钻探定向钻进技术

高胜军 陈丹（河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056000）

钻探定向钻进技术

高胜军 陈丹
（河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056000）

定向钻进技术是现代钻探与钻井工程领域大力发展的前沿性关键技术。定向钻进技术是现代钻探与钻井工程领域一次革命性变革，没有定向钻进技术作为支撑的钻探技术将成为一种落后的技术。定向钻进技术属于比较先进的钻探技术，由于其先进的功能和特点，目前在各类生产、施工和灾害救助中得到了广泛的应用，具有显著的经济效益和社会效益。本文对定向钻进的特点、发展、应用及关键技术进行了探讨。供同行参考，并希望同行给予宝贵的意见。

钻探 定向钻进 螺杆钻具

1 定向钻进的基本概念

定向钻进是利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求延伸钻到预定目标的一种钻进方法。也可解释成为了钻达到一个预定的地下目标，使井眼在特定方向偏斜的工艺和科学。

2 定向钻进技术的发展

随着我国深部找矿战略的实施，深部钻探所面临的勘探精度必将成为关键问题之一，定向钻进技术是精确控制钻孔轨迹及其中靶点必不可少的技术手段。哪些钻探单位拥有了先进的定向技术也就占领了钻探市场的前沿。

3 定向钻进技术的应用

定向钻进技术在钻探工程中应用及其广泛。

（1）钻孔纠斜；（2）补取岩矿芯；（3）绕过事故孔段或复杂孔段；（4）避开地面障碍；（5）一孔多分支；（6）勘探陡斜矿体；（7）煤层瓦斯抽放或煤层气开采；（8）矿山竖井特定位置区域水文地质与工程地质勘查；（9）开挖铺设地下管线。

4 定向钻进关键技术

4.1 钻孔轴线及其有关参数

钻孔轴线的空间要素包括：轴线上各点的顶角、方位角和孔深，靶点的垂深和水平位移，曲线段的曲率或弯曲强度，以及钻孔轴线的遇层角等。根据井眼轨迹的基本要素，就可以利用一定的计算方法，求出轨迹上每一点的空间坐标。

4.2 钻孔轨迹空间位置计算

钻孔轨迹空间位置计算的基本原理：将钻孔轴线分成若干小段，根据每一小段端点的测斜数据，将每一井段轴线看作为直线或曲线进行叠加计算。其计算方法有：全角全距法、全角半距法、均角全距法、曲率半径法、最小曲率法。

4.3 定向钻孔设计的原则

（1）满足定向孔施工目的和要求，据定向孔目的、用途选择合适的定向孔类型与钻孔轨迹形式。严格按照孔口位置、靶点位置、靶区范围、见矿遇层角等要求设计定向孔轴线。靶点和靶区，一般有地质部门给定；靶区形状大小与矿体和勘探网度有关；靶区范围，一般取靶点的偏线距、沿线距、偏高距分别为线距、孔距或标高距的1/4--l/5。

（2）选择合理的定向钻孔轴线的设计顺。

（3）充分利用地层的自然弯曲规律。

（4）选择易于钻进的钻孔轴线轨迹剖面型式。

（5）选择合适的造斜强度。

（6）选择恰当的造斜（分支）点。

（7）钻孔结构应考虑孔身剖面形状和造斜工具类型。

4.4 受控定向钻井（孔）轨迹设计

为了便于设计与施工，必须将井眼轨迹设计成最简单的形式，尽量将井眼轨迹设计成二维定向孔，当必须设计成三维定向孔时，亦应设计成平面型三维定向孔。井眼轴线轨迹在垂直平面内或在水平面内的钻孔称为二维孔，其中钻孔轴线在垂直平面的钻井应用最多，垂直平面内钻孔轴线轨迹有直线与曲线的多种组合，一般以直线——曲线——直线和直线——曲线——曲线型居多。

5 螺杆钻具

一般定向技术都是螺杆弯曲，采用螺杆钻具有以下特点：

（1）结构简单，动力机较短，易损件少，工作可靠。

（2）输出特性过载性能较高，通过改变定转子尺寸和结构参数，大幅度改变输出特性参数，且输出扭矩与钻压成正比，输出转速与流量成正比（200～800 r/min），在小流量工作时转速较低，因而钻头寿命较长，可用金刚石或硬质合金钻进。

（3）工作液体压力降小＜3 Mpa。

（4）在小尺寸时也能有较大的扭矩和功率；但其不耐高温，耐冲蚀性能较差。

（5）钻杆不转动，减少钻杆疲劳和磨损，钻杆折断事故减少。

（6）防止钻杆摩擦碰撞孔壁而造成的井径扩大，坍塌掉块及卡埋钻等井内事故。

（7）与高精度定向仪配合，可精确控制井眼轴线方向。

（8）对地层的适应性广。

（9）造斜强度均匀，可以根据需要任意调节。

（10）造斜方向和角度稳定。