偏心楔鉆進技術的改進與應用

羅曉斌，羅凱

(1.江西核工業地質局二六一大隊，江西鷹潭 335000;2.江西核工業建工集團橋隧公司，江西鷹潭 335000）

偏心楔鉆進技術的改進與應用

羅曉斌1，羅凱2

(1.江西核工業地質局二六一大隊，江西鷹潭 335000;2.江西核工業建工集團橋隧公司，江西鷹潭 335000）

偏心楔是定向鉆進技術的一種方法和手段，偏心楔鉆進技術的關鍵工序是孔底架橋和在硬巖地層過楔面鉆進技術。通過生產、科研相結合，對液壓金屬孔底塞和金剛石鉆頭進行了改進研究，經過幾年的生產應用和3個鉆孔應用效果對比，取得了較好的效果。

偏心楔;定向鉆進;架橋;液壓金屬孔底塞;金剛石鉆頭

0 問題的提出

偏心楔是定向鉆進技術的一種方法和手段。近幾年，我們在鉆探施工實踐中，常遇到處理鉆孔糾斜、惡性孔內事故偏繞、人工分支定向孔的施工，均采用定向鉆進技術的偏心楔，而偏心楔鉆進的關鍵工序就是孔底架橋和在硬巖地層過楔面鉆進技術。

我們施工礦區所遇巖石以碎斑巖熔巖為主，巖石堅硬，可鉆性等級在8～10級。以往通常采用木塞或拋物(拋巖心或廢舊鉆桿）充填架橋，用鋼粒過楔面鉆進技術，因方法落后，存在諸多缺點，如:架橋不牢固，部位不準確;過楔面鉆進所用時間長;操作技術難度大，易發生孔內事故;對金剛石鉆進有隱患;需要專門進行撈渣等。

從20世紀80年代末開始，我們就開展了小口徑金剛石硬巖過楔面鉆進技術的研究工作，并取得了良好的研究成果，研究出液壓金屬孔底塞和金剛石引向擴孔過楔面鉆進技術，取代了以前架橋方法和鋼粒過楔面鉆進技術，并延用至今。但對當今的鉆探技術及鉆進效率來說，金剛石引向擴孔過楔面鉆進技術也存在以下缺點:液壓金屬孔底塞結構復雜，加工嚴格，制造成本高;過楔鉆頭容易損壞，壽命短;“狗腿”彎不易修理;過楔時間長，效率低等。

針對上述缺點，通過生產和科研相結合，我們進一步對金剛石硬巖過楔面鉆進技術進行了改進研究。經過幾年的生產應用，取得了較好的效果。

1 液壓金屬孔底塞結構的改進研究

孔底塞的作用是在固定的開孔點架橋，建立人工孔底。其目的是堵塞開孔點下部孔段，為固定式偏心楔(見圖1）安裝固定提供一個堅實的基底。

圖1 固定式偏心楔實物

我們從20世紀80年代末研制了一種液壓金屬孔底塞，很好地解決了木塞或拋物充填架橋存在的問題。但是，該孔底塞是由液壓傳動和金屬塞體2部分組成，其結構復雜，加工嚴格，制造成本高，況且液壓金屬孔底塞作為固定式偏心楔的基底，固定于孔中，不可取出重復利用。

通過研究分析，我們對液壓金屬孔底塞進行了改進，省掉了液壓傳動部分，加長了金屬塞體，如圖2所示。其主要由上接頭、鋼球、O形密封圈、卡瓦座(塞體）、卡瓦、脹體、緊固鐵絲、下接頭等部件組成。卡瓦限位在卡瓦座的長形槽內，卡瓦內錐面與脹體貼合，外面用鐵絲將卡瓦座、卡瓦、脹體緊固在一起。其工作原理是:將孔底塞用鉆桿送入孔內預定開孔點位置后，開泵送入水，由于鋼球和O形密封圈堵塞水道，泵壓逐漸增高，脹體向下滑行，擠壓卡瓦在卡瓦座的長形槽內向外張開，因卡瓦是內錐面，脹體是外錐面，與之貼合。當脹體滑動到一定位置時，卡瓦將固定鐵絲繃斷，卡瓦擠向孔壁;當脹體滑到最大位置時，露出泄荷孔，泵壓回落，此時卡瓦向外張開最大，并與孔壁卡緊。經過鉆桿加壓檢驗，鉆桿不再下移時，表明孔底塞被卡牢，架橋成功。

