黃忠高，李志強(qiáng)，潘海迪，劉甲祥，楊啟文

(1．江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局九一二大隊(duì)，江西 鷹潭335001;2．山東萊蕪鴻豐探礦工程有限公司，山東 萊蕪271100)

1 概述

江西省浮梁縣朱溪及外圍金屬礦位于江西省東北部景德鎮(zhèn)—樂(lè)平之間，行政區(qū)劃隸屬景德鎮(zhèn)市浮梁縣壽安鎮(zhèn)、樂(lè)平市涌山鎮(zhèn)等管轄，是我單位近5年承擔(dān)的江西省地質(zhì)勘查基金和中央地質(zhì)勘查基金聯(lián)動(dòng)勘查項(xiàng)目。

項(xiàng)目自2010年開(kāi)始啟動(dòng)，共投入資金1.0065億元，累計(jì)完成鉆探工作量26000 m。據(jù)現(xiàn)有資料初步判斷，朱溪礦區(qū)深部具有尋找超大型鎢礦床和大中型銅礦床的資源潛力。

ZK5407孔設(shè)計(jì)孔深2300 m，設(shè)計(jì)開(kāi)孔頂角0°(勘探線方位137°)。主要鉆遇地層為灰?guī)r、厚—巨厚層狀中細(xì)粒白云巖、糖粒狀大理巖、矽卡巖化大理巖和粉砂質(zhì)石英砂巖。巖石硬度一般(軟—中硬)，可鉆性級(jí)別中等(5～7級(jí))，研磨性不強(qiáng)(弱—中)，比較完整和穩(wěn)定。但巖石局部裂隙發(fā)育，蝕變常見(jiàn)。質(zhì)量要求按《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227－2010)6項(xiàng)指標(biāo)，如巖心采取率≮70%，礦心采取率＞80%，頂角彎曲度≯2°/100 m，等。

采用聚丙烯酰胺、磺化瀝青和潤(rùn)滑劑組成的無(wú)固相沖洗液，完全適合鉆進(jìn)要求。鉆進(jìn)中孔壁穩(wěn)定，孔內(nèi)干凈。

2014年4月6日開(kāi)孔，至6月13日停止鉆進(jìn)施工，孔深1641.70 m，折合臺(tái)月效率高達(dá)700 m以上。其中孔深901 m處發(fā)生跑鉆事故，前后處理時(shí)間＞200 h，最后是用“磨”的方法消滅孔內(nèi)鉆頭。但6月14日接到地質(zhì)方面的通知，鉆孔頂角彎曲指標(biāo)盡管符合當(dāng)初地質(zhì)設(shè)計(jì)提出的2°/100 m要求，但鉆孔軸線的水平位移太大，不能繼續(xù)進(jìn)行鉆探施工。

鑒于孔斜問(wèn)題，6月19日，用JTL－40GX光纖陀螺測(cè)斜儀測(cè)斜，部分測(cè)斜結(jié)果及水平偏距見(jiàn)表1。

表1 ZK5407孔前期鉆探部分測(cè)斜結(jié)果及水平偏距

2 定向糾斜地質(zhì)要求和總體思路

2．1 定向糾斜地質(zhì)要求

鑒于鉆孔水平偏距＞100 m并有繼續(xù)增大趨勢(shì)，分析認(rèn)為，即使挪孔重鉆或使用液動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)也很難完全滿足地質(zhì)要求，故決定應(yīng)用螺桿定向鉆探技術(shù)進(jìn)行糾斜。

定向糾斜地質(zhì)要求是:ZK5407鉆孔見(jiàn)礦結(jié)束點(diǎn)(預(yù)計(jì)孔深2200 m)在孔口所在水平面的投影位置與鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)的距離即水平位移≯100 m。

