鱼刺型分支孔稳斜钻进试验研究

赵晓明 ，毕海涛

(1.华北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家庄 050000；2.河北省矿山地下水安全技术创新中心， 河北 石家庄 050000)

0 引言

矿山帷幕技术发展日趋成熟，成功治理矿山地下水患的实例越来越多。但随着矿山资源开采强度的进一步加大，开采难度逐步提高，出现了深埋矿体、裂隙发育特殊条件下的帷幕注浆工程，传统矿山止水帷幕钻探施工工艺不能解决上述技术难题[1]。

在传统帷幕注浆技术的基础上，以柔性钻杆为关键工具的井下组合器具及鱼刺型组合钻孔[2]的提出有效提高了地层高角度裂隙的揭露率，保证了浆液的扩散半径；增大了井巷内帷幕钻孔间距，保证了钻窝整体安全性。

随着该项工艺应用范围的扩大，在稳斜阶段，遇到破碎地层、软硬不均地层、地层频繁变化时，鱼刺型分支孔的稳斜效果大大降低，严重降低了成孔率，也增加了施工成本。在某注浆帷幕治水工程中，通过改进设备和调整工艺，有效保证了鱼刺型分支孔稳斜钻进阶段的钻孔斜度稳定性，提高了钻孔成孔率。

1 工程概况

某矿注浆帷幕治水工程位于云南省昭通市高山峡谷地区，地层主要以泥盆系白云岩、石炭系灰岩、二叠系茅口组灰岩和峨眉山玄武岩为主，强烈的地质运动造成了多条断裂构造穿过矿区。经过多年水文地质研究，查清了矿床的主要充水水源和通道的位置，因此采用帷幕注浆的方式解决矿山水害问题。帷幕采用鱼刺型分支孔+直孔的钻孔结构，直孔孔距为30 m，鱼刺型分支孔垂向孔距为30 m左右。

由于二叠系茅口灰岩裂隙较为发育，透水性较强，受早期地质作用，存在多条断层破碎带，钻孔坍塌、掉块现象时有发生，造成鱼刺型分支孔在稳斜钻进过程中难以保持钻进的顶角和方位角，并且钻探设备损伤严重，施工效率低下，为解决以上问题，特对其进行试验研究。

2 试验过程

2.1 柔性钻杆材质和热处理工艺

钻杆材质和热处理方式以42铬钼+加厚渗氮处理的形式较好[3]。为进一步提高柔性钻杆的使用寿命，降低施工成本，本次试验将材质更换为 20铬锰钛和20铬锰4。经过试制，发现用20铬锰钛材质时，球头的光洁度不能达到技术要求，同时经加厚渗氮热处理工艺后，硬度和耐磨性没有明显提高，因此20铬锰钛材质无法满足设计要求。20铬锰4材质在试件加工过程中表现较为良好，但在抗疲劳强度试验时其抗疲劳稳定性较差，无法满足设计要求。

通过上述试验，认为在 42铬钼材质条件下，采用渗氮和加厚渗氮热处理方式处理过的柔性钻杆的使用寿命较长，性价比较高。

2.2 柔性钻杆锁母限位结构改进试验

柔性钻杆主要由球头和球座两个部分构成，锁母是固定两个部分的重要零件。球头与球座的装合精度完全依靠锁母的松紧来实现。原设计球座限位部分丝扣较长（见图1（a）），有足够的行程用于锁母的调解。但装配过程在很大程度上受到人为因素的影响，造成装配成型的钻杆松紧不一，从而影响其使用。

图1 锁母限位设计改进[4]

针对以上情况，对锁母安装限位设计进行了改进。如图1（b）所示将球头与球座之间的接触精度进行了多个尺寸试验，同时进行了封闭性试压和钻杆活动范围试验，最终确定了最佳的精度。将球座的锁母丝扣设置为固定长度，装配过程中锁母拧紧至底端丝扣即可，无需人为调整其松紧。

经过改进后，2020年9月27日进场300节，共计60 m。完成鱼刺型钻孔10个，进尺325 m。目前未发生卡死现象，现有钻杆完好。通过此次改进，有效提高了柔性钻杆的使用寿命，降低了施工成本。

2.3 柔性钻杆弯曲角度改进试验

现有柔性钻杆的弯曲角度均为5°，通过对柔性钻杆在稳斜钻进中的受力分析，发现5°的柔性钻杆弯曲角度较大，导致穿越破碎地层时其本身的自由度会随之增加，钻孔的保直率会进一步下降。由此，将钻杆弯曲角度设为3°进行试验。

3°柔性钻杆的钻进试验情况见表1，由表1可以看出，3°柔性钻杆在破碎地层中具有一定的保直作用，但由于其本身弯曲角度较小，受破碎地层影响，极易导致弯曲过大，造成部分钻杆卡死报废，但在完整地层中具有良好的保直效果。考虑降低稳斜钻进过程中柔性钻杆本身的自由度，以控制稳斜钻进过程中钻杆的弯曲角度，提高钻孔的保直率。

表1 3°柔性钻杆试验

2.4 钻头试验

根据前期的研究成果，稳斜钻进钻头主要采用五翼PDC钻头和三牙轮钻头（见图2），并未针对不同地层条件下稳斜钻进过程中保直率进行研究。因此，本次研究主要针对两种钻头在不同地层中稳斜钻进的保直率进行试验，结果见表2。

