定向钻进技术在黑龙江金厂矿区的应用

谢宏军，索晓晶

(武警黄金第一支队，黑龙江 牡丹江 157021)

1 概述

金厂矿区位于黑龙江省东南部，老爷岭山脉东侧，山势陡峭，海拔高度300～1000 m，一般为400 m左右，最高峰为工作区东南部的通沟岭，海拔高度为1102.10 m，切割深度100～400 m，属中低山区，水系发育，主要有小绥芬河及其支流。区内地层出露面积约占全区面积的56%，岩浆活动强烈，侵入岩出露广泛，约占区域面积的44%，以中深成花岗岩类为主，岩石类型为石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩、碱长花岗岩，其次为辉石闪长岩、闪长岩等，主要呈岩基、岩株状产出。钻进过程中主要面临机械钻速低、搬家次数频繁、钻孔纠斜、钻井成本高等问题，严重影响了施工效率。

1.1 工程目的

该区主要以角砾岩型矿床为主，角砾岩体为重要的找矿标志，主要分布在闪长岩南北接触带附近。其中邢家沟区域内金矿体呈倾向南西的筒状产出，向西南方向侧伏。为掌握该区域矿体形态、产状、质量特征，了解矿床开采技术条件，采用定向钻进技术对区域矿(化)体多个方位的深部进行控制，再通过综合研究，总结矿区成矿规律，建立成矿模式，进一步指导地质找矿工作[1]。

1.2 定向钻进技术

定向钻进技术是主动控制钻孔轨迹，使其按预定曲线钻进命中目标靶区，从而取得特定地层的岩心，为地质人员研究矿体提供依据。该技术还可实现“一基多孔”的钻进模式，如伞状、蘑菇状等，可节约钻探工作量、勘探成本，缩短施工周期，尤其在深孔施工过程中具有重大意义;可有效地规避钻进难题，实现避障绕障技术及其他特殊目的。定向钻进属于高技术特种钻探范畴，是应用其他学科高新技术最为集中的专业技术。

1.3 钻孔基本情况

钻孔采用一基多孔，设计1个主孔，2个分支孔。主孔开孔顶角3°，方位40°，设计孔深550 m。分支孔一方位130°，靶点位置横向位移25 m，垂深430 m;分支孔二方位310°，设计孔深320 m，靶点位置横向位移18 m，垂深404 m。

2 影响定向钻进的主要因素分析

2.1 设备因素

(1)采用小口径立轴式XY－44型钻机，不能随钻测斜，上部回转部分易产生较大扭矩，方位易偏移;

(2)绳索取心钻进过程中，钻杆与孔壁的环状间隙小，大泵量冲洗液循环时不能及时释放压力，造成憋泵停钻，甚至泥浆泵损毁，且侧钻效果不明显;

(3)小口径绳索取心钻进工艺循环系统不能有效满足定向钻进的要求;

(4)钻杆的抗弯性韧性差，大弯度侧钻易折断。

2.2 地层因素

(1)区域岩层可钻性级别普遍偏高，定向侧钻困难;

(2)上部岩层较为破碎，不利于侧孔位置选择;

(3)矿体部分接触带为蚀变岩，泥化部分易水化，造成冲洗液固相含量高，不利于螺杆钻进。

(4)预计矿体厚度较薄，且不连续分布;宽度小，对轨迹的设计带来一定的困难。

3 钻探技术及施工工艺

3.1 主孔钻孔结构(见图1)

图1 钻孔结构图

(3)61.00～457.99 m，采用S75绳索取心工艺施工，76.5 mm钻头成孔。

3.2 定向分支方式的选择

同径分支可一次性钻出满足后续取心钻进的孔眼，在孔内条件许可的情况下应优先选用。异径分支的钻头较老孔小一级，造斜钻具轴线与老孔轴线的夹角在初始钻进时较大，钻头侧向力也因此较大，易于分出新孔。但异径分支结束后恢复孔径需带导向扩孔，不仅复杂了工作程序，也存在损坏侧钻段水泥楔的风险。且考虑该孔定向钻进的目的，须采用原绳索取心工艺采取岩心采样化验。所以本项目选择螺杆钻同径分支的方式。