2．2 定向糾斜總體思路

根據(jù)定向糾斜地質(zhì)要求，結(jié)合ZK5407孔前期鉆探施工實(shí)際，參考國(guó)內(nèi)地質(zhì)巖心定向鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員和施工工人的反復(fù)商議，最終確定ZK5407孔定向糾斜的總體思路如下。

(1)糾斜起始點(diǎn)定為1300 m左右，即在1300 m下部人造孔底。

(4)采用上海力擎地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的單點(diǎn)定向儀和陀螺測(cè)斜儀進(jìn)行定向和測(cè)斜。

(6)先降頂角，后降方位角(在頂角3°左右再降方位角)，因?yàn)轫斀谴髸r(shí)扭方位比較困難，頂角小時(shí)扭方位比較容易，且頂角小至1°～2°可能方位角測(cè)量不準(zhǔn)。

(7)采用間斷造斜法，即以20 m左右長(zhǎng)度進(jìn)尺進(jìn)行分段多次糾斜，控制每段糾斜進(jìn)尺2～3 m、穩(wěn)斜進(jìn)尺17～18 m，以達(dá)頂角彎曲強(qiáng)度0.3°～0.4°/m或方位角彎曲強(qiáng)度10°～15°/m而不斷鉆桿之要求。

(8)及時(shí)測(cè)斜，并根據(jù)測(cè)斜結(jié)果調(diào)整糾斜鉆進(jìn)有關(guān)參數(shù)，進(jìn)而預(yù)估鉆孔彎曲和水平偏距變化趨勢(shì)，確保滿足“ZK5407鉆孔見(jiàn)礦結(jié)束點(diǎn)(預(yù)計(jì)孔深2200 m)在孔口所在水平面的投影位置與鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)的距離即水平位移≯100 m”的地質(zhì)要求。

3 螺桿定向糾斜施工工藝

3．1 螺桿定向糾斜的理論準(zhǔn)備

3．1．1 定向鉆孔空間軌跡

ZK5407孔定向糾斜，是在已知初始造斜點(diǎn)位置以及該點(diǎn)孔斜值的情況下進(jìn)行的。后續(xù)的糾斜施工，將根據(jù)地質(zhì)方面的靶區(qū)目標(biāo)要求實(shí)施。

地質(zhì)方面常采用全角半距法或曲率半徑法。

3．1．2 螺桿鉆具

螺桿鉆具也稱為容積式馬達(dá)(PDA)，具有低速大扭矩的特征，是目前最廣泛使用的一種井下動(dòng)力鉆具。主要由旁通閥總成、防掉裝置、馬達(dá)總成、萬(wàn)向軸總成和傳動(dòng)軸總成組成。

螺桿鉆反扭轉(zhuǎn)角是定向時(shí)必須考慮的一個(gè)重要因素。定向時(shí)安裝角的讀數(shù)，應(yīng)是在設(shè)計(jì)初始安裝角的基礎(chǔ)上，加上預(yù)先設(shè)置的螺桿鉆反扭轉(zhuǎn)角。

螺桿鉆的輸入－輸出特性問(wèn)題。在給定沖洗介質(zhì)(含砂量≯0.4%)和泥漿泵排量下，螺桿鉆的輸出轉(zhuǎn)速與其它各參數(shù)基本無(wú)關(guān);輸出功率、輸出扭矩與壓降成正線性關(guān)系;機(jī)械效率有一個(gè)最大值。

3．1．3 定向儀和測(cè)斜儀

DXY－2型數(shù)字定向儀輸出的工具面向角(安裝角)是以鞋靴引槽所在母線為零位位置，即當(dāng)引槽所在母線處于探棒外徑圓周的最高點(diǎn)時(shí)，工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為零，并以順時(shí)針增大、逆時(shí)針減小的方式變化。

