江西九瑞地區復雜地層深部螺桿受控定向鉆探施工技術初探

郭 健

（江西省地質礦產勘查開發局贛西北大隊，江西 九江 332000）

1 地質條件

出露地層自南至北、自下而上依次為志留系中統羅惹坪組（S2l）、上統紗帽組（S3s）、泥盆系上統五通組（D3w）、石炭系中統黃龍組（C2h）、二疊系下統梁山組（P1l）棲霞組（P1q）、茅口組（P1m）上統龍潭組（P2l）、長興組（P2c）、三疊系下統大冶組（T1d）、中統嘉陵江組（T2j），第四系（Q）廣布于湖區及地表。

2 主要技術難點分析

九瑞礦區地質構造復雜，斷層發育。區內巖性具有如下特點：①水敏性地層：一是花崗閃長斑巖、煌斑巖由于長期受到地下水的影響巖脈呈強風化、全風化狀態，厚度一般3m～5m，最厚達56m；二是第三系泥質砂巖、泥質粉砂巖地層，加上成巖程度不高、強度較低而表現為孔壁坍塌。②漏失地層：一是裂隙、溶洞普遍存在，既有填充型也存在無填充型型裂隙、溶洞。深度100m～800m不等，漏失量一般較大。③多種復雜情況集與一孔：在鉆探施工過程中，經常一個鉆孔既遇到多層漏失又遇到多層巖脈，給鉆探施工帶來極大難度。

造斜段一般比較深。終孔孔深在500m～1200m不等，根據地層情況以及終孔靶點要求，造斜段都在300m以下，最深需要到700m以下，增加了造斜難度。

3 定向鉆探配備的機具及設備

螺桿鉆具：65型4LZ-65-3-1°，54型4LZ-54-3-0.75°；鉆頭：75型造斜鉆頭；隨鉆測斜定向儀：LHE2000型；絞車及電纜：北京六合偉業生產；無磁鉆桿：￠73mm無磁鉆桿3米；鉆機采用XY-44、XY-5、XY-6型立軸式鉆機，水泵：BW-250，BW-320型泥漿泵。

4 定向鉆探技術應用情況

武山南港礦區ZK96-2孔是我們施工的第一個鉆探分支孔，具有實驗和探索性質，該孔主孔情況：鉆孔設計孔深1250m，終孔孔深1307.95m。

4.1 確定造斜點

為穩妥起見，在下螺桿鉆具施工之前，先在地表上做了螺桿鉆具的測試，按照孔內連接方式在地面上接好各個部件，進行開泵實驗。

4.2 非定向偏斜實驗

目的：掌握螺桿鉆具施工操作、收集鉆進參數、測試偏斜效果。本次非定向偏斜進行了兩個回次，偏斜彎頭選用1°彎頭。在非定向階段螺桿鉆進共進行了三個回次。下圖1分別是第一回次和第二回次用繩索取出的巖心。

圖1 繩索取出的巖心

通過兩個回次的繩索取芯鉆進，取出巖心情況表明：掌握了螺桿鉆進的操作過程，能夠正常施工；彎頭具有偏斜作用，可以實時定向偏斜。

4.3 隨鉆定向偏斜實驗

目的：掌握隨鉆定向測斜儀的使用，采集定向偏斜鉆進偏斜相關數據，繪制定向偏斜鉆孔軌跡。

按照要求接無磁鉆桿，下放隨鉆定向測斜儀，進行隨鉆定向鉆進。偏斜彎頭選用1°彎頭，造斜方位280°，因鍵槽與彎頭角差是+42°，因此實際工具面角為238°，受控定向時只要隨時調整工具面角就可以達到。

4.4 實驗效果

通過螺桿鉆具偏斜及隨鉆定向偏斜兩個階段的鉆進實驗，我們成功的掌握了螺桿隨鉆定向技術，為下一步在礦區實現定向鉆探的應用打下了堅實的基礎做好了必要的技術儲備。

頂角造斜強度（389.97m～399.52m）=2.3/9.55=0.24°/m

螺桿鉆鉆進效率（389.97～399.52）=9.5m/15h=0.6m/h

5 技術分析及初步結論

5.1 螺桿鉆鉆進效率

螺桿鉆鉆進效率受到地層、鉆壓、沖洗液流量、泵壓等幾方面影響。由于采集的數據有限，本次實驗對于個鉆進參數對鉆進效率的影響沒有定量數據支撐，只能做一個定性的認識。

（1）需要的液體壓力.沖洗液在泵的作用下通過螺桿，鉆具在離開孔底的條件下自由轉動，如果排量不變，通過鉆具的泵壓也不變。當鉆頭接觸了孔底并加了鉆壓，則沖洗液壓力增加。該壓力增值與鉆壓增量成正比，這是鉆頭扭矩所必須的。當鉆壓繼續增大是泵壓也隨之增加，當達到最佳后，繼續增加鉆壓，泵壓也增加，但超過最大設計壓力時鉆進停止工作。以上情況可以通過圖表形式表述（350m～420m孔深）。

表1 螺桿鉆的泵壓參數情況

（2）鉆壓的影響。鉆壓的增加對于鉆進是需要的，從上表也可以看出，鉆壓有一個合理值，本次實驗在該孔深段，鉆壓約1000KG左右，超過這個值會使得螺桿回轉阻力增大最終停止工作，鉆壓過低影響施工效率。

（3）泵量的影響。由于螺桿鉆具屬于容積式馬達，其特點是輸出軸轉速與泵量成比例，但是螺桿馬達定子是有彈性材料制成的，每一種彈性材料黨的承壓能力是一定的，當輸出軸上的載荷達到一定值時，高壓液體將轉子與定子相互嚙合的封閉線撐開，造成液體漏失。

（4）基本結論。螺桿鉆進效率的影響主要取決于螺桿鉆具的鉆速和扭矩，在不考慮地層以及泥漿（比重、粘度等）、沖洗液沿路流量壓力損失因素的影響；泵壓直接影響螺桿鉆具的扭矩，因此，可以通過地表泵壓表的變化判斷鉆具的在孔內的工作情況。

5.2 受控定向鉆探

本次實驗由于條件受限，不可能考慮各種條件下不同情況分析，只能按照現有情況做一個分析。鉆孔彎曲主要受到地層、鉆孔頂角、鉆孔方位角、定向彎頭造斜強度、造斜下放鉆具的工具面角等因素影響，其表現形式是：造斜強度、頂角、方位角的變化。

影響造斜強度的因素是極其復雜的。造斜強度除與造斜工具自身的彎曲角度及其在鉆具上的安裝位置有關外，還與設備（泥漿泵）的性能、鉆桿的材質及外徑、鉆孔深淺、鉆孔頂角、方位角、定向鉆具參數（泵壓、泵量、鉆壓）、安裝角、地層條件及造斜孔徑等一系列因素有關。基于以上原因，我們不可能做到對造斜強度做一個定量分析，設計時更多的是憑經驗取得一個合理的范圍。