3.3 轨迹设计(见图2)

图2 轨迹示意图

钻孔轨迹设计原则:(1)根据矿体厚度、宽度要求及靶点位置设计理想曲线;(2)由于区域岩层可钻性级别高，设计连续造斜弯度不能过大。

根据平均孔斜角法，认为两点间的侧段为一条直线，将测段上、下两测点的顶角平均值假设为整个测段的顶角值，将测段上、下两测点方位角平均值假设为整个测段的方位角值。两测点间的测段计算公式如下:

式中:ΔX1，2、ΔY1，2、ΔZ1，2——分别为南北方向增量、西东方向增量和垂深增量;θ1、θ2——上、下测点顶角;α1、α2——上、下测点方位角;ΔL1，2——上下测点间沿钻孔轴线的距离。

3.4 冲洗液的选择

由于绳索取心钻具与孔壁之间的环隙较小，且内管需通过钻杆柱中心下投。因此，在地层条件许可的情况下，应尽量采用清水加润滑剂做为冲洗液，如:皂化油冲洗液。这不仅有利于内岩心管在钻杆内的升降，也可使钻杆的旋转阻力减小，有利于高转速钻进。

但是在施工遇到的绿泥石化蚀变带，必须使用的膨润土配置低固相冲洗液才能有效地穿过复杂地层。针对地层的实际情况，结合以往施工经验，在实验室配置出了3种适应不同地层的冲洗液。

(1)细分散冲洗液，也称腐植酸钾冲洗液。主要配置材料为:优质膨润土、腐植酸钾、碳酸钠。性能指标:密度1.12 g/cm3，漏斗粘度22 s，失水量9 mL/30 min，pH 值 9[2]。该冲洗液能顺利携带钻井过程中产生的大颗粒岩屑，有效地保护孔壁的稳定。但容易在孔壁内部结泥皮，造成内管投放速度慢、打捞时间长或者打捞失败等问题，倘若不加润滑剂，钻速较低，回转阻力大。经过实践来看，比较适合在钻孔浅部300 m以浅使用。

(2)不分散低固相冲洗液(JC－1):由优质膨润土、聚丙烯酰胺、腐植酸钾和碳酸钠按一定比例配制而成。性能指标:密度1.02 g/cm3，漏斗粘度18.6 s，失水量8.5 mL/30 min，pH值8.5。该配方是基于聚丙烯酰胺溶液的护壁、絮凝和腐植酸钾溶液的降失水、抑制孔壁分散等作用配置的。该冲洗液具有粘度低、流动性能好，防塌护壁效果好等优点，主要适用于该区水敏性地层。在实际施工过程中有效地钻过了20 m长的水敏性地层。

(3)无固相冲洗液(JC－2):配方以植物胶为主，配以聚丙烯酰胺、纤维素、烧碱等材料。性能指标:密度1.01 g/cm3，漏斗粘度28 s，pH 值8.3。植物胶为非离子型高分子化合物，具有增粘护壁、减阻等特点，并且转速越高，减震效果越明显，震动越小越平稳，在同等条件下，比其它冲洗液钻进时转速可提高1～2挡。如果再加入适当的膨润土，可以有效地穿过绿泥石化蚀变带，保护孔壁的稳定性。

通过交替使用上述配方的冲洗液，在该孔的施工过程中取得了良好的效果，期间未发生过一次孔内事故。同时钻头的寿命比以往有了明显的提高，间接地降低了辅助时间，提高机械钻速。

3.5 钻进参数的选择

在实际钻进过程中，钻进规程的3个主要参数:钻压P、转速n和泵量Q。它们并不是单独起作用的，之间存在着交互影响。如果只是“单打一”地追求某个参数的最优值，而不考虑其交互影响，则不仅达不到高钻速低成本的效果，甚至可能导致相反的结果。对于绳索取心技术来说，选择适宜的钻进参数特别重要。

