稀有金属 2006,(S2),158-161 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.s2.040
铜绿山矿盲主井钻孔受控定向钻进技术
大冶有色金属有限公司设计研究院 湖北黄石435005
摘 要：
在铜绿山矿深部开采盲主井工程地质勘探钻孔施工中, 通过采取安装技术、下套管及换径技术、满眼钻进技术、钻进工艺技术参数控制、测斜技术等一系列受控定向钻进技术措施, 配合使用KXZ-1A型数字测斜仪进行高精度钻孔测斜, 使钻孔一次成孔, 全孔偏斜率仅1.17%, 优于1.5%的设计要求, 满足了钻孔高垂直度质量要求, 为盲主井掘进提供了第一手准确地质资料。
关键词：
盲主井钻孔 ;定向钻进 ;满眼钻进 ;KXZ-1A型数字测斜仪 ;
中图分类号： TD231.6
收稿日期： 2006-07-20
Bores of Blind-Main-Well in Tonglüshan Mine Controlled Directed Drilling Technology
Abstract：
In geologic exploring bores construction of deep-exploiting the blind-main-well project in Tonglushan mine, bores are fulfilled once with the measures of installation technology, downward tube sheathed and diameter changing technology, full-drilling technology, and parameters′ control of drilling process technology, etc.in accordance with employing a KXZ-A digital gradiograph to deal with deviation surveying.The bore deviation rate is only 1.17% compared with the original design requirement of 1.5% and is meets the high verticality requirement.A first-hand correct material for its further exploitation and relatively good economic profits are gained.
Keyword：
bores in blind-main-well;directed drilling;full-drilling;KXZ-A digital gradiograph;
Received： 2006-07-20
大冶有色金属有限公司铜绿山铜铁矿深部开采盲主井工程是公司的重点工程, 由中国有色工程设计研究总院设计, 服务于铜绿山矿深部开采三期工程, 计划自-365 m中段巷道下掘一个盲主井 (竖井) 至-865 m中段。 为此设计了一个盲主井工程地质勘探钻孔, 目的是通过钻探手段超前了解盲主井所穿过岩层的工程、 水文地质情况, 指导盲主井的掘砌施工。 盲主井工程地质勘探钻孔设计深度502 m, 钻孔偏斜率要求控制在1.5%以内, 即终孔靶点应当落在以孔口中心的垂线为轴心、 半径7.53 m的圆柱体内。
1 盲主井钻孔受控定向钻进技术要求
一般地质勘探钻孔顶角允许弯曲度每100 m间距内不得超过2°, 随孔深加深可递增计算
[1 ,2 ]
, 502 m孔深控制顶角偏斜在 10°内即可, 相当于钻孔全孔偏斜率10.4%。 而盲主井钻孔允许偏斜率控制在1.5%以内, 仅相当于地质勘查钻孔的1/7, 允许终孔点偏距7.53 m, 相当于全孔偏斜顶角0.87°。 由此可见, 盲主井钻孔偏斜率技术要求是非常高的, 稍有不慎, 钻孔轨迹即偏出设计要求范围, 其提供的工程水文地质资料对盲主井掘砌将产生不良影响。
