河南省板厂矿区小直径螺杆钻定向纠斜技术

韩明耀， 柳硕林， 王朝晖， 许卫国， 郭 凯

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 郑州 450001)

螺杆钻定向钻探技术，在石油钻井等大口径钻探中，应用比较普遍，技术比较成熟，但在地质岩心钻探、煤炭地质勘查等小直径钻探施工中应用不多，主要原因是受钻孔口径制约，螺杆马达、定向仪器等须使用小直径，必然造成价格偏贵，性能稳定性较差；另外，对于钻孔空间轨迹的计算、造斜强度的选择、纠斜效率、对钻孔后续钻进的影响等问题，理论和实践差异较大，须进一步研究。

1 项目概况

河南省内乡县板厂一带多金属矿区位于伏牛山南麓，北秦岭褶皱带东段，黄花幔花岗岩体南侧之朱阳关-夏馆断裂带上[1]。其中ZK1403钻孔，设计孔深1800 m，设计勘探线方向20°，直孔，终孔直径≮76 mm。钻遇地层大致可分为上、中、下三个岩性段。上部岩性段主要为黑云斜长片麻岩，厚50～100 m，可钻性4～6级，研磨性较低。中部岩性段以白云石大理岩为主，中间夹部分绿帘石、绿泥石层，厚度40～80 m。下部岩性段为白云质大理岩，含石墨大理岩夹黑云斜长片麻岩等，厚度大于100 m，可钻性6～8级，中等研磨性。因岩层经历了多期次的变质、变形作用，区内不同时期、不同性质、不同规模的褶皱、断裂等构造十分发育[2]。质量要求按《地质岩心钻探规程》(DZ/T 0227-2010)6项指标，岩心采取率≮70%，矿心采取率>80%，顶角≯2°/100 m[3]。

钻孔结构：0～4 m，下Ø146 mm套管；0～14.60 m,下Ø127 mm套管；0～61.95 m,下Ø108 mm套管；0～559.00 m,下Ø89 mm套管；559.00～958.37 m,为Ø78.5 mm裸孔[4]。图1为ZK1403孔孔身结构示意图。

图1 ZK1403孔孔身结构Fig.1 Drilling structure of Hole ZK1403

钻孔施工至900 m后，尽管顶角符合规程中“在直孔施工中顶角偏差不应超过2°/100 m”的要求，但地质部门认为方位角偏差大，钻孔轴线偏离勘探线距离大，不能继续施工，经研究决定纠斜。通过XJL-42型罗盘钻孔测斜仪测斜，部分测斜结果见表1。

表1 ZK1403孔纠斜前部分测斜数据Table 1 Partial inclination survey data before deviationcorrection of Hole ZK1403

2 定向纠斜施工工艺

2.1 纠斜思路及方法选择

根据地质部门对钻孔轴线的形态及空间位置的要求，结合ZK1403钻孔实际情况，经充分了解国内小口径岩心钻探偏斜、纠斜及定向钻探施工经验，确定以下几点纠斜思路。

(1)纠斜位置：从孔深958.37 m处开始纠斜，该孔段非矿层，岩石较完整。

(2)纠斜口径：与原钻探口径保持一致，即Ø78.5 mm。

(3)同时纠方位角和顶角，以纠方位角为主。纠斜后方位角达到20°左右，顶角6°～7°。如果把钻孔顶角纠的太小，钻孔轴线接近铅垂线，下一步的钻探施工中，方位角变化不易控制。

(4)偏斜孔段宜平滑，控制方位角弯曲强度<10°/m，顶角弯曲强度<0.3°/m，保证下一步钻探施工时回转阻力小，能够正常钻进。

(5)及时测斜，检查纠斜效果，并依据测斜数据随时调整纠斜钻进各项参数。

根据纠斜思路，目前国内常用的偏心楔纠斜法，定向困难，不适用于纠斜工作量大的钻孔；连续造斜器法，定向不精确、误差大，且不适宜用于深孔造斜；使用小直径螺杆钻具纠斜，定向精确、钻孔轨迹可控且可连续造斜，能够满足需要[5-6]。