XBY－2GW無(wú)線光纖尋北陀螺測(cè)斜儀由地面無(wú)線控制儀和井下探棒2部分組成。儀器采用自尋北測(cè)量方式，其工作原理是通過(guò)高精度的陀螺儀測(cè)量地球自轉(zhuǎn)速度(15°/h)，結(jié)合不同地區(qū)的緯度值，計(jì)算出當(dāng)?shù)氐牡厍蜃赞D(zhuǎn)分量，從而測(cè)得儀器所指方位角。

3．1．4 安裝角與糾斜效果的關(guān)系

螺桿鉆在孔底的安裝方位不同，所產(chǎn)生的糾斜(造斜)效果也不同。當(dāng)螺桿鉆的彎曲凸面安裝在鉆孔上幫時(shí)，母線處于探棒外徑圓周的最低點(diǎn)，此時(shí)工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為180°，鉆孔向下彎曲，頂角下垂;當(dāng)彎曲凸面安裝在鉆孔下幫時(shí)，工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為0°，頂角上漂;當(dāng)彎曲凸面安裝在鉆孔左幫時(shí)，工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為90°，方位角增大;當(dāng)彎曲凸面安裝在鉆孔右?guī)蜁r(shí)，工具面向角(安裝角)的讀數(shù)為270°，方位角減小。

其基本原理如圖1所示。

圖1 螺桿鉆孔內(nèi)安裝示意圖

3．2 螺桿定向糾斜的設(shè)備和儀器

除了正常鉆進(jìn)所需的鉆探設(shè)備和管材(見(jiàn)表2)外，ZK5407孔定向糾斜還需如表3的儀器和設(shè)備。

3．3 螺桿定向糾斜的實(shí)施經(jīng)過(guò)

為定向糾斜，ZK5407孔必須在孔深1300 m以深進(jìn)行人造孔底(水泥封孔)。為此，前前后后共水泥封孔5次，才基本滿足人造孔底的要求。

表2 正常鉆進(jìn)鉆探設(shè)備和管材配備

表3 定向糾斜儀器和設(shè)備

第三次糾斜采用222°的安裝角，穩(wěn)斜鉆進(jìn)后測(cè)斜，儀器不正常，讀出的頂角下降至8.4°不一定可靠。隨后聯(lián)系廠家維修測(cè)斜儀的同時(shí)，開(kāi)始第四次糾斜。亦采用類似的218°安裝角，穩(wěn)斜鉆進(jìn)后測(cè)斜結(jié)果表明，第三次糾斜效果不明顯，頂角僅略微下降，第四次糾斜基本沒(méi)有效果，頂角幾乎沒(méi)變，方位角均無(wú)變化。分析認(rèn)為，根本原因在于水泵泵量偏小，致螺桿鉆工作乏力。

鑒于自糾斜以來(lái)尤其是自第十三次開(kāi)始以降方位角兼降頂角為目的的糾斜以來(lái)，鉆孔的方位角明顯表現(xiàn)出逆時(shí)針螺旋減小并明顯小于272°的變化規(guī)律，鉆孔水平偏距以第十六次糾斜達(dá)最大值98.56 m(孔深1605 m處)后開(kāi)始減小，故預(yù)計(jì)以降方位角兼增頂角為目的的第十七次糾斜后的穩(wěn)斜鉆進(jìn)中，不論頂角或大或小變化，方位角都將不可能明顯反轉(zhuǎn)即增大至272°以上，亦即水平偏距將＜98.26 m＜98.56 m＜100 m。后續(xù)的穩(wěn)斜鉆進(jìn)施工證明，這一判斷是正確的。最終終孔孔深2047.60 m，頂角0.4°，方位角250°，水平偏距 91.39 m，完全達(dá)到了預(yù)期目的。