按我公司现有钻探技术工艺水平, 采用常规的钻探工艺及防孔斜措施是达不到盲主井钻孔偏斜率质量要求的。 控制钻孔偏斜率, 使钻孔朝设计轨迹受控定向钻进, 成为盲主井钻孔施工的重点和难点。
根据现有的技术和设备、 材料情况, 我们计划采取事前预防型的受控定向钻进技术, 采用先进的绳索取心金刚石钻进工艺配合一定的施工技术措施, 施工下向直线型定向孔
[3 ]
, 将盲主井钻孔轨迹控制在以孔口中心的垂线为轴心, 半径7.53 m的园柱体内, 钻孔最终偏斜率控制在1.5%以内, 达到钻孔施工偏斜率质量技术要求, 争取一次施工成功。 如果钻孔偏斜率实在达不到理想状态, 则采用螺杆钻定向钻进技术进行纠偏
[3 ,4 ]
。
2 钻孔施工工艺
盲主井钻孔施工现场位于铜绿山矿-365 m中段巷道内, 施工场地狭窄, 钻孔硐室高度仅10 m, 开孔即见火成岩, 所选施工设备为: 钻机: XY-4-3型液压钻机 (配高速机头) ; 水泵: BW250型泥浆泵; 取消钻塔, 自制吊式天车, 采用钢托座工字钢梁安装。 钻杆: Φ71 mm×5 mm绳索取心钻杆。 钻孔结构与钻进工艺: 孔深0～1.1 m, 采用Φ150 mm金刚石单管钻具钻进, 下入Φ146 mm套管; 孔深1.1～8.11 m, 采用Φ110 mm金刚石单管钻具钻进, 下入Φ108 mm套管; 孔深8.11～504.20 m, 采用先进的Φ75 mm金刚石绳索取心钻进工艺钻进至终孔。 钻进过程中停钻时涌水, 旋转钻具时漏水。 采用加聚丙烯酰胺300～500×10-4 %, 加皂化油3‰左右配制成无固相冲洗液冲孔, 顶漏钻进。
3 受控定向钻进技术措施
钻孔弯曲 (孔斜) 的原因有地质因素、 设备安装与开孔因素、 工艺技术因素等
[5 ,6 ]
。 地质因素的影响始终存在, 不可改变。 我们着重于后两个因素所致钻孔弯曲的控制和处理
[7 ,8 ,9 ]
, 采取了以下的受控定向钻进技术措施。
3.1 安装技术
在钻机安装过程中, 强调钻机基台水平, 钻机安装稳固、 周正、 水平, 天车轮中心、 立轴中心、 钻孔中心“三点成一线”。 以往一般使用水平尺确定钻机和基台水平, 用罗盘确定钻机立轴导管垂直。 考虑到存在钻机制造精度误差及安装误差, 罗盘读数误差较大, 我们采用垂线法确定钻机立轴导管垂直。 采用垂线法确定钻机立轴导管X、 Y方向近于垂直, 误差在0.2%以内, 可以保证开孔垂直度要求。 钻机设备方面, 使用的是一台新的千米钻机, 带上了下卡盘或稳定圈, 将主动钻杆固定在卡盘中心, 可以减少主动钻杆晃动, 保证主动钻杆的垂直度。
3.2 下套管及换径技术
盲主井钻孔开孔使用Φ150 mm金刚石单管钻具钻进1.1 m后, 用主动钻杆接岩心管接头再接Φ146 mm套管 (井口管) 下入孔内, Φ146 mm套管长1.4 m, 管外用水泥浆封固, 保证了井口套管的垂直度。
换用Φ110 mm口经金刚石单管钻具钻进时, 钻具前部为Φ110 mm金刚石单管钻具, 长0.5 m, 后部带Φ130 mm/Φ110 mm双动岩心管接头或Φ127 mm岩心管导向钻具作为导向管。 导向钻进0.5 m后, 逐步加长Φ108 mm岩心管至Φ110 mm口经钻进了3 m后, 换用Φ110 mm金刚石单管长钻具钻进至孔深8.11 m后, 下入Φ108 mm套管8.36 m。 套管外缠绕麻绳, 抹上黄油, 封好井口, 防止沉砂卡死。 Φ108 mm套管下好后, 换用Φ91 mm/Φ75 mm导向钻具钻进, Φ91 mm导向钻具长5 m, Φ75 mm金刚石钻具由0.5 m长逐级加长至4 m, 小径钻进4 m后, 再换用Φ75 mm绳索取心金刚石钻进至终孔。 通过逐级带导向管换径钻进, 保证了浅孔段钻孔的同心度与垂直度。 测斜结果显示, 孔深15.50 m时, 钻孔顶角0.12°, 偏心距0.016 m, 偏斜率仅0.103%, 是近乎垂直的很理想的结果。
