黃婆巖礦區ZKH2901-1定向分支孔鉆探設計與施工

（江西省地質礦產勘查開發局贛西北大隊，江西 九江 332000）

1 概述

（1）礦區概況。黃婆巖礦區（以下簡稱礦區）位于江西省瑞昌市城區西北向直距約15km處，屬瑞昌市流莊鄉管轄。地理坐標：東經115°34′21.18″～115°35′36.55″，北緯29°47′32.20″～29°48′37.93″。礦區面積約1.13km2。

（2）礦區地層與地質設計。①礦區地層。本區內沉積蓋層發育，未見褶皺基底，出露地層為奧陶系至三疊系、古近系和第四系，缺失侏羅系、白堊系。地層沿北東和北東東方向帶狀分布。奧陶系由白云巖、頁巖、灰巖構成，分布于仙姑臺—銅嶺—柯家山一帶；志留系出露了中、下統，為一套淺海相砂頁巖，分布于寶山—大橋背斜兩翼和郎君山—丁家山背斜核部；泥盆系僅見上統五通組，為一套灰白色厚層狀含礫石英砂巖、砂礫巖，屬陸相碎屑巖建造，分布在背向斜交接部位；石炭系至三迭系上統（石炭系缺下統）主要為碳酸鹽類巖石，分布范圍較廣，屬淺海相碳酸鹽巖建造；古近系零星分布于桂林橋、丁家山一帶，屬河湖相紅色砂礫碎屑巖建造；第四系廣泛分布于江湖平原區，屬河湖相礫、砂、泥質碎屑建造。②地質設計。主孔ZKH2901，終孔孔深1518.29m，主要目的是在走向上追索已知銅礦體的延伸情況，探索巖體與灰巖接觸帶矽卡巖型銅礦的變化情況，鉆孔見及的主要巖性有：大理巖化灰巖、大理巖、燧石結核灰巖、含方解石脈大理巖化灰巖、矽卡巖化大理巖、矽卡巖、蝕變泥巖、含角巖化條帶大理巖化灰巖、角礫巖及花崗閃長斑巖。該孔黃銅礦化較好且常見，按照≥0.1%品位圈定銅礦化體，厚度1.90m～23.00m，共見16段礦化體，累計達96.50m。分支孔ZKH2901-1，主要目的是在走向上追索已知銅礦體的延伸情況，探索巖體與灰巖接觸帶矽卡巖型銅礦的變化情況。由于礦體陡峭，采用傳統斜孔鉆探需要超過25°以上的大頂角開孔且鉆孔孔深超過1700m，造成施工費用及難度極大。為了解決主要問題，我們考慮到應用螺桿定向鉆探施工技術，利用原施工的ZKH2901孔作為主孔進行鉆孔分支。

2 鉆孔設計

2.1 選擇造斜起始點以及造斜強度

造斜位置選擇地層相對穩定為原則，盡量避免孔內事故隱患，且造型強度易把控，根據主孔巖心情況，我們選擇550m的地方作為造斜起始點。造斜強度設定0.25度/米。

2.2 分支孔軌跡設計

開孔坐標X：3299673.000m，Y：39363307.000m，Z：132.000m；靶點坐標X：3299972.000m，Y：39363226.000m，Z：-1100.000m。

ZKH2901定向設計計算結果（均角全距法）：造斜強度：0.250度/米，造斜起點孔深：550.0m。穩斜段長度：646.243m；造斜段長度：106.408m。造斜段終點頂角：26.318度；造斜段終點方位角：19.109度。造斜段全彎曲角：26.602度，安裝角：198.913度，中靶孔深：1302.652m。

3 定向分支孔實施

3.1 鉆探設備、工器具及定向造型器具選擇

本次螺桿定向鉆探設備、工器具及定向造型器具主要有：XY-6N型鉆機及鉆塔；BW-250型泥漿泵；S75繩索取芯鉆桿、φ73×3無磁鉆桿，LHE2000型隨鉆測斜定向儀；絞車及電纜，65型4LZ-65-1°、55型4LZ-55-3-1°螺桿鉆具，造斜鉆頭等。

3.2 鉆前準備

①人造孔底。分支孔分叉點鉆進，必須“架橋”。為使導斜鉆進容易成功，盡量與周圍巖石強隊相當，水泥選用425#普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5。建造水泥橋工藝過程如下：將木塞下到580m位置（造型點位置在550m）按灌注100m左右水泥橋高度準備好水泥量配好水泥漿，采用泵送經鉆桿灌入孔內。24小時候開始掃孔取樣，確認凝固良好，掃孔至分叉點550m位置。②造型鉆進前準備注意事項。下入螺桿鉆前，必須確認孔內干凈、無殘留物，否則必須專門下鉆沖、撈或磨滅；清理循環系統，更換新鮮沖洗液；檢查高壓管線密封和聯接，檢查泥漿泵工作性能及泵壓表準確性和靈敏度；組裝螺桿鉆，記錄工具裝合差；在地表試對螺桿鉆進行運轉，記錄泥漿泵的排量、壓力和螺桿鉆的運轉情況；下鉆時逐根檢查鉆桿內的清潔和暢通情況，防止定向儀不入鍵或螺桿鉆轉子卡死；孔深和鉆桿數據必須準確以免誤判斷或誤操作，選擇單根配置合適的機上余尺；將鉆具下到離孔底0.1m～0.2m的位置稱重；將泵量調至螺桿鉆鉆進所需檔位，開泵對螺桿鉆進行孔內試運轉，再稱重并做記錄，同時記錄泥漿泵排量和壓力；對螺桿鉆孔內定向(定向操作事項下節敘述)，定向畢對鉆柱進行回轉制動；為保險起見，定向畢應在主動鉆桿上做醒目標記，以便鉆進時可對照地表固定參照物隨時觀察標記的位置是否發生變化。

