陀螺定向技術在袁店二礦西風井凍結造孔工程中的應用

程錦亮，唐 林，周 峰

(安徽省煤田地質局水文勘探隊，安徽 宿州 234000)

袁店二礦西風井井筒深度440 m，井筒直徑5.5 m，表土層厚度為278.8 m，凍結深度350 m。布設三圈凍結孔，孔數79個，工程量19 540 m。主排孔19/19個，圈徑為15.2 m，開孔間距1.26 m，孔深為350/290 m；輔助孔18個，圈徑為11.5 m，開孔間距2.0 m，孔深為285 m；防片幫孔18個，圈徑10.1 m，開孔間距1.75 m，孔深為70 m。布設測溫孔3個，孔深分別為350、350和75 m；布設水文孔2個，孔深分別為32和183 m。鉆孔靶域半徑：表土段≤0.50 m，基巖段≤0.60 m;徑向內偏值：主排孔≤0.50 m，輔助孔≤0.40 m；主排孔最大終孔間距：表土段2.0 m，基巖段3.4 m。在施工過程中，主要靠陀螺定向技術來保證鉆孔質量，滿足施工技術要求。盡管陀螺定向技術已開展多年，但它是一項綜合性較強的工作，由于工作人員的新老交替，技術銜接不是很好，導致該技術工作往往處于被動局面。為了扭轉這種不利局面，需要我們不斷加強對陀螺定向技術的學習，要勤于思考，善于總結。下面對將陀螺定向在實際工作中所選用的技術參數、工作方法及操作要領進行介紹，以供參考。

1 陀螺定向的基本要求

1.1 儀器及操作應滿足的基本要求

本工程根據凍結工程質量要求，選用北京建井研究所生產地JDT-5A型陀螺測斜儀，定向儀選用陀螺定向儀。陀螺測斜儀性能參數見表1。

實際操作中，每次測井用經緯儀吊線，采集初始方位，降低肉眼吊線造成初始方位角誤差，確保每個孔斜軌跡的準確性和重合度，為定向工具面角度的計算提供可靠參數。

(1)定向儀性能可靠穩定，工具角度0°～360°轉動一圈顯示滿度。

(2)儀器外管母線用不同顏色膠帶做好標記,保證同定向靶槽口安裝準確，并固定可靠。

(3)定期檢查儀器漂移(動漂、靜漂)。

1.2 對螺桿鉆的要求

螺桿鉆是井下糾偏造斜的主要工具，工作原理是通過泥漿力作用使馬達轉動，帶動鉆頭旋轉，刻取巖石進尺。使用前，確認坐鍵是否被挪焊，挪焊后與母線角度差值的大小，鉆頭馬達工作是否正常，儀器坐鍵槽能否坐鍵，螺桿的整合情況和彎度角，各項性能是否符合要求。

在使用過程中，應嚴格按照《螺桿鉆具使用說明書》進行施工操作，避免不合理使用鉆具，降低螺桿鉆具定向的成功率[1]。

1.3 對泥漿、泥漿泵的要求

螺桿鉆對泥漿有著特殊要求，泥漿中固相含量過高，會加速螺桿鉆具橡膠的磨損，縮短使用壽命，降低定向成功率。因此泥漿應進行有效的分離凈化，盡可能降低固相含量，泥漿含砂量小于0.5%[2]。

泥漿泵用于輸送鉆進過程的泥漿液，作為螺桿定向進尺的動力源，必須具有足夠的泵量和較高的泵壓；保證進尺時孔底清潔；另外，泥漿泵在鉆孔孔壁與鉆具之間的環狀間隙一定的情況下，要保證沖洗液具有較高的上返流速，必須提高泵量。該工程選用TBW-850/50型泥漿泵，其性能參數如下：公稱流量為850 L/min,公稱壓力為5 MP，配用動力為90 kW。

2 陀螺定向對鉆具下放的要求

螺桿鉆具下放前，應先在井口做開泵實驗，確定螺桿能正常工作，各項功能符合要求后才能下放鉆具。

鉆具下放時，必須擰緊鉆桿的每一個接頭絲扣，準確丈量鉆具長度，避免深度誤差影響定向段高，降低定向糾偏效果；合理控制下放速度，防止下放速度過快導致泥漿迫使馬達倒轉，泥砂隨流體灌入堵塞螺桿，造成螺桿無法正常工作；下鉆過程遇阻，決不允許硬壓、劃眼，不能合鉆沖孔，應同時啟動鉆機、螺桿，泥漿泵低速運轉順孔，也可以用管鉗轉動鉆具一定角度再試，避免操作不當造成更大的事故，開出新孔，打破鄰近凍結管壁；下鉆結束，合上立軸，鉆具上提3～5 m做開泵實驗，確定螺桿能正常啟動，再下放鉆具至孔底，開泵沖孔，清理孔底。清孔結束，上提鉆具卸下立軸，墊叉卡住鉆具置于磨盤中，正常后下定向儀定向。

3 定向儀坐鍵實驗

定向儀器下放至孔底，絞車停穩2 min后，點擊坐鍵角測量2次，檢查儀器穩定性和重復性，并記錄測量數據。一切正常后，儀器上提30 m以上，開始第二次坐鍵并測量。連續坐鍵3次，3次方位角測量值誤差±5°時即可確認儀器坐鍵成功。

