定向工艺在大口径钻进中的应用

杨世杰

（龙煤地质勘探有限公司鹤岗地质队，黑龙江 鹤岗 154100）

定向钻进工艺30年代应用于石油钻井，经过70多年的发展，目前已经能够施工大位移、钻井技术不断完善，钻井技术不断完善。2012年我们成功造斜，完成双鸭山市新安煤矿瓦斯避难硐室救生钻孔轨迹修正。

1 定向钻进的发展

定向钻井是“使井眼在预定的方向偏转,钻到地下目标的科学和技术”,定向井技术广泛应用于各个领域的工程洞,定向钻井技术突飞猛进,在钻探施工发挥着极其重要的作用,尤其是定向钻井的优越性螺丝钻更明显,由于工程的需要，2011年，定向钻探技术在黑龙江地勘公司得到应用。

2 定向钻进工艺引进的前提

2011年，双鸭山地质队承担双鸭山分公司新安煤矿井下救生仓钻孔施工项目，钻孔设计深度为700m，由于矿方失误，地面坐标给定平距偏差8.75m，造成钻进至620m孔深时钻孔穿透至井下巷道，下部钻孔无法继续施工，已经完成的620m钻孔面临报废。

3 定向钻进设计

新安煤矿井下救生仓孔定向钻进是首先确定躲开井下已知巷道并留有3米安全距离，并能达到指定终孔靶点为目标点，反推造斜起始点坐标，保证造斜点孔斜度在1.5°～2°之间，尽量减少拐点弯度利于井管下入，钻孔轨迹设计是根据上述要求进行的，可抽象为已知空间一直线和直线外一点，可确定出空间的一个平面P，如将P平面设定为造斜工具对称面，则保持P面不动，钻孔轨迹必是该平面上的一条曲线。

4 定向前准备工作

定向井目的是造斜、增斜、稳斜、降斜，首先我们用素水泥（水灰比！：0.55）比重在1.75～1.80之间，素水泥浆泵注由535～450之间，达到一个细腻的稳定的定向空间，定向工作就在此段素水泥中进行，灌注过程要求由泥浆泵注入，配制过程中要求罐罐测其比重，以达到符合要求才泵注，泵注结束一周后，我们开始进行定向施工。

5 定向办法

定向井最重要的方面是高精度倾斜仪(单点光测斜仪)。指导准确偏斜轨迹。最常用的斜钻具组合是采用单弯螺杆和动态电机组合，用于定向偏转或扭体结构。该总成是用弯曲的次底钻、一种弹性扭矩力井下钻具(螺杆钻具或涡轮)驱动钻头侧边切割，从原钻孔轴线上钻出新的钻孔偏差，达到定向扭转或偏转方位角、定向钻削的目标，严格按要求加压，送钻要均匀。螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，其由传动轴总成、马达总成、万向轴总成、防掉总成和旁通阀总成五大部分组成。

6 定向钻具组合

采用以下钻具组合∶215.9mm钻头+165mm单弯螺杆+158.8mm无磁钻铤1+158.8mm钻铤3柱+89mm钻杆。

7 定向工艺过程

将螺钻、非磁性钻杆和钻头组装在一起，检查螺杆钻是否运行良好，是否起动和运行泵压力正常。偏转点击开始于473.8米,1.5度首先介绍了单弯螺杆,S2000钻机转盘的锁还在钻探过程中,单弯螺杆固定轴承,旋转电机产生转矩方向偏转这个阶段需要完成平稳缓慢渗透,在每次和钻杆记下单一弯曲方向,在添加钻杆之后将是一个单弯螺杆回到原来的方向,因为新安矿岩石硬,偏转点击形成稳定,可可性好的钻间隔。经过近10天的现场操作，我们逐渐进入了503米的岩石，524米完全进入了岩石。我们的团队成功地完成了这个方向井的施工工作。

8 定向测斜

定向井最重要的部分是使用高精度倾斜仪(单点摄影测斜仪)来指导精确的偏差轨迹。摄影测斜仪精密薄板和多点摄影测斜仪精度一般0.3°角误差,方位误差为0.5°。测斜仪测斜时，钟摆总是指向重力线的方向，重力和仪器轴线角度是指钟摆的角度偏离了记录的投影位置。井的测量摆角位于轴的垂直方向和仪器的轴线(井眼方向线)。井的垂直和水平面的交点是井斜线。在罗盘平面上摆的投影位置与罗盘的N极之间的夹角是井的方向角，如图1所示。(注∶在矿井中，罗盘方位与实际位置相反)。