圖2為ZK5407孔全孔方位角變化在靶區(qū)范圍內(nèi)投影。

圖2 ZK5407孔全孔方位角變化在靶區(qū)范圍內(nèi)投影

圖3為ZK5407孔鉆孔軌跡水平投影。

圖3 ZK5407孔鉆孔軌跡水平投影

圖4為ZK5407孔全孔孔斜和水平位移圖。

圖4 ZK5407孔全孔孔斜和水平位移

ZK5407孔17次螺桿定向糾斜成果見(jiàn)表4。

表4 ZK5407孔17次螺桿定向糾斜成果

3．4 螺桿定向糾斜的鉆進(jìn)工藝

3．4．1 定向糾斜鉆進(jìn)施工程序

定向糾斜鉆進(jìn)的施工程序是:確定地質(zhì)要求的靶點(diǎn)靶區(qū)→選定分支點(diǎn)孔深→人造水泥孔底→清孔換漿→下入螺桿鉆具→定向→糾斜鉆進(jìn)→穩(wěn)斜鉆進(jìn)→測(cè)斜→繼續(xù)下入螺桿鉆具、定向、糾斜鉆進(jìn)、穩(wěn)斜鉆進(jìn)、測(cè)斜→達(dá)到地質(zhì)要求的靶點(diǎn)靶區(qū)。

3．4．2 下鉆

(1)下入螺桿鉆前，必須確認(rèn)孔內(nèi)干凈;

(2)清理循環(huán)系統(tǒng)，更換新鮮沖洗液，要求沖洗液含砂量＜0.4%，顆粒直徑＜0.3 mm，粘度＜20 s;

(3)組裝螺桿鉆，記錄工具裝合差;

(4)在地表進(jìn)行螺桿鉆試運(yùn)轉(zhuǎn)，記錄泥漿泵的排量、壓力和螺桿鉆的運(yùn)轉(zhuǎn)情況;

(5)將鉆具下到離孔底0.3～0.5 m的位置后，反復(fù)上下提拉整個(gè)鉆桿柱，盡可能保持孔內(nèi)鉆桿柱的自由下垂，減少乃至消除虛假“反扭轉(zhuǎn)角”對(duì)定向鉆進(jìn)的危害。

3．4．3 孔內(nèi)定向

3．4．3．1 定向前準(zhǔn)備工作

計(jì)算初始安裝角(考慮儀器裝合差、工具裝合差和螺桿鉆反扭轉(zhuǎn)角);

孔口滑輪邊緣對(duì)準(zhǔn)孔內(nèi)鉆桿中心，以防儀器下孔時(shí)管口劃傷電纜接頭;儀器下孔前先在地表試運(yùn)轉(zhuǎn)，確認(rèn)面板與電纜、電源的線路聯(lián)接無(wú)誤和儀器讀數(shù)基本正確后方可下入。

3．4．3．2 孔內(nèi)定向操作

下放儀器，校對(duì)儀器的測(cè)量深度以判斷儀器到位，測(cè)讀螺桿鉆的孔內(nèi)初始狀態(tài)，并計(jì)算其與初始安裝角的差值;用“蘑菇頭”掛上孔內(nèi)鉆桿，稍將鉆具提離孔底，按上步計(jì)算的差值轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，再次試讀，直到面板讀數(shù)等于或近似等于初始安裝角為止;夾緊鉆柱再次復(fù)讀儀器，認(rèn)定無(wú)誤后提升儀器;在地表引固定標(biāo)記到鉆柱頂部，合上主動(dòng)鉆桿，不使其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

3．4．3．3 操作注意事項(xiàng)

可通過(guò)電纜入井深度和儀器面板不變的讀數(shù)判斷是否入鍵。

3．4．4 定向鉆進(jìn)

3．4．4．1 鉆進(jìn)前準(zhǔn)備工作

將泵量調(diào)至螺桿鉆鉆進(jìn)所需擋位，開(kāi)泵對(duì)螺桿鉆進(jìn)行孔內(nèi)試運(yùn)轉(zhuǎn)。

3．4．4．2 定向鉆進(jìn)過(guò)程

(1)一般情況下的操作。對(duì)螺桿鉆施壓前鉆具必須懸離孔底0.1～0.2 m。開(kāi)泵驅(qū)動(dòng)螺桿鉆并待泵壓穩(wěn)定后緩慢下放鉆具至孔底，觀察到泵壓有一個(gè)微小的跳躍后維持軸壓10～15 s再給壓鉆進(jìn);