2.2 主要设备及仪器

设备使用XY-6N型液压立轴式岩心钻机和BW-300/16型泥浆泵。定向纠斜前，根据钻孔孔深、孔径等情况选择适宜的定向纠斜器具，分别为：

(1)Ø60 mm螺杆钻具，弯曲度1.25°。

(2)LHE-2115型有线随钻测斜仪和数字处理仪。

(3)Ø73 mm无磁钻铤9.05 m。

(4)专用通缆水龙头。

(5)Ø76.5 mm金刚石全面破碎钻头，Ø78.5 mm炮弹型修孔钻头。

2.3 定向纠斜施工工序

螺杆钻定向纠斜施工的工序主要有3个阶段：造斜钻进，扩孔钻进以及稳斜钻进。首先根据地质要求的靶点靶区进行施工方案的确定，整体框架为：

(1)确定纠斜方案后先进行清孔换浆。

(2)造斜段更换纠斜螺杆钻具，并在造斜点进行定向。

(3)定向完成后开始纠斜钻进。

(4)用大一级钻头扩孔钻进，目的是保证钻孔轨迹圆滑，方便以后安全钻进。

(5)扩孔后换钻具进行稳斜钻进，接入钻杆稳住造斜效果，防止产生回偏。

(6)多点连续精确测斜，保证实际纠斜效果满足预期目标，实时监测纠斜效果。

(7)继续下入螺杆钻具定向、纠斜、扩孔、稳斜、测斜，直到纠斜作业满足地质要求的靶点靶区。

2.4 定向纠斜前准备工作

2.4.1 螺杆钻具定向造斜钻进冲洗液的选择

针对本矿区地层较为复杂、破碎的特点，纠斜钻进工程中选用细分散低固相泥浆[7]。螺杆钻具造斜时的冲洗介质应满足以下几点要求：

(1)为了保护井壁已形成的泥皮并携带钻屑，粘度不宜过小；冲洗液循环使用时需要进行沉淀和过滤处理，因此粘度也不宜过大。

(2)含砂量<0.5%，颗粒直径<0.3 mm。

(3)尽量降低冲洗液密度，减少固相含量。

冲洗液配方为：2%膨润土+0.1%～0.15%纯碱+1%植物胶+1%腐植酸钾+0.1%聚丙烯酸钾。冲洗液性能为：粘度25 s，密度1.01 g/cm3，失水量9 mL/30 min，pH值8，含砂量0.2%。该冲洗液在实际使用过程中，防塌护壁效果良好[8]。

2.4.2 工具安装角的确定

螺杆钻具在钻孔底部的安装角度不同，钻孔顶角和方位角的变化也不同，直接影响偏斜效果[9]。目前安装角的确定已有相应的计算法和图解法，本文采用较为精确的计算法来确定。

工具面角=理论计算安装角+反扭角

理论计算安装角确定：

式中：β——理论计算安装角；Δα——纠斜前后方位角的变量；θ1、θ2——纠斜前、后顶角。

反扭角取决于钻压、钻杆类型和长度。根据经验可知，大规格螺杆钻的反扭角较大，粗钻杆反扭角较小。根据该孔钻遇地层，为达到同时降低方位角和顶角的目的，安装角应设定在180°～270°；考虑优先降低方位角，设计初始安装角250°。

