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 3.2测斜方法与测斜数据的处理 孔斜测量间距以50.0m一个测点。一般来说， 一 个测点只进行一次测量， 数据具有随机性、 偶然性， 可 信度相对较差， 不能将其作为测斜数据读取。因此， 为 确保测斜数据的可靠性、 准确性、 可信度， 同一个测点 均进行三次测量， 用三次测量数据的平均值作为代表 值。若三次测量数据的极差不大于平均值的20时， 取三次读数的平均值； 当极差大于平均值的20时， 应 分析原因， 进行重新测量[6-7]。 3.3测斜数据对比 为验证测斜数据的准确性， 钻孔终孔后， 采用物探 测井方法对钻孔倾角和方位角进行了自上而下和自下 而上再次测量， 数据取两次物探测井数据的平均值。 两种测斜方法数据对比见表2。 两种测斜方法计算的1409.08m处相对于孔口偏 离值见表3、 表4。 孔深 （m） 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1407 顶角 （） 10 10 10 9 9 9.5 11 11 10.5 9 10.5 9 9 9 9 9 10 10 10 9 9 9 9 10 11 11 11 11 11 方位角 （） 180 180 180 174 178 172 172 184 186 182 176 178 176 176 178 174 176 178 174 172 174 172 172 176 178 180 182 180 178 段长 （m） 25 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 53.5 30.58 Z （m） 24.62 49.24 49.24 49.38 49.38 49.31 49.08 49.08 49.16 49.38 49.16 49.38 49.38 49.38 49.38 49.38 49.24 49.24 49.24 49.38 49.38 49.38 49.38 49.24 49.08 49.08 49.08 52.52 30.02 r （m） 4.34 8.68 8.68 7.82 7.82 8.25 9.54 9.54 9.11 7.82 9.11 7.82 7.82 7.82 7.82 7.82 8.68 8.68 8.68 7.82 7.82 7.82 7.82 8.68 9.54 9.54 9.54 10.21 5.83 XN （m） 4.34 8.68 8.68 7.78 7.82 8.17 9.45 9.52 9.06 7.82 9.09 7.82 7.80 7.80 7.82 7.78 8.66 8.68 8.63 7.75 7.78 7.75 7.75 8.66 9.53 9.54 9.53 10.21 5.83 YE （m） 0.00 0.00 0.00 0.82 0.27 1.15 1.33 -0.67 -0.95 -0.27 0.64 0.27 0.55 0.55 0.27 0.82 0.61 0.30 0.91 1.09 0.82 1.09 1.09 0.61 0.33 0.00 -0.33 0.00 0.20 ∑Z （m） 24.62 73.86 123.10 172.49 221.87 271.18 320.27 369.35 418.51 467.89 517.06 566.44 615.83 665.21 714.59 763.98 813.22 862.46 911.70 961.08 1010.47 1059.85 1109.24 1158.48 1207.56 1256.64 1305.72 1358.24 1388.26 ∑X （m） 4.34 13.02 21.71 29.53 37.35 45.60 55.14 64.68 73.79 81.62 90.73 98.55 106.37 114.19 122.01 129.84 138.52 147.20 155.88 163.71 171.53 179.35 187.17 195.85 205.39 214.93 224.47 234.68 240.52 ∑Y （m） 0.00 0.00 0.00 0.82 1.09 2.24 3.57 2.90 1.95 1.68 2.31 2.58 3.13 3.68 3.95 4.77 5.37 5.67 6.58 7.67 8.49 9.58 10.67 11.27 11.60 11.60 11.27 11.27 11.48 表3测斜数据计算靶点偏离值 38 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 计算结果表明， 根据多点式电子测斜仪器孔斜数 据 计 算 的 偏 离 地 质 设 计 靶 点 为 ΔZ0.58m， ΔX-4.17m， ΔY11.48m； 根据物探测井孔斜数据计 算的偏离地质设计靶点为 ΔZ4.93m， ΔX-36.01m， ΔY-9.89m， 均达到地质设计偏离限值的要求。 4结语 实践经验表明， 在深孔以及易引起孔斜的地层中钻 进， 要减小钻孔弯曲， 应根据施工地层岩性、 构造、 产状等 特征做好钻孔设计， 分析钻孔施工过程中可能引起孔斜 的因素。应筑牢基础， 设备安装周正、 水平， 钻孔结构合 理， 以及采用金刚石绳索取芯技术、 优化钻具级配等技术 措施， 而且要采用小压力 （正常钻进压力的1/3～1/4） 、 合 适的转速和采用优质无固相冲洗液护壁等工艺措施。 参考文献 [1]蒋兵. 东雷湾矿区复杂地层深斜孔钻探技术[C]// 第十八届 全国探矿工程 （岩土钻掘工程） 技术学术交流年会论文集， 中国地质学会探矿工程专业委员会中国地质学会探矿工 程专业委员会,2015320-324.