3.3 造型鉆進

因為主孔是直孔，無法定方位，為了盡快在一個造型回次造出新孔，采用造型強隊較大的1°55型造型螺桿鉆具，下鉆至預定位置選用任意方向進行造型。當頂角達到3°以上即開始按預定方位定向造型。2015年3月5日開始初次造型，造斜長度12.5m，造型后測量結果：頂角5.5°、方位角341°。穩斜后第二次鉆進采用定向鉆進。

安裝角的確定：用螺桿鉆進行定向造型時，除了要正確選擇有一定角度的彎頭還必須去頂她們在孔內的安裝角，才能使鉆孔達到預定造斜要求。在施工過程中，由于地層改變及工藝技術的變化，孔身軌跡很難按原設計的軌跡延伸，所以每一個造斜回次結束后，都應根據鉆孔測量的結果來確定系一造斜回次的造斜安裝角。本次造斜既改變頂角又改變鉆孔方位角，采用全彎曲角γ計算γ=i＊l。關于反扭角：造斜鉆進時，孔內鉆桿承受螺桿鉆工作時產生的反扭矩，反扭矩將使鉆桿產生一個反扭角。如何確定反扭角是個復雜的問題，目前還沒有一個完全符合實際的理論公式。根據以往的經驗在孔深500m～600m，反扭角大致為10°～20°，故初次定向鉆進反扭角選15°，后面回次根據測量情況做適當調整。

3.4 螺桿鉆具的啟動與鉆進

①螺桿鉆具啟動前必須確保鉆頭離井底0.3m～0.6m以上，開動鉆井泵并記下立桿壓力表讀數，與計算的壓力值對比一下，如果超過水力計算的壓力數值也是正常的，這可能是鉆頭側鉆引起的。如果側鉆造成壓力升高的因素已掃除，循環壓力仍高于計算值，則可能是鉆頭水眼被堵或轉動軸被卡死，如果是這樣，此時循環壓力要比計算壓力高得多。②鉆頭提離井底時，如果循環壓力低于計算值，可能是旁通閥處于“開位”或鉆桿損壞、井漏等造成的。③首先開泵清理井底：尤其是打斜井，井底必須足夠“干凈”，因為井底堆積或沉淀的巖屑影響造斜。最好用正常的鉆井液循環清理，清理時也可慢慢轉動鉆具或鉆具分次轉動（每次轉動30°～40°），依次地把堆在井底的物體清理干凈。④清理干凈后，再把鉆具上提0.3m～0.6m，校對并記錄泵壓值，重新下入井底并慢慢施加鉆壓，馬達壓降增加，馬達扭矩與立桿壓力表壓值隨之升高，這個升高的壓力值應符合各型號鉆具規定的馬達壓降值，此壓力表增大的數值反映了馬達的負載是否正常，也反映鉆壓加的是否合適。因為打鉆泵壓=循環泵壓十馬達負載壓降，司鉆只要合理施加鉆壓，把立桿壓力表讀數限制在所選鉆具推薦范圍內就可以了。在鉆壓的選擇上應當注意，相同規格的螺桿鉆具在與牙輪鉆頭和PDC鉆頭配合使用時的額定鉆壓是不同的，一般使用PDC鉆頭的鉆壓較小。但無論使用什么樣的鉆頭都要以進尺率為依據，做到均勻送鉆，進尺慢時，徒勞地加大鉆壓只會使螺桿鉆具過早地損壞。

4 工作成果

（1）螺桿造斜成果。本次造斜由于受地層影響，且造斜段大，在易坍塌地層造斜施工困難需要反復護壁，需要多次采樣水泥固孔及泥漿護壁，影響了施工進度。具體造斜情況及中靶情況如表。根據測斜計算，分支孔在靶區范圍內滿足了地質要求。

表1 ZKH2901-1分支孔施工終孔測量數據

（2）地質成果。主要目的是在走向上追索已知銅礦體的延伸情況，探索巖體與灰巖接觸帶矽卡巖型銅礦的變化情況，鉆孔見及的主要巖性有：大理巖、碎裂巖、角礫巖、含燧石大理巖、蝕變泥巖、含方解石脈大理巖、矽卡巖化大理巖化灰巖、含石英脈大理巖化灰巖、含方解石脈大理巖化灰巖、花崗閃長斑巖、含燧石大理巖化灰巖、大理巖化灰巖等。該孔見一層花崗閃長斑巖，視厚14.90m，位置在659.78m～674.68m處。全孔巖石蝕變強烈，總體上強下弱，主要是大理巖化。

（3）經濟效益。本次螺桿定向鉆探施工的完成，節約了450m鉆探工作量，節省勘探投資50萬元并且少修了一個鉆探施工場地和運輸道路，避免了山林的破壞。

5 經驗總結

通過以黃婆巖ZKH2901-1定向分支孔的鉆探實施取得如下經驗和結論：糾偏成功與否，定向一定要準。要確保定向楔正常，理論上每次定向坐鍵工具面只可能出現一個數字，數字大小在2度左右變化都是正常情況。定向楔有問題就會出現兩組數字，大約相差180度，選錯數字定向就會反向。穩斜段一定要用短鉆具。短鉆具可以使鉆孔軌跡沿著糾偏方向走。而不至于出現穩斜方位變大的情況。同徑造斜，造斜強度較小。從數據反映來看，變化率較小。有時2m～3m數據都不變。沒有小口徑造斜直觀，明顯。建議盡量使用小一級口徑造斜。