黄婆岩矿区ZKH2901-1定向分支孔钻探设计与施工

（江西省地质矿产勘查开发局赣西北大队，江西 九江 332000）

1 概述

（1）矿区概况。黄婆岩矿区（以下简称矿区）位于江西省瑞昌市城区西北向直距约15km处，属瑞昌市流庄乡管辖。地理坐标：东经115°34′21.18″～115°35′36.55″，北纬29°47′32.20″～29°48′37.93″。矿区面积约1.13km2。

（2）矿区地层与地质设计。①矿区地层。本区内沉积盖层发育，未见褶皱基底，出露地层为奥陶系至三叠系、古近系和第四系，缺失侏罗系、白垩系。地层沿北东和北东东方向带状分布。奥陶系由白云岩、页岩、灰岩构成，分布于仙姑台—铜岭—柯家山一带；志留系出露了中、下统，为一套浅海相砂页岩，分布于宝山—大桥背斜两翼和郎君山—丁家山背斜核部；泥盆系仅见上统五通组，为一套灰白色厚层状含砾石英砂岩、砂砾岩，属陆相碎屑岩建造，分布在背向斜交接部位；石炭系至三迭系上统（石炭系缺下统）主要为碳酸盐类岩石，分布范围较广，属浅海相碳酸盐岩建造；古近系零星分布于桂林桥、丁家山一带，属河湖相红色砂砾碎屑岩建造；第四系广泛分布于江湖平原区，属河湖相砾、砂、泥质碎屑建造。②地质设计。主孔ZKH2901，终孔孔深1518.29m，主要目的是在走向上追索已知铜矿体的延伸情况，探索岩体与灰岩接触带矽卡岩型铜矿的变化情况，钻孔见及的主要岩性有：大理岩化灰岩、大理岩、燧石结核灰岩、含方解石脉大理岩化灰岩、矽卡岩化大理岩、矽卡岩、蚀变泥岩、含角岩化条带大理岩化灰岩、角砾岩及花岗闪长斑岩。该孔黄铜矿化较好且常见，按照≥0.1%品位圈定铜矿化体，厚度1.90m～23.00m，共见16段矿化体，累计达96.50m。分支孔ZKH2901-1，主要目的是在走向上追索已知铜矿体的延伸情况，探索岩体与灰岩接触带矽卡岩型铜矿的变化情况。由于矿体陡峭，采用传统斜孔钻探需要超过25°以上的大顶角开孔且钻孔孔深超过1700m，造成施工费用及难度极大。为了解决主要问题，我们考虑到应用螺杆定向钻探施工技术，利用原施工的ZKH2901孔作为主孔进行钻孔分支。

2 钻孔设计

2.1 选择造斜起始点以及造斜强度

造斜位置选择地层相对稳定为原则，尽量避免孔内事故隐患，且造型强度易把控，根据主孔岩心情况，我们选择550m的地方作为造斜起始点。造斜强度设定0.25度/米。

2.2 分支孔轨迹设计

开孔坐标X：3299673.000m，Y：39363307.000m，Z：132.000m；靶点坐标X：3299972.000m，Y：39363226.000m，Z：-1100.000m。

ZKH2901定向设计计算结果（均角全距法）：造斜强度：0.250度/米，造斜起点孔深：550.0m。稳斜段长度：646.243m；造斜段长度：106.408m。造斜段终点顶角：26.318度；造斜段终点方位角：19.109度。造斜段全弯曲角：26.602度，安装角：198.913度，中靶孔深：1302.652m。

3 定向分支孔实施

3.1 钻探设备、工器具及定向造型器具选择

本次螺杆定向钻探设备、工器具及定向造型器具主要有：XY-6N型钻机及钻塔；BW-250型泥浆泵；S75绳索取芯钻杆、φ73×3无磁钻杆，LHE2000型随钻测斜定向仪；绞车及电缆，65型4LZ-65-1°、55型4LZ-55-3-1°螺杆钻具，造斜钻头等。

3.2 钻前准备

①人造孔底。分支孔分叉点钻进，必须“架桥”。为使导斜钻进容易成功，尽量与周围岩石强队相当，水泥选用425#普通硅酸盐水泥，水灰比0.5。建造水泥桥工艺过程如下：将木塞下到580m位置（造型点位置在550m）按灌注100m左右水泥桥高度准备好水泥量配好水泥浆，采用泵送经钻杆灌入孔内。24小时候开始扫孔取样，确认凝固良好，扫孔至分叉点550m位置。②造型钻进前准备注意事项。下入螺杆钻前，必须确认孔内干净、无残留物，否则必须专门下钻冲、捞或磨灭；清理循环系统，更换新鲜冲洗液；检查高压管线密封和联接，检查泥浆泵工作性能及泵压表准确性和灵敏度；组装螺杆钻，记录工具装合差；在地表试对螺杆钻进行运转，记录泥浆泵的排量、压力和螺杆钻的运转情况；下钻时逐根检查钻杆内的清洁和畅通情况，防止定向仪不入键或螺杆钻转子卡死；孔深和钻杆数据必须准确以免误判断或误操作，选择单根配置合适的机上余尺；将钻具下到离孔底0.1m～0.2m的位置称重；将泵量调至螺杆钻钻进所需档位，开泵对螺杆钻进行孔内试运转，再称重并做记录，同时记录泥浆泵排量和压力；对螺杆钻孔内定向(定向操作事项下节叙述)，定向毕对钻柱进行回转制动；为保险起见，定向毕应在主动钻杆上做醒目标记，以便钻进时可对照地表固定参照物随时观察标记的位置是否发生变化。