3.3 满眼钻进技术
采用满眼钻进技术
[4 ,5 ,6 ]
, 可以最大限度地减少钻杆弯曲, 保证钻杆运行平稳, 偏斜力矩小, 从而减少钻孔弯曲可能, 防斜或稳斜, 提高钻孔垂直度。
此孔采用先进的绳索取心金刚石钻进工艺, 采用Φ75.5 mm金刚石扩孔器, Φ75 mm金刚石钻头, Φ73 mm岩心管, Φ71 mm绳索取心钻杆, 钻杆与孔壁单边间隙2.25㎜, 岩心管与孔壁单边间隙1.25㎜, 钻具级配合理, 达到了满眼效果。 最终测斜结果也证实此套满眼钻具有良好的防斜稳斜效果, 每100米顶角增加值0.2°～0.4°, 完全能满足盲主井钻孔偏斜率要求。 如果使用常规金刚石钻进工艺, 用Φ50 mm钻杆配Φ75 mm钻具或Φ91 mm钻具钻进, 达不到满眼效果, 是很难满足施工高垂直钻孔质量要求的。
3.4 钻进工艺技术参数控制
盲 主井钻孔所钻地层是火成岩, 可钻性7～9级, 部分达到10级, 孔深0～150 m比较破碎, 部分蚀变, 自下完Φ108 mm套管换用Φ75 mm绳索取心金刚石钻进后, 我们根据孔深及岩性变化, 及时调整钻进工艺技术参数, 各参数之间合理匹 配
[4 ]
。
孔深8.11～60 m, 钻进时以低压慢转为主, 钻压p =6000～8000 kN, 转速n =300～600 r·min-1 , 泵量Q =52～90 L·min-1 , 确保了浅孔段在孔深60 m时, 钻孔顶角控制在0.3°内, 偏心距0.197 m, 偏斜率0.33%, 为下一步加深钻孔起到了良好的导向作用。
孔深60 m以后, 适当调整了钻进工艺技术参数, 正常钻进, 钻压p =8000～12000 kN, 转速n =400～850 r·min-1 , 泵量Q =52～90 L·min-1 。
在孔深8.11～150 m范围内遇构造破碎带以及遇软硬互层地层时, 这种地层易导致钻孔弯曲, 钻进时以减压钻进为主, 强调及时取心, 尽快通过, 切忌盲目加压。 为了加强钻头的导向作用, 尽量选用同心圆尖齿型、 阶梯齿型金刚石钻头, 此种钻头掏槽效果好, 具有低钻压特点, 钻头运转平稳性好, 可以开高转速, 有利于防止孔斜, 特别是坚硬“打滑”地层钻进时可以避免因加压过大导致的钻孔弯曲。 做好金刚石钻头和扩孔器的排队使用。
3.5 测斜技术
为了控制钻孔偏斜率在允许的范围内, 必须了解钻孔在地下的空间形态及用数据表达其轨迹的三维空间走向, 要进行钻孔弯曲度测量即测斜
[2 ]
。 通过测斜了解钻孔轨迹, 确定是否调整钻进工艺技术参数或采用纠偏技术措施等, 及时指导钻孔施工。
我单位常用的钻孔测斜仪有JXY-2, KXP-1, XJL-42等型号, 利用悬锤原理测量顶角, 顶角测量分度值为2°, 精度误差2°。 这些仪器显然不能满足盲主井钻孔高精度测斜的要求。 为此, 新购进一台套KXZ-1A型数字测斜仪, 用于垂直或定向孔的顶角、 方位角、 孔深的高精度测量。 由于采用高精度两维顶角测量传感器, 分辨率达0.01°, 测量精度达±0.1°, 能精确测量钻孔的顶角。 测点深度间隔及测点数可任意选择, 提高了测量效率。 这套仪器可以满足盲主井钻孔高精度测斜要求。
在盲主井钻孔施工过程中, 孔深0～15 m段采用垂线法测量钻孔顶角, 以后每钻进20～30 m采用KXZ-1A型测斜仪测量一次方位角和顶角。 钻孔终孔深504.20 m, 用KXZ-1A型测斜仪对全孔每隔30 m左右复测了一次顶角和方位角, 测斜数据及数据处理结果见表1。
从表1可以看出, 钻孔终孔点顶角1.36°, 偏心距5.919 m, 偏斜率1.17%, 优于1.5%的要求, 满足了设计部门的要求。
表1 钻孔测斜数据及处理结果