2.4.3 下钻前的检查工作

(1)地面检查：检查螺杆钻能否正常工作，旁通阀是否完好，检查轴承间隙等，试运转后方可下钻。

(2)检查定向键是否与螺杆钻具的高边工具面在同一平面内，仔细丈量记录定向母线逆时针超前定向键的工具装合差。

(3)每个连接丝扣处，都要缠生胶带密封，丝扣拧紧，避免因漏水造成螺杆钻动力不足。

2.5 纠斜钻具组合和钻进参数

2.5.1 钻具组合

纠斜钻进过程分为造斜钻进、扩孔钻进和稳斜钻进。各工序的钻具组合如下。

造斜钻进钻具组合：Ø76.5 mm全面破碎金刚石钻头+1.25°螺杆钻具+Ø50 mm钻杆4.51 m+Ø73 mm无磁钻铤9.05 m+Ø71 mm绳索取心钻杆+主动钻杆。

扩孔钻进钻具组合：Ø78.5 mm“炮弹”钻头+Ø50 mm钻杆4.51 m +Ø71 mm绳索取心钻杆+主动钻杆。

稳斜钻进钻具组合：Ø78.5 mm“炮弹”钻头+Ø73 mm绳索取心钻具5.50 m +Ø71 mm绳索取心钻杆+主动钻杆。

2.5.2 纠斜钻进工艺参数

(1)纠斜钻压：钻具下到孔底，使用小钻压，正常进尺后，逐渐加大钻压。结合螺杆钻具的工作压力和Ø76 mm绳索取心钻进对钻压的要求，纠斜钻压5～10 kN。

(2)纠斜泵量泵压：使用BW-300/16型泥浆泵慢Ⅲ挡或快Ⅲ挡，额定泵量115～ 155 L/min，额定泵压6～9 MPa[9]。

(3)修孔钻进工艺参数：修孔钻进时，轻压慢转小泵量，防止因钻具回转阻力过大而憋车。钻机、泥浆泵都用Ⅰ挡，钻压1～2 kN。

3 纠斜过程

3.1 操作注意事项

(1)控制下钻速度，防止冲洗液从钻头进入，造成螺杆钻具因反转而损坏。

(2)及时向钻杆内回灌冲洗液，防止岩粉因负压从旁通阀进入螺杆钻具。

(3)接近孔底时，上下反复提拉钻具，使整个钻杆柱自由下垂，消除虚假反扭转角对计算工具面角的影响[10-11]。

3.2 孔内定向操作

定向系统如图2所示。测斜仪探管穿过钻杆，下部插入定向接头的定向键，测量时，传递顶角、方位角、工具面角等参数。通过调整螺杆钻具工具面角，使造斜钻头沿着设计钻孔轨迹前进。如果实施过程中，钻孔轨迹与设计偏差过大，可将超差孔段用

图2 定向系统图Fig.2 Schematic diagram of directional deviation correction

水泥进行封堵，在孔底实施新的侧钻。

定向操作步骤如下：

(1)螺杆钻具下到孔底后，开泵循环30 min，然后关泵，卸开主动钻杆，用电缆将随钻测斜仪下入钻杆内，使定向鞋上的定向槽坐在定向键上，再连接绳索取心钻杆和主动钻杆，可从LHE-2115型数字处理仪上直接读出钻孔顶角、方位角和工具面角数值。

(2)为保证定向槽坐在定向键上，应提起、放下随钻测斜仪不少于3次，且每一次数字处理仪上显示的数据一致或非常接近。

(3)钻具接近孔底时，用管钳顺时针转动钻机立轴，直到LHE-2115型数字处理仪上显示的工具面角与实际采用的安装角一致，定向成功。纠斜钻进过程中，始终认真观察仪器显示的工具面角，随时调整，保持钻孔轨迹按预定方向延伸[12]。

3.3 纠斜过程简述

纠斜钻进第1回次，实际采用的安装角读数313°。水泵使用快Ⅲ挡，额定泵量155 L/min，下钻到孔底泵压5 MPa, 纠斜钻进泵压6.5 MPa, 起钻前最大泵压9 MPa, 判断是岩心岩屑堵塞了钻头水眼。纠斜钻进过程中，时刻观察泵压表，通过泵压变化，判断螺杆钻工作状况。本回次螺杆钻在孔底工作14 h，在偏斜点上下顺滑钻孔，用时较长，纠斜孔段958.37 ～959.47 m，进尺1.10 m。