3.3 造型钻进

因为主孔是直孔，无法定方位，为了尽快在一个造型回次造出新孔，采用造型强队较大的1°55型造型螺杆钻具，下钻至预定位置选用任意方向进行造型。当顶角达到3°以上即开始按预定方位定向造型。2015年3月5日开始初次造型，造斜长度12.5m，造型后测量结果：顶角5.5°、方位角341°。稳斜后第二次钻进采用定向钻进。

安装角的确定：用螺杆钻进行定向造型时，除了要正确选择有一定角度的弯头还必须去顶她们在孔内的安装角，才能使钻孔达到预定造斜要求。在施工过程中，由于地层改变及工艺技术的变化，孔身轨迹很难按原设计的轨迹延伸，所以每一个造斜回次结束后，都应根据钻孔测量的结果来确定系一造斜回次的造斜安装角。本次造斜既改变顶角又改变钻孔方位角，采用全弯曲角γ计算γ=i＊l。关于反扭角：造斜钻进时，孔内钻杆承受螺杆钻工作时产生的反扭矩，反扭矩将使钻杆产生一个反扭角。如何确定反扭角是个复杂的问题，目前还没有一个完全符合实际的理论公式。根据以往的经验在孔深500m～600m，反扭角大致为10°～20°，故初次定向钻进反扭角选15°，后面回次根据测量情况做适当调整。

3.4 螺杆钻具的启动与钻进

①螺杆钻具启动前必须确保钻头离井底0.3m～0.6m以上，开动钻井泵并记下立杆压力表读数，与计算的压力值对比一下，如果超过水力计算的压力数值也是正常的，这可能是钻头侧钻引起的。如果侧钻造成压力升高的因素已扫除，循环压力仍高于计算值，则可能是钻头水眼被堵或转动轴被卡死，如果是这样，此时循环压力要比计算压力高得多。②钻头提离井底时，如果循环压力低于计算值，可能是旁通阀处于“开位”或钻杆损坏、井漏等造成的。③首先开泵清理井底：尤其是打斜井，井底必须足够“干净”，因为井底堆积或沉淀的岩屑影响造斜。最好用正常的钻井液循环清理，清理时也可慢慢转动钻具或钻具分次转动（每次转动30°～40°），依次地把堆在井底的物体清理干净。④清理干净后，再把钻具上提0.3m～0.6m，校对并记录泵压值，重新下入井底并慢慢施加钻压，马达压降增加，马达扭矩与立杆压力表压值随之升高，这个升高的压力值应符合各型号钻具规定的马达压降值，此压力表增大的数值反映了马达的负载是否正常，也反映钻压加的是否合适。因为打钻泵压=循环泵压十马达负载压降，司钻只要合理施加钻压，把立杆压力表读数限制在所选钻具推荐范围内就可以了。在钻压的选择上应当注意，相同规格的螺杆钻具在与牙轮钻头和PDC钻头配合使用时的额定钻压是不同的，一般使用PDC钻头的钻压较小。但无论使用什么样的钻头都要以进尺率为依据，做到均匀送钻，进尺慢时，徒劳地加大钻压只会使螺杆钻具过早地损坏。

4 工作成果

（1）螺杆造斜成果。本次造斜由于受地层影响，且造斜段大，在易坍塌地层造斜施工困难需要反复护壁，需要多次采样水泥固孔及泥浆护壁，影响了施工进度。具体造斜情况及中靶情况如表。根据测斜计算，分支孔在靶区范围内满足了地质要求。

表1 ZKH2901-1分支孔施工终孔测量数据

（2）地质成果。主要目的是在走向上追索已知铜矿体的延伸情况，探索岩体与灰岩接触带矽卡岩型铜矿的变化情况，钻孔见及的主要岩性有：大理岩、碎裂岩、角砾岩、含燧石大理岩、蚀变泥岩、含方解石脉大理岩、矽卡岩化大理岩化灰岩、含石英脉大理岩化灰岩、含方解石脉大理岩化灰岩、花岗闪长斑岩、含燧石大理岩化灰岩、大理岩化灰岩等。该孔见一层花岗闪长斑岩，视厚14.90m，位置在659.78m～674.68m处。全孔岩石蚀变强烈，总体上强下弱，主要是大理岩化。

（3）经济效益。本次螺杆定向钻探施工的完成，节约了450m钻探工作量，节省勘探投资50万元并且少修了一个钻探施工场地和运输道路，避免了山林的破坏。

5 经验总结

通过以黄婆岩ZKH2901-1定向分支孔的钻探实施取得如下经验和结论：纠偏成功与否，定向一定要准。要确保定向楔正常，理论上每次定向坐键工具面只可能出现一个数字，数字大小在2度左右变化都是正常情况。定向楔有问题就会出现两组数字，大约相差180度，选错数字定向就会反向。稳斜段一定要用短钻具。短钻具可以使钻孔轨迹沿着纠偏方向走。而不至于出现稳斜方位变大的情况。同径造斜，造斜强度较小。从数据反映来看，变化率较小。有时2m～3m数据都不变。没有小口径造斜直观，明显。建议尽量使用小一级口径造斜。