图1是康明斯ISM440发动机制动特性曲线，制动功率随发动机转速的增加而增加，要最大限度地发挥发动机制动的效能，发动机必须保持高转速，同时制动降速又必须将变速器放在低档位，因此，发动机制动的低速特性突出。

图2 两种钻头形式[5]

表2 三牙轮钻头与PDC钻头钻孔试验成果

由表2中的12组试验结果可以看出，五翼PDC钻头在较为完整的地层中，可较好地保持原有的方位和顶角，施工效率较高，为0.7 m/h。在较为破碎的地层中，钻孔的偏差范围在1.78°～28.41°内，钻孔顶角变化不大，满足设计要求。同三牙轮钻头相比，钻孔方位偏差明显变小，具有较好的保直率。同样，钻孔施工效率相对较高，达到0.7～1.2 m/h。由此，可以得出如下结论：

（1）破碎地层中，两种钻头的施工效率相当，但 PDC钻头施工的钻孔方位偏差范围较小，钻孔保直率较高；

（2）由于两种钻头的工作原理不同，依靠切削钻进的 PDC钻头，钻杆震动较为严重，对柔性钻杆的使用寿命产生一定的影响，综合考虑，认为 PDC钻头适用于破碎地层中钻进，且保直效果较好。

2.5 钻具组合形式试验

在南部帷幕地层中对柔性钻杆+钻头和柔性钻杆+扶正器+钻头两种钻具组合形式（见图3）进行了试验。本次研究主要针对北部帷幕地层破碎带、岩溶裂隙发育的特点，进行两种钻具组合形式试验，确定其具体的适用性，试验结果见表3。

图3 钻具组合形式

表3 钻孔试验成果

由表3中的13组试验结果可以看出，柔性钻杆+扶正器+钻头在较为完整地层中，可较好地保持原有的方位和顶角，但施工效率较低，仅为 0.5～0.6 m/h。在破碎的地层中，钻孔的偏差范围在1.8°～11.87°内，保直率较高；施工效率在较完整地层中有所降低，为0.4～0.9 m/h。由此，可以得出结论：在破碎地层中，柔性钻杆+扶正器+钻头的组合形式其施工效率明显低于柔性钻杆+钻头的组合，但是柔性钻杆+扶正器+钻头的组合所施工钻孔方位偏差范围较小，钻孔保直率较高，有利于保持钻孔的方位和顶角。

2.6 钻探参数试验

钻探参数包括钻压、转速及泵量3个参数，针对北部帷幕地层经过多个分支孔施工，总结了一套针对于现场的钻探施工参数，见表4、表5。

表4 完整地层钻探参数

表5 破碎地层钻探参数

表6 BK80-4钻孔测斜数据

在破碎地层坍塌后的扫孔过程中，需将钻压降至1.0 t左右，泵量控制在600 L/min，转速控制在50 r/min。控制扫孔速度在0.5 m/h，并且需反复提升钻具确认孔内坍塌情况。

当遇地层由硬到软突变时，降低钻压至 1.2～1.5 t。这样可有效预防地层突变造成的钻孔角度变化。

当遇地层由软到硬突变时，需放缓钻进速度，降低钻压至 1.2～1.5 t、提高转速至 70 r/min，钻进3 m后，可适当提高钻压至2.0～2.5 t。这样可有效预防地层突变造成的钻孔角度变化。

在钻进过程中，发生别车现象时，需立即降低钻压至 0～0.2 t，转速降低至 20～30 r/min，反复针对别车部位进行扫孔，直至无别车显现后，方可继续钻进。

3 特殊地层的预防措施

北部帷幕地层较为复杂，主要以二叠系栖霞茅口灰岩和石炭系灰岩为主。由于早期地质作用，造成断层构造较为发育，使得层间存在多处破碎带；同时，灰岩地层裂隙发育，联通性强，形成大量泥质充填半充填的状态，为钻探带来极大的困难。钻探过程中常发生坍塌、涌砂现象，针对此情况，在项目研究过程中进行了相关试验，并取得了较好的效果。

3.1 泥浆护壁

选择适合的泥浆材料以保证泥浆性能是穿过破碎带的必要条件，针对破碎带的类型，综合现场各工程队的泥浆使用经验，选取的泥浆材料为 325目纳基膨润土、纤维素、磺化沥青等材料[6]，根据地层坍塌程度配置相应性能的泥浆。泥浆的比重在1.14～1.16 t/m3之间可起到较好的效果。

3.2 注浆处理

针对坍塌严重的钻孔，采用黏土水泥浆进行注浆处理，正常注浆后，钻孔坍塌程度有效降低，可继续进行剩余钻孔施工。工程实例的 BSK3-6钻孔施工至11.69 m处发生坍塌无法穿过，进行正常注浆处理，注浆压力为 6.79 MPa，注浆量为 97.07 m3。扫孔后正常钻进至终孔。BSK3-6钻孔轨迹见图4，注浆处理钻孔情况见表7。

表7 注浆处理钻孔情况统计

图4 BSK3-6钻孔轨迹

4 结论

本次试验研究找到了合理的设备材质 42铬钼钢材和加厚渗氮的热处理工艺，同时改进了钻杆结构，提高了钻杆的使用寿命；提出了破碎地层中最佳的钻头选用（PDC钻头）和钻具组合形式，以及稳斜钻进的钻探参数，有效保证了破碎地层、软硬突变地层中鱼刺型分支孔稳斜钻进的孔斜维持性，提高了钻孔施工效率，同时降低了钻探成本，取得了宝贵的施工经验，具有一定的推广意义。