起钻检查螺杆钻具，第2回次钻进4.35 m，第3回次进尺7.35 m。螺杆钻纠斜钻进12.80 m后，使用炮弹钻头修孔，顺滑钻孔。

为减小造斜强度，保障下一步钻探施工安全，第4回次使用绳索取心钻具，进尺4.60 m。第5回次螺杆钻纠斜钻进6.11 m，第6回次绳索取心钻进11.69 m，第7回次螺杆钻纠斜，进尺6.50 m。详见表2。

表2 ZK1403孔纠斜钻进统计Table 2 Statistics of deviation correction drilling in Hole ZK1403

3.4 修孔方法及注意事项

纠斜完成后修整孔壁，使钻孔轨迹顺滑，以利于下一步绳索取心钻进施工。使用炮弹钻头修孔，钻头最大外径78.5 mm，保径部分长度≮150 mm。

修孔分两步进行，第一步使用炮弹钻头连接绳取钻杆，扫孔到底；第二步，炮弹钻头连接绳索取心钻具，再连接绳取钻杆，扫孔到底。来回多次修整纠斜孔段，以圆滑钻孔轨迹，确保钻孔顺畅，避免下一步绳索取心钻进时，因孔内阻力大而憋车[13]。

4 螺杆钻定向纠斜成果

ZK1403孔共纠斜钻进5次，纠斜进尺25.41 m。在孔深1100 m处测斜，钻孔顶角从10°降到7°，方位角从143°降到18°，满足地质要求，后续钻探施工正常开展，没有因为钻孔轨迹的改变影响绳索取心钻进施工。纠斜过程中及纠斜后，使用XJL-42型罗盘钻孔测斜仪测孔斜，结果见图3。

5 经验体会

(1)螺杆钻定向钻探技术，可以满足地质部门对钻孔空间轨迹的较高要求，准确揭露矿层位置及其边界关系，保证储量报告的精确性，从而促进地质找矿工作质量和效率[14-15]。

(2)钻探施工过程中，钻遇复杂地层难以穿越或发生孔内事故时，可以使用螺杆钻定向技术，侧钻分支孔绕障。

(3)随钻测斜可随时监控螺杆钻具的安装角，控制钻孔轨迹。但是孔底与测斜仪存在距离差，ZK1403孔测斜滞后8.50 m，未能及时掌握钻孔底部孔斜参数。

图3 ZK1403钻孔孔斜图
Fig.3DeviationofHoleZK1403

(4)本次纠斜，在螺杆钻具和无磁钻铤之间，连接了一根4.51 m 长的Ø50 mm钻杆，目的是利用Ø50 mm钻杆柔韧性，利于钻孔偏斜；但是降低了造斜强度，纠斜钻进用时较长。

(5)炮弹钻头修孔钻进顺利，主要原因是纠斜钻进时，选用的全面破碎钻头外径大，达到76.5 mm，磨损后更换及时。

(6)从钻孔轨迹看，方位角减小后，使用绳索取心钻进，方位角仍然有继续减小的趋势。今后的螺杆钻纠斜钻进，应充分考虑这一趋势，不可纠斜过度。

6 结语

板厂矿区ZK1403孔小直径螺杆定向钻进工艺应用研究的成功，配套达标设备器具及冲洗液是前提，确定施工方案和满足纠斜钻进目标是关键，准确定向(反扭角估计)是难点，造斜强度最优的选择是重点，连续精确测斜是保证。

小直径螺杆钻定向纠斜技术虽然取得了成功，但纠斜技术还存在一些诸如施工方案的设计欠优、造斜钻头非最佳、纠斜效率以及孔内定向精确度有待提高等问题，需后续的学习实践来进行摸索和完善。