圖2 改進后的液壓孔底塞

經過近幾年30余次的施工應用，架橋成功率100%。該孔底塞結構簡單，卡瓦動作靈活，加工容易，架橋牢固，降低了成本，使用效果好。

2 金剛石鉆頭的改進

金剛石鉆頭是在硬巖過楔面鉆進技術的關鍵，其質量好壞直接影響到定向鉆進的應用效果。我們原來使用的是引向擴孔式孕鑲金剛石鉆頭，它是由過楔導向鉆頭和過楔擴孔鉆頭2部分組成，如圖3所示。在使用過程中發現，鉆頭特別是擴孔鉆頭易損壞，壽命短，對“狗腿”彎不能及時修理，過楔時間長，效率低，成本高。為此，我們對鉆頭進行了新的設計。

圖3 改進前引向擴孔式孕鑲金剛石鉆頭實物

新設計的鉆頭是半球體、圓錐體和圓柱體3個不同幾何體組合的鉆頭，如圖4所示。

圖4 改進后的金剛石鉆頭

外形結構:頂部是直徑為48.5 mm，中心為 12 mm通孔的半球體，半球體表面有4條水槽;中部為錐角3°，錐長200 mm的圓錐體;后部為直徑56.5 mm，長20 mm的圓柱體。從鉆頭頂部到圓柱體端部，分布4條電鍍金剛石帶。為減少磨削阻力及增強冷卻效果，每條金剛石帶間又開有一道水槽，水槽與剛體中心孔均有水眼相通。

各部分的作用:半球體的唇面具有良好的引向和穩定的開孔作用;錐體除了磨擴新孔的作用外，還具有磨削“狗腿”彎、修復楔面刮痕作用;柱體則起到修復孔壁、導正、穩定鉆進的功能;水槽的作用是冷卻排渣。

特點:根據生產應用效果分析，該鉆頭均為一次性連續過楔面，磨損小，使用壽命長，降低了成本;無須專門修理“狗腿“彎;過楔面鉆進連續性，沒有停鉆換鉆頭縮短了過楔時間，提高了鉆進效率。

3 應用實例分析

3.1 某礦床ZK62－12鉆孔

該鉆孔施工到420 m測斜時，測得該孔方位286°，傾角79.2°(設計方位260°、傾角79°），后用短鉆具糾斜，鉆至537 m時，方位不僅沒有糾回來，而且偏差更大，傾角還有上漂趨勢，此時在500 m測斜結果是:方位291°，傾角78.7°，不能滿足地質要求。因此，地質部門要求在500 m左右處糾斜，此段地層為碎斑熔巖，巖石堅硬巖段完全，適合下偏心楔糾斜。

經過2天的準備工作，在503 m處下孔底塞架橋成功后，送固定式偏心楔定向定位，楔頂離孔口500.8 m，再用鉆桿把引向磨削式電鍍金剛石鉆頭緩慢放下去，當遇阻下不去時，說明鉆頭已進入楔面與孔壁的V形空間，這時，提升鉆桿約200 mm，開啟鉆機低速擋，輕壓慢進磨合到底，持續磨合約5 min平穩后，調高一擋轉速，同樣輕壓慢進。隨著過楔面的延伸，逐漸增大鉆壓提高轉速。這樣鉆機連續工作近7 h，過楔進尺1.48 m，表明過楔鉆頭已穿過楔面(楔面長0.95 m），隨后起鉆進行楔面延伸鉆進。當孔深達到600 m時，經測斜檢查，方位275°，傾角79°，滿足地質要求，糾斜成功。

3.2 某礦床ZK68－17鉆孔

該鉆孔施工到592.5 m時，由于當時巖心較破碎，采取率極低，為了盡快穿過破碎段，采用單管鉆進，在鉆具不夠長度的情況下(鉆具只有5.95 m長），現場工人中途不起鉆加桿鉆進，一個回次進尺數達7.80 m，嚴重違反了操作規程，結果造成嚴重的燒鉆事故，燒毀鉆具長度達3.20 m。經過幾天的處理無果，決定下偏心楔進行繞孔處理。

