绳索取心深孔偏心楔同径侧钻绕障技术实践

王红阳，罗永贵，腾新明

(河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院，河南洛阳471023)

偏心楔造斜技术，是岩心钻探施工中常用的侧钻方法。我院在招远市栾家河金矿区47ZK3孔一次深孔绳索取心事故处理中，采用偏心楔同径侧钻技术，在“落鱼”顶2257 m孔深实施侧钻绕障，甩掉事故。通过对偏心楔造斜技术的优化，简化了造斜程序，造斜可靠性进一步增强，使这一传统的侧钻技术，在处理绳索取心深孔事故中发挥着作用。

1 事故概况

招远市栾家河金矿区47ZK3孔，设计孔深2570 m，90°直孔，终孔口径≮75 mm;孔深650 m至终孔为77 mm口径绳索取心金刚石钻进;事故孔段钻遇岩石为绢英岩化花岗岩、绢英岩化花岗质碎裂岩，岩石可钻性级别9～10级，可钻性较差。

当该孔施工至孔深2297 m时，出现了钻具断落事故，“落鱼”含内外管总成，处理过程中又发生跑钻叠加事故，经处理后，“落鱼”顶上升至孔深2257 m。由于事故位置深度较大，起下大钻时间长，继续处理“落鱼”会耗费大量的台时，对该孔造成的经济损失增大。因此，确定不再继续纠缠事故，侧钻绕障，甩掉事故段。

2 侧钻方法选择

该事故孔侧钻的难点是事故深度大，“落鱼”顶孔深2257 m;事故孔段围岩以花岗岩为主，岩石较完整、坚硬，可钻性差;受设计终孔直径限制，不允许变径;侧钻分支后必须满足口径≮75 mm绳索取心正常钻进。据此，对常用的螺杆钻侧钻、LZ连续造斜器侧钻、钢球支撑侧钻、偏心楔侧钻等人工造斜技术方法进行比较，选择出适宜该事故的侧钻方法。

螺杆钻、LZ连续造斜器、钢球支撑等侧钻技术方法，虽具有无障碍物遗留的优点，但均需水泥营造人工孔底，且对水泥固结质量要求较高，在以往的硬岩造斜实践中，常因水泥强度与围岩强度差值较大，影响钻头的侧向力，而出现顺水泥柱而下的现象;另外，在2000余米的深孔中实施水泥灌注的可靠性和安全性较差，并且水泥灌注后的候凝时间和扫水泥柱时间较长，以致造斜周期过长。

偏心楔造斜虽然存在不易操作、有障碍遗留等问题，但其强制性造斜的优点适宜该孔坚硬花岗岩地层中造斜，若对偏心楔的固定方式及过斜面工艺加以改进，就能达到快速绕开事故的目的。根据该孔事故的侧钻难点以及地质设计对钻孔方位无特殊要求，确定侧钻方法选择为开口式偏心楔分支侧钻。

3 偏心楔设计与安装

3．1 偏心楔材料选择

由于侧钻孔段岩石坚硬，可钻性差，造斜钻进对楔面的铣磨量较大，以及侧钻分支后距终孔孔深尚有较多的进尺量，所以，偏心楔选取75 mm普通圆钢制作。

3．2 偏心楔参数确定

造斜孔段的钻孔弯曲强度应根据所用钻杆类型确定。根据相关资料，绳索取心钻杆允许的钻孔弯曲强度为0.2°～0.5°，考虑到偏心楔的制作难度，确定钻孔弯曲强度≯0.5°。

偏心楔斜度的近似计算如下:

φ=57D/L

式中:φ——偏心楔顶角，°;D——圆钢直径，mm;L——楔面长度，mm。

3．3 偏心楔制作(见图1)

图1 75mm开口式偏心楔

由于圆钢铣出楔面钻头弧度的难度较大，可将圆钢按设计顶角切开后(楔顶厚度≮6 mm)，在偏心楔楔面上按77 mm钻头弧度，铣出宽度为20 mm的浅槽，然后用手砂轮机沿弧形槽打磨成型;在偏心楔背面距楔顶1/3处，利用钻机油缸下压为弓形，使楔顶偏离圆钢轴线5～7 mm，其目的是偏心楔到位后，楔顶背面能够尽可能的贴向孔壁，以增大造斜钻头的初始工作空间，确保楔顶不受损。