3.5.1 钻压的选择

钻压计算公式:

式中:P——钻压，kg;F——钻头环状克取面积，cm2;ρ——单位压力值，kg/cm2。

3.5.2 转速的选择

转速计算公式:

式中:n—转速，r/min;v—钻头圆周线速度，一般情况下为1.5～3.0 m/s;D——钻头直径，mm。

3.5.3 泵量的选择

泵量的计算公式:

式中:Q——冲洗液量，L/min;V——环状间隙内冲洗液上返流速，取1.2～1.5 m/s;F——钻孔环状断面面积[3]，cm2。

在生产实践中必须结合岩石性质、钻孔深度、钻头类型、冲洗液类型等因素，综合考虑选择最佳的钻进技术参数。对91 mm普通金刚石钻进，钻压9～10 kN，转速350～700 r/min，泵量 90～110 L/min;对75 mm金刚石绳索取心钻进，钻压8～9 kN，转速350～700 r/min，泵量60～90 L/min。

3.6 钻头的选择

根据岩层的特性及地质设计要求合理选择钻头的类型，是提高金刚石钻进效果获得好的技术经济指标，达到优质、高效、低耗的重要因素。金刚石钻头的技术参数、岩石性质及地层情况对钻进有重要影响，选取过程中一般把握以下原则。

软的、中硬和完整均质的硬岩层一般宜用表镶钻头;硬的、坚硬的和破碎的、软硬不均的、裂隙性和高研磨性岩层宜选用孕镶钻头。胎体硬度应根据岩层的研磨性、破碎程度、硬度、颗粒度等因素选择，其中主要因素为岩层研磨性和破碎程度。岩层研磨性强、破碎程度厉害、较软、颗粒度粗的选用硬胎体。岩层复杂、研磨性越强、越硬，选用的金刚石品级应越好，金刚石的粒度应越细。岩层强研磨性、较破碎、颗粒粗，选用浓度较高的胎体。岩层偏软、破碎、研磨性强，胎体偏硬，使用的是孕镶钻头，则钻头水口部位通水截面应大，宜采用多水口钻头。

在实际使用过程中，金刚石钻头、扩孔器要提前排队、轮换使用，再下入新钻头前必须进行初磨。

根据施工设计采用如下方案。

(1)0～6.00 m，第四系腐殖土、残坡积及农田堆积土层，用110 mm单管钻具施工，下108 mm套管，保证钻孔上部地层稳定。

(2)0～61.0 m，浅肉红色花岗岩及灰黑色斜长角闪岩，块状构造，局部高岭土化，岩石可钻性达到7～8级，用91 mm单管钻具施工，下89 mm套管，选用50目的人造金刚石孕镶钻头，胎体硬度为HRC35～38。

(3)61.00～457.99 m，花岗斑岩，斑状结构，块状构造，局部蚀变，高岭土化。其间多区段夹入灰黑色闪长岩，可钻性级别7～9级;采用S75绳索取心钻具施工，76.5 mm钻头成孔，选用60目的人造金刚石孕镶钻头，胎体硬度为HRC18～20。

(4)造斜孔段为角砾岩带，灰白～灰绿色，花岗质角砾，角砾状构造，块状结构，局部绿泥石化，可钻性级别7～8级。采用全面钻进钻头，不取心。选用76.5 mm人造金刚石孕镶钻头，胎体硬度为HRC25～35。

3.7 侧孔位置的选择

分支点位置的选择受地层因素、目的层位置以及后续工作的开展等因素影响。通过对主孔岩心编录，选择地层相对完整、岩层相对较软的孔段作为分支点的起始位置，这样有利于一次造斜成功。