图1 井下测量仪角度

胶片数据的读取∶圆形膜被清除，在地面上冲洗和阅读。当阅读角度值时，你应该通过垂直的线从同心环的中心画一条射线。这个井的角度是从中心到十字架的圆的数目，方位角是经过插入在周边的半径线中得到，胶片数据的读取井斜方位角NE48°，井斜角5°。

9 螺杆钻定向钻探装备及技术要求

9.1 钻机

钻机在螺杆钻钻进中的作用是提下钻具，控制钻压，也可用来固定钻柱周向转动。①由于螺杆钻的输出扭矩有限，要求钻机轴向施压平稳均匀，否则将导致螺杆钻制动，钻机应具备缓慢均匀的给进能力，同时应配备一定精度的孔底压力表。②一旦螺杆钻在孔内制动，要迅速卸除螺杆钻上的钻压，并迅速将钻具提离孔底，否则将可能破坏马达定子，因此要求钻机有迅速短距离提升钻具的能力。③螺杆钻定向钻进时，钻机的回转器与升降机均不用工作，如钻机给进系统与回转器，升降机动力分置，将大大节约能耗。

9.2 泥浆泵

螺杆钻工作需要较常规钻进更大泵排量，大排量介质在孔内循环必产生较正常钻进大得多的流动损失，介质通过螺杆钻时也会产生较大的压降，因此，相对于常规钻进来说，螺杆钻钻进对泥浆泵有更严格的要求。泥浆泵的额定排量大，额定压力高。螺杆钻要求泵送的动力介质流动稳定，否则就不能正常工作。泵压是判断孔内状况的重要参数，必须为泥浆泵配置灵敏度搞、分辨率大的泵压表。根据上述要求，我们选用BW-850/5-7泥浆泵，基本可以满足要求。

10 造斜件组合形式与工具面定向原理

所谓造斜件，即是组装在螺杆钻上能使钻头产生侧向力的器件，我们采用了可调或造斜件，锁定造斜角度（2.5°～1.75°之间），当上部钻压通过钻柱传至钻头，螺杆钻工作扭距通过造斜件组合传给钻头，而造斜件角度被锁定不动，从而完成造斜定向工作。

当螺旋钻是定向钻时，所有的钻柱只显示电机驱动轴和旋转钻头。的方向总是指向一个给定的钻头侧向力,侧向力主要取决于偏转外倾角的大小,在一定偏转回时间,造斜截面抗弯强度可以被看作是一个常数,这两个决定了钻孔基本上是一个空间的曲率半径是一个常数的平面圆形轨迹。

孔底造斜钻具的反扭距对安装角的影响，螺杆钻反扭转角是定向时必须考虑的一个因素，钻具的反向扭转，是因为开泵时螺杆马达定子对钻柱作用了一个与钻头回转方向相反的扭距产生的，因而带动造斜件朝反时针方向扭转一个角度，从而改变了造斜工具的原来安装角。

11 定向钻进工艺

准备工作。下入螺杆钻前首先下钻探明钻孔下部水泥封孔坚固情况，是否符合造斜所必须的水泥强度。泥浆采用水解聚丙烯酰胺(水解聚丙烯酰胺)，在混凝泥、劣质粘土、改善泥浆流动性、减少摩擦、提高钻井速度等方面进行钻屑。性能指标：粘度18～20S，PH值7～8；密度1.04～1.08，失水量30L/30min；含砂量〈1%。

加重钻铤选用Ø214mm、Ø178mm、Ø159mm。

钻头：为了便于定向造斜，根据螺杆钻和无磁钻廷直径，一开、选用Ø215.9mm三牙轮钻头。二开、选用Ø280mm扩孔钻头。三开、选用Ø320mm三牙轮扩孔钻头。①下入螺旋钻前，必须确认孔内干净，清理循环系统保证泥浆性能。②检查高压管密封和联结，检查泥浆泵工作性能及泵压表准确性和灵敏度。③组装螺杆钻，设定偏斜角度，锁死偏斜钻具。④螺旋钻在表面上进行了测试，记录了螺旋钻的位移、压力和运行情况。⑤下钻时逐根检查钻杆内的清洁和畅通情况，防止螺杆钻转子卡死。⑥将钻具下到孔底悬高孔底0.1m～0.2m的位置称重。将泵量调至螺杆钻钻进所需档位，开泵对螺杆钻进行试运转，同时记录泥浆泵的排量及压力。

12 结语

应用该项技术，2012年我们成功造斜，完成双鸭山市新安煤矿瓦斯623m进尺损失，并使定向钻进工艺得到引进。

参考文献

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[2]赵永哲,石智军,赵武强,莫海涛.高位水平长钻孔的定向工艺原理及应用[J].煤炭工程,2007(08)：52-54.

[3]张克福,傅恒志.高温材料定向工艺的模型化及数控研究[J].航空材料学报,1990(01)：34-37.