3．4 偏心楔组合(见图2)

图2 偏心楔组合与固定示意图

(3)将偏心楔连接管底端切割出4～5个倒三角齿，形成齿筒状，其目的是偏心楔送至“落鱼”顶后，钻具重力使齿筒插入“落鱼”并变形，起到阻止偏心楔转动作用。

3．5 偏心楔送入

3．6 偏心楔固定

偏心楔固定是否可靠，是直接关系到偏心楔侧钻成败的关键程序。常规固定偏心楔的方法多采用水泥固结法，但由于该孔事故位置深度较大，考虑灌注水泥的成功率较低和灌注风险，以及封、扫水泥占用台时多等弊端，故采用整体加长偏心楔，直接将偏心楔坐在“落鱼”顶，通过偏心楔底的齿筒结构与卡料填充的方法固定偏心楔。

偏心楔送至“落鱼”顶后，在钻具重力和回转的作用下，偏心楔与钻具实现分离后，即通过钻杆向偏心楔投放卡料。选用焊条粒和粗砂作为混合卡料，即将焊条剪切成长度2 mm左右的粒状，粗砂以石英砂为主，粒径级配在1～3 mm之间，并经过筛选、清洗。混合卡料经钻杆内分若干次少量、缓慢地投放，并以泵冲送至偏心楔与孔壁环隙间。

4 造斜与分支孔钻进

4．1 造斜钻进

造斜钻具的组合及造斜钻头的选择是过楔面技术的关键。

4．1．1 造斜钻头选择

图3 锥形造斜钻头

式中:C——锥度比;D——钻头大端直径，mm;d——钻头小端直径，mm;L——锥体高度，mm。

4．1．2 造斜钻进参数

钻压和转速是造斜钻进的重要参数。初始阶段以小规程均匀造斜钻进，以防出现造斜急弯。随着造斜进尺的增加，克取孔壁岩石的面积增大，偏心楔厚度也趋于增厚，钻压和转速可随导斜钻进深度的增加而提高。

(1)钻压:楔面段钻进钻压为500～800 N;穿过偏心楔后钻压为800～1000 N。

(2)转速(XY－8型钻机):楔面段转速为79 r/min;穿过偏心楔后转速为137 r/min。

(3)泵量:90～100 L/min。

造斜钻进中，在距偏心楔顶1/3段，由于偏心楔壁较薄，钻进速度应控制在0.8～1 m/h，钻速过慢易造成钻头对楔面磨铣量过大，影响偏心楔强度。

4．1．3 造斜孔段长度

造斜钻进的深度即造斜孔段长度。造斜钻进的深度以满足分支孔钻进为宜，并满足分支孔初回次绳索取心钻进时，取心钻具总成处于偏心楔面以下的分支孔段内。本次造斜钻进共进尺5.4 m，即2237～2242.4 m，过楔面后分支孔进尺长度为2.5 m。

4．1．4 铰扩造斜孔

造斜孔完成后，需对造斜孔进行铰扩至分支钻进所需的口径。在绳索钻杆与锥形钻头之间加装单扩孔器(77.5 mm)进行铰扩造斜孔，不再延伸造斜孔。铰扩至造斜孔底后，反复提下钻具，确认无遇阻现象即可转入下一程序。

4．1．5 削磨“狗腿”弯

在偏心楔造斜过程中，虽然偏心楔斜面的顶角只有1.47°，但自造斜钻头在楔顶接触岩石钻进的同时，老孔与新孔间的孔壁上也会自然形成一个弯度，俗称“狗腿”弯。削磨“狗腿”弯的具体做法，是在锥形取心钻头与绳索取心钻杆之间安装5个77.5 mm扩孔器，连接成削磨钻具，削磨钻具下部用2个旧扩孔器，上部用3个新扩孔器。削磨钻具在距偏心楔顶上下各约2 m的范围内，反复扫磨30～40 min，消除或减缓“狗腿”弯，并利用锥形取心钻头钻进0.4 m，取出分支孔岩心，以验证造斜效果，至此，造斜钻进结束。