（下转第41页） 孔深 （m） 0 51.6 101.6 151.6 201.6 251.6 301.6 351.6 401.6 451.6 501.6 551.6 601.6 651.6 701.6 751.6 801.6 851.6 901.6 951.6 1001.6 1051.6 1101.6 1151.6 1201.6 1251.6 1301.6 1351.6 1401.6 顶角 （） 10 9.5 9 8.8 8.7 8.5 8.1 7.9 7.7 7.8 7.9 8 8.2 8.2 8.3 8.3 8.4 8.5 8.6 8.4 8.6 8.5 9.4 9.5 9.2 8.9 8.7 8.3 8.5 方位角 （） 180 177 178.5 180.3 178.4 181.6 181.5 182.4 182.6 182.8 183.1 181.8 178.7 180.5 181.9 182.2 181.2 182.6 184.2 184.1 186.4 182.9 185.5 186.3 186.1 186.1 184.7 187.4 188.4 段长 （m） 25.8 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 32.48 Z （m） 25.41 49.31 49.38 49.41 49.42 49.45 49.50 49.53 49.55 49.54 49.53 49.51 49.49 49.49 49.48 49.48 49.46 49.45 49.44 49.46 49.44 49.45 49.33 49.31 49.36 49.40 49.42 49.48 32.12 r （m） 4.48 8.25 7.82 7.65 7.56 7.39 7.05 6.87 6.70 6.79 6.87 6.96 7.13 7.13 7.22 7.22 7.30 7.39 7.48 7.30 7.48 7.39 8.17 8.25 7.99 7.74 7.56 7.22 4.80 XN （m） 4.48 8.24 7.82 7.65 7.56 7.39 7.04 6.87 6.69 6.78 6.86 6.96 7.13 7.13 7.21 7.21 7.30 7.38 7.46 7.29 7.43 7.38 8.13 8.20 7.95 7.69 7.54 7.16 4.75 YE （m） 0.00 0.43 0.20 -0.04 0.21 -0.21 -0.18 -0.29 -0.30 -0.33 -0.37 -0.22 0.16 -0.06 -0.24 -0.28 -0.15 -0.34 -0.55 -0.52 -0.83 -0.37 -0.78 -0.91 -0.85 -0.82 -0.62 -0.93 -0.70 ∑Z （m） 25.41 74.72 124.11 173.52 222.94 272.39 321.89 371.42 420.97 470.51 520.03 569.55 619.03 668.52 718.00 767.48 816.94 866.39 915.83 965.29 1014.73 1064.18 1113.51 1162.82 1212.18 1261.58 1311.00 1360.48 1392.60 ∑X （m） 4.48 12.72 20.54 28.19 35.75 43.14 50.18 57.05 63.74 70.52 77.38 84.33 91.46 98.59 105.81 113.02 120.32 127.71 135.16 142.45 149.88 157.26 165.39 173.59 181.54 189.23 196.77 203.93 208.68 ∑Y （m） 0.00 0.43 0.64 0.60 0.81 0.60 0.42 0.13 -0.17 -0.51 -0.88 -1.10 -0.93 -1.00 -1.24 -1.51 -1.67 -2.00 -2.55 -3.07 -3.90 -4.28 -5.06 -5.97 -6.82 -7.64 -8.26 -9.19 -9.89 表4物探测井数据计算靶点偏离值 39 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 在空旷地带， 天宝R10和R8均可进行正常的井位 测量工作， 平均每个点作业时间在1min之内， 在油罐区 A点附近， R10接收机40s内完成初始化， R8接收机50s 内完成初始化。在油罐区B点附近R10接收机40s内 完成初始化， R8接收机10min内未能完成初始化。 在树林内的三个点位， 点位附近由于有树木的遮 挡， 且遮挡净空达70以上， 应用天宝R8接收机5min 能未能完成初始化， 现场在树林外应用天宝R8做控制 点， 用全站仪联合作业的方式进行了点位放样工作。 另外一组应用R10对C、 D、 E三点进行测量， 平均3min 完成一个点位的放样工作。 以往的工作中， 在信号遮挡较严重区域进行井位 测量一直是油田井位测量的技术性难题， 早期的解决 方案是先期伐树， 这样就增加了工作量， 而且后期也可 能因为地下条件的限制而进行更改地面设计。后期采 用全站仪联合GNSS接收机联合作业， 联合作业需要 在作业过程中先做控制点， 对于大面积树林区内的点 位放样， 可能需要进行几个转站观测， 放样精度无法保 证。 3.4作业精度统计分析 ABCDE五点分别采用两组人员进行测量， 后期进 行对比分析， 其中Ⅰ组是采用天宝R10测量的数据， Ⅱ 组是采用天宝R8和全站仪配合进行测量的数据。 如表1所示， 对比两次测量的结果， X方向最大差 序号 1 2 3 4 5 井号 A B C D E XⅠ 24684.33 24599.01 23780.8 23737.43 23723.75 YⅠ 10733.28 10943.15 12054.08 12194.74 12377.44 XⅡ 24684.52 24598.98 23780.23 23737.46 23723.42 YⅡ 10733.45 10943.47 12054.06 12194.19 12377.37 ΔX -0.19 0.03 0.57 0.03 0.33 ΔY -0.17 -0.32 0.02 0.55 0.07 表1Ⅰ组所测坐标 （XⅠ， YⅠ） 和Ⅱ组所测坐标XⅡ， YⅡ对比表 （单位 m） 值为0.57， Y方向最大差值为0.55， 根据 石油天然气井 位测量规范 规定， 井位测量中初测误差开发井小于 10m、 评价井小于30m 及预探井小于50m。可见在应 用天宝R10断点续测技术进行井位坐标放样精度完全 满足设计精度要求。 4结论 天宝R10 xFill断点续测技术为油田测量工作带来 了革命性的变化， 极大地方便了日常井位测量工作， 提 高了测量的工作效率， 应用 xFill断点续测技术在通信 链接中断时， 也可以在5min之内不间断地提供厘米级 的定位精度， 能满足井位测量的需求， 使得井位测量在 一定程度作业半径得到扩大。 参考文献 [1]黄俊华， 陈文森.连续卫星定位综合服务系统建设与应用 [M].北京科学出版社， 2009. 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