在满足设计目标的前提下尽可能少重复钻孔工作量;主孔基本垂直，或地层造斜方向与纠斜方向基本一致，既可使新孔孔斜方向与老孔一致，避免造成拐点，也有利于快速分出新孔;岩石可钻性级别相对较低;地层基本完整，不易坍塌破碎，不易发生井内事故。

基于以上原则，结合主孔岩心资料分析，确定设计第一分支点在215～225 m，第二分支点:230～240 m，岩石的可钻性6～7级。

3.8 固井造底

主孔完成后需要封孔后钻进分支孔，由于地层岩性硬度高，固井质量要求水泥强度与围岩达到基本一致，这样才能保证一次性分支成功，避免重复开孔。结合该孔具体情况，固井主要步骤如下:

(1)下钻到270 m洗孔架桥;

(2)人工加水20桶(16 L/桶)，搅拌水泥500 kg，加速凝剂食盐3 kg和早强剂三乙酰胺2瓶;

(3)观测水位多次，等待孔内水位稳定到一定位置(该孔水位保持35 m左右);

(4)人工灌一定量水泥纯浆(根据钻孔孔径进行估算)，加一定量净砂或小石子(如100 kg)继续搅拌好水泥，将水泥全部灌完;

(5)灌16桶清水，然后钻机一挡提钻，提1立根灌1桶清水后，再提下一根，直到提完9个立根;

(6)静置72 h后试钻，当取心非常完整后，扫孔到指定孔深，开始侧钻分支孔。

3.9 技术措施和注意事项

3.9.1 技术措施

(1)为立轴钻机的回转部分做固定装置，防止分支钻进过程中方位发生改变。

(3)由于岩层可钻性级别高，侧钻形成新孔困难，在分支点上部较长区段10～15 m开始侧孔钻进，开始侧孔时使用较大弯度螺杆。

(5)由于使用全面不取心钻头钻进时，岩屑进入钻头水眼，堵塞钻头，导致冲洗液循环不畅，影响钻进效率，后期改进使用20～30 cm的定向双管短取心器(见图3)，钻进效率提高一倍，见表1。

图3 定向双管短取心器

表1 全面钻进造斜钻头与定向双管取心器工作效率对比

3.9.2 注意事项

(1)因不能随钻测斜，每次下入螺杆时应重新测定方位，并在孔口相应位置做好标记，根据上次方位适当进行修正。

(2)未出新孔前应轻压钻进，以防钻具沿原孔刻取水泥柱;出新孔后逐渐加压钻进。

(3)修孔时应低转速反复多次修磨，直到中高速可以运转，消除侧钻段与稳斜段及造斜段之间的拐点，使孔段光滑、孔径均匀，为绳索取心打好基础。

(4)绳索取心钻进下入钻具时应轻压慢转，逐渐加快转速、加大钻压直至钻进正常，切记少钻勤提，降低钻杆折断的几率。

(5)在钻进过程中遇堵、泵压升高，应立即上钻取心，切勿上下串动钻具后继续钻进。

4 钻探技术效果

该项目施工主孔1个，分支孔2个(见图4)，均在各自方向上穿过目标靶点，证实了该区域角砾岩筒形态不规则，产状较复杂，金赋存于角砾岩筒次级构造和围岩中矿化蚀变较强部位。该项目从工艺、地质效果、目的等方面都满足了设计要求，达到了预期的效果。

图4 钻孔轨迹示意图

5 结语

[1] 黄才启，刘良根.深部矿产勘探与受控定向钻进技术方法思考[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009，36(S1):122 －124.

[2] 王建伟，胡海鹏，索晓晶.金厂矿区复杂地层钻探施工技术与认识[J].地球，2013，(7):153 －154.

[3] 李平.广西栗木锡矿区深孔钻进工艺研究[J].矿产与地质，2009，23(4):384 －387.

[4] 赵广伟，段晓君，尹西君.金厂矿区钻探复杂地层综合治理探讨[J].中国西部科技，2010，09(32):12 －12.

[5] 向军文.定向钻进技术及其应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2007，34(9):28 －32，36.