從開始下孔底塞至分過楔面結束，過楔進尺1.23 m，過楔純鉆時間5 h 15 min，輔助時間為4 h 30 min。其中包括下孔底塞、偏心楔及定向定位、起下鉆等時間。

3.3 某礦床ZK58－18鉆孔

地質部門要求該孔在700 m位置進行定向分支孔ZK58－18－1鉆孔施工，設計方位279°，傾角80°。700 m測斜結果是:方位289°，傾角77.6°。在孔深713.32 m處架橋成功，經過7 h 40 min的下楔前準備及楔子定位工作，造斜孔段從709.49 m開始至711.49 m結束，過楔進尺2.00 m，過楔時間2 h 50 min。當孔深施工到725.85 m時，在720 m測斜結果是:方位273°，傾角80.2°，符合地質要求。

4 應用效果分析

改進研究前后的應用效果對比見表1。

表1 應用效果對比

應用效果對比分析如下:

(1）過楔面鉆進:過楔面純鉆時間平均為5 h，比改進前少用21 h，時效平均為0.39 m，比改進前提高0.34 m。

(2）糾斜結果:方位16°，傾角3.4°。

(3）鉆頭磨損:球面工作層磨耗1.5～0.7 mm，錐體表面磨損1～0.5 mm，柱體表面損耗0～0.4 mm，沒有掉塊缺損現象，鉆頭還可以繼續使用。而引向擴孔金剛石鉆頭每過一個楔面平均損耗鉆頭5套，每套鉆頭成本價800元。

(4）延伸鉆具分析:從0.5、1.5、2.5 m延伸鉆具外表看，除ZK62－12鉆孔0.5 m鉆具外管表面有幾條明顯刮痕外，其余的鉆具與正常鉆進時鉆具相同，沒有明顯刮痕，無鉆具折斷現象，這說明了過楔面鉆進時“狗腿”彎基本消除，偏出的新孔孔壁相對光滑完整。而改進前的鉆具，0.5 m鉆具經常折斷，其它鉆具刮痕明顯，說明了過楔面鉆進時“狗腿”彎沒有修理好，斜面上有臺階等。

5 結語

生產應用效果表明，偏心楔鉆進技術的改進具有以下優點:

(1）金屬孔底塞結構簡單，加工方便，成本低廉，架橋成功率高;

(2）鉆頭磨損小，一次性過楔鉆進，不用起鉆更換鉆頭，減少過楔輔助時間，降低了成本，提高了鉆進效率;

(3）在過楔面鉆進過程中，鉆頭的圓錐體能及時地擴孔，圓柱體修理孔壁，及時消除“狗腿”彎;

(4）孔壁光滑干凈，對延伸鉆具磨損小，孔內安全感強，事故率低等。

偏心楔鉆進技術目前是我們野外機臺較歡迎的一種定向鉆進技術，也是我們今后施工分支定向孔、定向糾斜和惡性孔內事故進行定向繞孔的有效技術手段。

［1］江天壽，周鐵芳，等.受控定向鉆探技術［M］.北京:地質出版社，1994.

［2］李世忠.鉆探工藝學(上）［M］.北京:地質出版社，1992.

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［5］李文林，羅曉斌.硬巖過楔面鉆進技術的進一步應用研究［Z］.2007.

Improvement on Eccentric Wedge Drilling Technology and the Application

LUO Xiao-bin，LUO Kai(1.261 Brigade，Jiangxi Nuclear Industry Geological Bureau，Yingtan Jiangxi 335000，China;2.Bridge and Tunnel Company，Jiangxi Nuclear Industry Construction Engineering Group，Yingtan Jiangxi 335000，China）

The wedge is a means and method for directional drilling technique，its main process is hole-bottom bridging and hard rock ground drilling technique by means of wedge.With the combination of construction and scientific research，improvement was made on the hydraulic type hole-bottom metal plug and diamond bit.Through the construction for years and compared the application effects of 3 boreholes，good results were obtained.

wedge;directional drilling;bridging;hydraulic type metal plug;diamond bit

P634.7

:A

:1672－7428(2012）10－0023－03

2012－06－06

羅曉斌(1962－），男(漢族），江西吉水人，江西核工業地質局二六一大隊工程師，探礦工程專業，從事鉆探生產與技術管理工作，江西省鷹潭市梅楓路4號6－308室，1540394318@qq.com。