4．2 分支孔钻进

侧钻分支孔的关键是取心钻头和初回次取心钻具长度的确定。

(1)侧钻分支孔钻头为特制同心圆环齿绳索取心外锥钻头(见图4)。钻头设计外径76.5 mm，小端外径66 mm，锥体高度8 mm。由于钻头胎体外径为圆锥台体，且分支孔钻进钻头外径小于造斜孔径1 mm，所以在下钻过程中，钻头在其锥面的导入作用下，能够顺畅地通过偏心楔楔面，不至于在楔面上搁浅或损坏偏心楔。

图4 锥形取心钻头

(2)侧钻分支孔的初始阶段采用短钻具取心钻进，其目的是避免钻具处于偏心楔楔面上，扰动、磨损偏心楔;再者，为减少钻头的侧向力，控制钻孔弯曲度，是分支孔钻进初始阶段稳斜钻进的需要。绳索取心短钻具的总成长度，根据造斜孔段的长度确定。本次造斜孔段总长度为5.4 m，过楔面后的分支孔段长度为2.5 m，据此确定取心钻具外管总成长度为2.2 m，内管长度为0.9 m，内管长度加上扩孔器和钻头长度，则回次进尺≯1 m。使用短钻具钻进一个提大钻回次后，换回常规绳索取心钻具钻进。

5 侧钻绕障效果

(1)造斜周期短。在硬岩石中偏心楔侧钻，通常采用小一级口径过楔面钻进，即77 mm钻孔用60 mm口径钻出先导孔，再进行同级扩孔;绳索取心钻进则在绳索钻杆下部连接若干50 mm普通钻杆，采取逐回次加长粗径钻具的方法造斜钻进，程序较繁琐。本次偏心楔同径造斜实施过程中，通过对偏心楔造斜技术程序进行优化，简化了造斜程序，以71 mm绳索取心钻杆连接76 mm造斜钻头，直接同径造斜钻进，在2257 m事故孔深，坚硬花岗岩地层中，仅用5趟大钻(造斜钻进更换钻头一次)，计84个台时，便完成了造斜过程的4个工序，即送偏心楔;造斜钻进;铰扩造斜孔;削磨“狗腿”弯。

(2)偏心楔固定可靠。采用加长偏心楔体，混合卡料与楔体齿筒结构固定偏心楔的办法，操作简单，可靠;避免了水泥固定偏心楔耗时多、风险大的弊端。在造斜钻进、侧钻延伸分支孔过程中，均未出现偏心楔松动、扭转现象。

(4)47ZK3孔经侧钻后，终孔孔深2442.29 m，钻孔各项质量指标均满足了地质设计要求。

6 结语

偏心楔造斜的关键工序是固定偏心楔和过楔面技术。在实施过程中，对其关键工序的工艺技术进行优化，发挥其强制性造斜的优越性，快捷、可靠地在深孔硬岩中，实现绳索取心同径分支侧钻，绕开事故，减少事故对钻孔的经济损失。

［1］ 江天寿，周铁芳，等．受控定向钻探技术［M］．北京:地质出版社，1994．

［2］ 吴翔．受控定向钻进［R］．河南郑州:河南省地矿局钻探技术高级培训班，2010．

［3］ 何远东，高波，何远洪，等．绳索取心钢球偏斜技术原理及应用［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2010，37(4):37 －39．

［4］ 张文英，张廷茂，吴德军，等．侧钻技术在钻孔事故处理中的应用［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2011，38(6):10 －12．

［5］ 李光华．螺杆钻侧钻分支绕障技术处理绳索取心钻孔事故［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2011，38(11):32 －34．

［6］ 黄平．大村矿段钻孔下偏心楔补采煤心施工技术［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2011，38(3):26 －28，32．

［7］ 首照兵，卢文华，李跃成，等．71 mm同径开口式导斜楔偏斜(绕障)施工技术［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2012，39(10):36－39．

［8］ 罗晓斌，罗凯．偏心楔钻进技术的改进与应用［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2012，39(10):23 －25，31．