施壓分級(jí)進(jìn)行，建議0.5～1 kN為一級(jí)，過(guò)程必須緩慢均勻;

鉆進(jìn)時(shí)要嚴(yán)密注視鉆探儀表和鉆速的變化;

采用的泵量是160 L/min的額定排量檔(對(duì)應(yīng)的額定泵壓為10 MPa)，糾斜鉆進(jìn)時(shí)正常泵壓一般6.5 MPa左右;

由于地層變化不大，建議鉆速0.3～0.4 m/h為宜。

(2)分支鉆進(jìn)操作。開(kāi)泵，慢放鉆頭到孔底，0鉆壓維持一段時(shí)間后慢放鉆具1～2 cm，反復(fù)數(shù)次，直到可明確判斷已分出月牙形新孔底，再逐漸加大鉆壓;

由于分支鉆進(jìn)“拐點(diǎn)”的出現(xiàn)，判斷出已鉆開(kāi)新孔底后不可再長(zhǎng)鉆程鉆進(jìn)，否則鉆孔將出現(xiàn)強(qiáng)烈的“狗腿”彎，影響后續(xù)安全鉆進(jìn)。

(3)定向加接單根。主動(dòng)鉆桿打完后尚未完成設(shè)計(jì)的造斜工作量時(shí)，需加接單根繼續(xù)鉆進(jìn)(應(yīng)盡可能一次性配好機(jī)上余尺)，務(wù)必保持鉆桿柱的原有定向不發(fā)生變化。

3．4．4．3 操作注意事項(xiàng)

泵壓是反映螺桿鉆孔內(nèi)工況的重要依據(jù)，操作者必須時(shí)刻嚴(yán)密注視表頭，根據(jù)指針變化來(lái)調(diào)節(jié)鉆進(jìn)參數(shù)，如有異常，必須首先將鉆具提離孔底再做其他處理;

鉆進(jìn)過(guò)程中，要經(jīng)常檢查主動(dòng)鉆桿的劃線方向位置，如有偏轉(zhuǎn)應(yīng)及時(shí)糾正;

分支造斜后換常規(guī)鉆具穩(wěn)斜鉆進(jìn)前，應(yīng)用短鉆具聯(lián)接直徑略大于同級(jí)擴(kuò)孔器的錐形金剛石鉆頭修孔一次，以圓滑鉆孔軌跡。

3．4．5 鉆孔彎曲測(cè)量

與陀螺測(cè)斜儀常規(guī)測(cè)斜基本相同，僅是造斜鉆進(jìn)孔段應(yīng)每0.5 m為一個(gè)測(cè)程。

4 螺桿定向糾斜成果及意義

4．1 螺桿定向糾斜成果

朱溪礦區(qū)應(yīng)用螺桿定向鉆探技術(shù)糾斜，取得如下成果。

(1)采用螺桿定向鉆進(jìn)工藝完成ZK5407孔，歷經(jīng)17次糾斜(糾斜總進(jìn)尺47.80 m)，終孔孔深2047.60 m，終孔水平位移91.39 m，符合鉆孔在穿過(guò)主礦層后的終孔前水平位移＜100 m之地質(zhì)要求，同時(shí)避免了1641.70 m鉆探工作量的報(bào)廢，挽回直接經(jīng)濟(jì)損失約200萬(wàn)元。

(3)自1288.70 m開(kāi)始至1637.25 m結(jié)束的ZK5407孔糾斜，開(kāi)創(chuàng)了江西省地礦系統(tǒng)深孔螺桿定向鉆探先例，在全國(guó)地礦系統(tǒng)也不多見(jiàn)。