儀器坐鍵成功后，地面用管鉗轉動鉆桿至所需角度，然后上提下放鉆具3次，每次活動范圍2～4 m，待完成后測量坐鍵角。如果達不到要求，必須增加坐鍵實驗的次數，如果還不能吻合，必須查明原因，排除問題，然后重新定向。

4 定向方位角和定向段高確定

(1)定向方位角的確定。定向方位角的確定應充分結合設計技術要求和鉆孔的實際情況。鉆孔軌跡呈現偏距增加、方位增加的變化，可以采用測斜方位角增加180°，再結合孔深、鉆具長度適度增加反扭角來確定定向方位角；鉆孔軌跡如果呈現增偏距、減方位趨勢發展，可采用測斜方位反180°，結合實際孔深、鉆具長度適度減反扭角方法來確定方位角；如果鉆孔方位呈一個方向變化，軌跡偏距增加，一般直接選擇測斜方位反180°方位角來確定定向方位角。

(2)反扭角的確定。磨盤將螺桿從上部鎖死，正常工作時，鉆頭朝相反的方向上產生一個反作用力，反作用力使鉆具產生一定的扭轉變形，扭轉變形前后角度的差值稱為反扭角[2]，反扭角的大小隨孔深增減而隨之變化。實際操作中，為了確保定向角度的選取合理，定向效果明顯，必須反復驗算好反扭角的大小，并提前加入定向方位角中。影響反扭角的因素較多，如鉆孔軌跡本身的復雜程度，鉆孔的深度，鉆具的剛度、長度，鉆壓的大小，地層巖性的軟硬程度等都會對反扭角的大小產生影響[3]。

(3)定向段高的確定。下面以1.5°螺桿一小根鉆鋌定向，加一小根鉆鋌穩斜在袁二凍結工程中的實際應用為例。

對于頂角小于0.5°的定向段，定向段高的選擇應結合地層巖性軟硬程度合理確定，黏土層定向段高適合2～3 m；砂和砂質黏土層適度增加段高至4～5 m。頂角大于1°時，定向難度增大，可以增加定向段高，采用單根螺桿定向和一小根鉆鋌穩斜的方法；頂角較大的定向段，應根據角度的大小適度增加定向段高。

實際操作中，不同的巖性定向的成功率不同，尤其在砂層、風化破碎帶和黏土層定向后效果區別特別明顯：砂層、風化破碎帶定向鉆進，進尺速度快，穩斜效果差；泥巖、黏土層固結好，定向進尺速度慢，穩斜效果好。因此受巖層固結程度的影響，往往黏土層和泥巖的定向成功率更高。

5 穩斜和測斜

(1)穩斜。定向結束后的穩斜很關鍵。根據地層的軟硬決定鉆鋌的數量，如果在新地層適合一小根鉆鋌進尺，基巖段可以選擇兩小根鉆鋌進尺，避免影響定向效果。穩斜鉆進時鉆具給壓要小于正常進尺的壓力，結合地層參數適時調整壓力，待鉆進4～5 m后按正常壓力進尺鉆進。

(2)定向前測斜。開孔鉆進40～50 m進行一次測斜，測斜結束，根據數據分析鉆孔軌跡發展趨勢。如果正常，可以加大測井段長，減少測斜次數，增加鉆進時間。在淺部表土層，鉆孔偏距、頂角過大，一般采用掃孔、墊架子、移位、吊打等方法糾偏，且效果明顯。但在深部或進入基巖，上述方法就很難發揮作用，需要借助普遍使用的陀螺定向糾偏技術。

(3)定向后測斜。定向結束后，取出螺桿，下放鉆具，正常鉆進至進尺完殘尺。如果采用一小根鉆鋌鉆進，鉆進約10 m后進行測斜；采用2小根鉆鋌鉆進，待進尺20 m后再進行測斜。測斜儀器下放至底部應單點測量(方位、頂角)，根據測斜結果分析定向效果，并及時調整相關參數。

6 總結和體會

陀螺定向技術雖然已經應用多年，但其綜合性較強，技術要求較高，在實際操作中的干擾因素比較多。即使測斜儀器性能正常，數據采集結果準確，定向方位角選擇合理，但下放鉆具絲扣接頭如果有一個未擰緊，也可能會導致定向失敗；假如前面都做得很好，符合各項技術規范要求，定向時泥漿泵的泵壓泵量如果達不到要求，不能滿足螺桿定向進尺所需的動力，馬達轉速達不到，無法完全運轉，定向效果也會不理想；再假如鉆具接頭絲扣完好，泵壓泵量滿足要求，螺桿鉆具性能不好也會影響定向效果；還有鉆具深度丈量不準確，孔底沉淀，造成定向段高誤差，也會難以達到定向效果，所以想要做好陀螺定向工作，需要控制好每一個環節。對于定向工作人員，要求必須擁有扎實的技術功底，首先做好測斜工作，保證數據的準確可靠，能夠通過觀察測量數據結果判斷儀器的性能；懂得儀器的基本調試，確保不能因為不能判斷儀器性能而選取錯誤參數，造成更大事故，只有做到這些才能保證陀螺定向的圓滿成功。在此需要提醒大家的是，雖然不同地區定向參數大致相同，但想要取得更高的定向成功率，還需要結合工程實際，地層的軟硬差別，選擇合理的定向段高技術參數，工作人員還需勤于思考善于分析，對定向技術參數進行實時動態跟蹤、調整，從而不斷提高和完善。