Table 1 Drilling data and results
深度/m
顶角/ (°)
方位角/ (°)
偏心距/m
X /mY /mZ /m
15.500
0.12
256.43
0.016
-0.004
-0.016
15.500
30.470
0.25
199.52
0.063
-0.036
-0.052
30.470
60.480
0.30
192.33
0.197
-0.175
-0.091
60.480
90.160
0.54
185.21
0.409
-0.390
-0.124
90.195
120.200
0.56
187.60
0.694
-0.676
-0.157
120.197
150.040
0.40
257.93
0.920
-0.860
-0.326
150.036
180.270
0.57
224.10
1.127
-0.984
-0.550
180.265
210.180
0.58
254.83
1.395
-1.136
-0.809
210.174
240.140
0.65
261.99
1.645
-1.201
-1.124
240.132
270.010
0.76
246.55
1.968
-1.301
-1.477
270.000
300.070
0.71
256.60
2.328
-1.422
-1.843
300.057
330.230
0.90
246.63
2.732
-1.556
-2.245
330.214
360.120
0.92
261.06
3.185
-1.688
-2.701
360.101
390.410
1.08
276.57
3.649
-1.699
-3.230
390.386
420.250
1.21
280.43
4.145
-1.611
-3.820
420.220
450.210
1.37
270.92
4.749
-1.544
-4.491
450.172
480.200
1.35
278.87
5.407
-1.483
-5.200
480.154
495.140
1.36
282.32
5.726
-1.418
-5.547
495.090
504.200
1.36
282.32
5.919
-1.373
-5.757
504.147
4 结 语
1. 在铜绿山矿盲主井钻孔钻探施工中, 通过采取一系列受控定向钻进技术措施, 钻孔轨迹始终控制在设计要求范围内, 钻孔偏斜率1.17%, 优于1.5%的设计要求, 保证了钻孔的垂直度, 满足了设计部门的技术质量要求。
2. 使用KXZ-1A型数字测斜仪, 可以满足高精度钻孔测斜要求。
3. 通过开展此技术攻关, 由于技术措施得当, 避免了钻孔轨迹偏出设计范围, 免除了购置螺杆钻定向仪、 偏斜器等材料的开支
[1 ,9 ]
, 节省了支出近15万元, 节省了时间, 取得了较好的经济效益, 同时也提高了公司的钻探技术水平。
参考文献
[1] 胡辰光.钻探工程技术及标准规范实务全书[M].安徽文化音像出版社, 2003.
[2] 上海地质仪器厂.钻孔弯曲与测量[M].地质出版社, 1995.
[3] 江天寿, 周铁芳.受控定向钻探技术[M].地质出版社, 1994.
[4] 刘广志.金刚石钻探手册[M].地质出版社, 1991.
[5] 鄢泰林.岩土钻掘工程学[M].中国地质大学出版社, 2001.
[6] 向军文.定向钻井技术发展与展望[J].探矿工程, 1998, 168 (6) :24.
[7] 吴振青, 曾祥忠.应用钻探方法施工超深溜矿井吊罐孔[J].探矿工程, 1991, 123 (3) :38.
[8] 冯玉国, 王春毅, 刘荣新.竖井工程勘察孔施工技术[J].探矿工程, 1989, 112 (4) :32.
[9] 胡世彬, 刘兆平.我国首次完成全方位多分枝受控定向深孔钻探[J].探矿工程, 1989, 110 (2) :1.