朱溪礦區(qū)深孔螺桿定向鉆探技術(shù)應(yīng)用研究的成功，將徹底解決常規(guī)鉆探工藝技術(shù)很難完全達(dá)到地質(zhì)方面對(duì)鉆孔彎曲度的超高要求(頂角允許均勻彎曲度＜3°/1000 m)這一技術(shù)難題，大大促進(jìn)地質(zhì)找礦工作質(zhì)量和效率的提升;同時(shí)，為礦區(qū)今后可能進(jìn)行分支定向鉆孔群的施工(可大幅度節(jié)約鉆探工作量和征地、修路、平機(jī)臺(tái)、搬遷等費(fèi)用)做好了理論和實(shí)踐準(zhǔn)備;第三，拓展了地質(zhì)鉆探工程的應(yīng)用范圍，使地質(zhì)鉆探技術(shù)在能源和可溶礦等探采領(lǐng)域有了更好利用的可能;第四，對(duì)地質(zhì)鉆探施工本身而言，也是一個(gè)重大的技術(shù)進(jìn)步，一旦發(fā)生嚴(yán)重孔內(nèi)事故很難處理時(shí)，應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)可避免鉆孔報(bào)廢重打而“側(cè)鉆”解決之。

4．2 螺桿定向糾斜意義

技術(shù)意義體現(xiàn)在糾正偏離設(shè)計(jì)要求的鉆孔軌跡，使孔斜或鉆孔截礦點(diǎn)滿足地質(zhì)勘探要求，以及避開(kāi)復(fù)雜的地形地勢(shì)或難以跨越的地下障礙、避開(kāi)復(fù)雜地層和難鉆進(jìn)地層順利施鉆的層面上。

經(jīng)濟(jì)意義體現(xiàn)在準(zhǔn)確揭露礦層及其邊界關(guān)系，為國(guó)家和礦山企業(yè)提供更為準(zhǔn)確的礦產(chǎn)儲(chǔ)量報(bào)告，和利用定向分支孔技術(shù)，在條件具備的礦區(qū)大幅度節(jié)約鉆探工作量的層面上。

對(duì)于2009年即被國(guó)務(wù)院列為第二批資源枯竭城市的景德鎮(zhèn)市，資源枯竭將嚴(yán)重制約該市的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，而朱溪礦區(qū)利用螺桿定向鉆進(jìn)工藝很好地滿足了地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，為該區(qū)找礦增儲(chǔ)起到明顯效果，將具有明顯的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

朱溪礦區(qū)ZK5407孔深孔螺桿定向鉆進(jìn)工藝應(yīng)用研究的成功，掌握螺桿鉆定向鉆探原理是基礎(chǔ)，設(shè)備器具配套和沖洗液達(dá)標(biāo)(泵量和泵壓2個(gè)指標(biāo)必須同時(shí)滿足螺桿鉆工作需要)是前提，確定施工方案和糾斜鉆進(jìn)各回次目標(biāo)是關(guān)鍵，準(zhǔn)確定向是難點(diǎn)，正確操作以完成預(yù)定的造斜強(qiáng)度和造斜進(jìn)尺是重點(diǎn)，及時(shí)多點(diǎn)連續(xù)精確測(cè)斜是保證。

毫無(wú)疑問(wèn)，朱溪礦區(qū)ZK5407孔深孔螺桿定向鉆進(jìn)還存在諸如施工設(shè)計(jì)方案欠優(yōu)選、配套儀器性能不穩(wěn)定、反扭轉(zhuǎn)角預(yù)估不準(zhǔn)確、造斜強(qiáng)度選擇非最優(yōu)、糾斜效率待提高、糾斜對(duì)鉆孔后續(xù)鉆進(jìn)影響不清楚等種種問(wèn)題，還需不斷學(xué)習(xí)—實(shí)踐—總結(jié)—再學(xué)習(xí)—再實(shí)踐。

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