1、固体矿产定向钻探技术与应用LZ 型连续造斜器及定向孔施工技术与工艺编 写 人：张文英中国地质科学院探矿工艺研究所二一一年十一月一日固体矿产定向钻探技术与应用LZ 型连续造斜器及定向孔施工技术与工艺编 写 人：张文英联系电话：028-83175219 13628024199传 真：028-83172016E-mail：zwy_通讯地址：成都市一环路北二段 1 号邮 编：610081中国地质科学院探矿工艺研究所二一一年十一月一日目 录第一章 LZ 型连续造斜器及使用方法 .1一、LZ 型造斜器结构及工作原理 1二、LZ 型造斜器的主要用途 3三、LZ 型造斜器的主要特点 3四、LZ 型造斜器基本操
2、作方法 4五、提高造斜器造斜强度的主要途径 6第二章 LZ 型造斜器孔内定向方法及安装角计算 .9一、造斜器的孔内定向方法 9二、造斜器在孔底安装角计算 .12第三章 定向孔孔身轨迹设计及钻孔空间位置计算 14一、定向孔孔身轨迹设计 .14二、定向孔空间位置计算 .17第四章 定向钻探案例分析 .21一、易斜矿区深孔定向钻探技术 .21二、用零顶角回避法施工垂直定向孔 .24三、水下定向钻探 .26四、复杂地层深孔定向分支孔施工技术 .26五、侧钻技术在钻孔事故处理中的应用（论文） .271第一章 LZ 型连续造斜器及使用方法随着国民经济的快速发展，能源和矿物原料需求不断增加，地质找矿任务也在
3、加重。国内埋藏较浅的矿产资源已基本查清，找矿主要目标是深部隐伏矿体，而深部钻探有 2 个显著技术难点：一是对钻孔轨迹控制难度加大，特别是在易斜矿区或勘探网度较密矿区，常规防斜措施很难达到地质设计要求；二是一旦发生严重事故很难处理，这些技术难题都需要用定向钻探技术来解决。用于受控定向钻探的造斜工具目前主要有两种，即液动螺杆钻具和机械式连续造斜器。由探矿工艺研究所研制的 LZ 型连续造斜器是原地矿部“六五”科技攻关成果，获得原地矿部科技成果一等奖，在大范围推广应用中取得了显著的社会、经济效益。一、LZ 型造斜器结构及工作原理LZ 型连续造斜器由定子和转子两部分组成（如图 1-1 所示） 。定子部分
4、包括单动外壳、工作弹簧、定子外壳、定位套、上半楔、滑块和下半楔。转子部分包括主动轴、定位接头、花键轴、花键套、被动轴、短管和钻头。造斜器在孔底工作时，定子不转动，只是在钻压作用下沿钻孔延深方向作直线运动。所以定子部分只传递 图 1-1 LZ 型造斜器结构及工作原理图2钻压，而转子部分主要传递扭矩。当造斜器处于自由状态时（如图 1-2 所示） ，楔形滑块在回位弹簧作用下处于回收状态。转子上的定位接头与定子上的定位套通过定位键互相锁紧，以保证造斜器在下钻过程中两者之间不能产生相对角位移，为造斜器在孔底定向的准确性提供必要条件（见图 1-1、a 所示） 。当造斜器在钻压 P 作用下，钻压通过主轴凸肩
5、传给单动外壳工作弹簧定子外壳上半楔滑块下半楔被动轴凸肩钻头。由于钻压的作用，一方面工作弹簧被压缩，主动轴下移，定位键脱开，定子与转子解卡，转子恢复转动。另一方面，定子上的钻压使楔形滑块产生横向位移（图 1-3 所示） ，与孔壁接触，孔壁对滑块的侧压力 Q把造斜器推向孔壁另一侧，因钻头直径大于上下半楔及图 1-2 造斜器自由状态图 1-3 造斜器工作状态3滑块的直径，于是钻头对孔壁产生一个侧向切削力造斜力 A。造斜器在孔底工作时，钻头时刻侧向切削孔壁，造成孔斜（见图 1-1、b 所示） 。回次造斜完毕后，卸掉钻压，滑块依靠回位弹簧的张力作用自动回到原位，因而造斜器能顺利提出孔口。二、LZ 型造斜
6、器的主要用途1、地质勘探钻孔纠斜（纠方位角和顶角） ；2、施工单底定向孔、多孔底分支定向孔；3、在复杂孔内事故中，绕过事故钻具不留隐患；4、补采岩矿心；5、在矿山建设中施工特种工程孔，如坑道通风孔、竖井冻结孔、溜井导向孔和止水注浆孔等。三、LZ 型造斜器的主要特点1、工作原理独特连续造斜器是利用专门机构产生偏斜力实现定向造斜的工具，其核心部件是上下半楔和滑块。滑块有两个重要作用：（1）依靠滑块施加给钻头的侧向切削力，迫使钻头连续侧向切削孔壁，钻头前进方向偏离原孔轴线，钻头运动轨迹显然是一条弧线。造斜进尺越多，弧线越长，钻孔顶角或方位角增量越大；（2）楔形滑块对孔壁有一个比较大的侧压力，通过滑块
7、上的两个滚轮对孔壁的卡固作用,对造斜器定子产生制动扭矩，使造斜器定子在工作过程中只能向下滑动而不能转动，以稳定造斜方位。2、工作安全可靠造斜钻头为全面不取心钻头，为破碎岩石并保证有足够的造斜力，所需钻压比较大，而转子直径又比较小，以 LZ-73 造斜器为例，钻压为25KN30KN，大大超过常规钻进所需钻压。为解决高钻压与小直径转子之间的矛盾，保障造斜器在孔内工作时的安全，采取了两点措施：4（1）主动轴选用高强度合金钢制造；（2）定子、转子各司其职，定子传递钻压，转子传递扭矩，从而减轻了转子的工作负荷，提高了造斜器在孔内工作时的安全性，从 1983 年至今没有出现过主轴断裂的安全事故。3、定子转
8、子定位可靠定子和转子之间定位的可靠性直接影响到造斜器在孔底定向的准确性。对定位机构的要求是在造斜器下入孔内过程中，一旦定子转子解锁后还能自动回复到原锁紧状态，以保持造斜器定向母线不错乱。LZ-73、LZ-89 造斜器采用的是滑键双螺旋定位机构，螺旋角大、自动回位可靠性高，任何时候都能保证造斜器定向母线不变，为在孔底准确定向提供了前提条件。4、滑块回位灵活造斜回次结束，造斜器提离孔底，回位弹簧的张力转化为对楔形滑块的横向拉力，滑块自动回复到原位，钻具顺利提出地表。5、使用方便，在不改变或增加现场设备条件下即可使用。6、造斜强度高，根据地层情况，造斜强度可达 0.52/m。7、不受孔深限制，对冲洗
9、液类型没有特殊要求。8、易损零件少，使用寿命长。9、原孔同径造斜。10、对地层适应性强。四、LZ 型造斜器基本操作方法造斜器的操作有严格的操作规程，不按规程操作将影响造斜效果甚至损坏造斜器，其基本操作如下：1、造斜器下到孔内距孔底 0.5m 时，开泵送水，把造斜器缓慢下放到孔底，冲洗岩粉，泵压正常后，再把造斜器提离孔底 0.3-0.5m，关泵定向（定向方法另述） 。2、下钻过程中若遇阻，可以上下串动钻具，但绝不能像常规钻具5那样开车扫孔，若下不去，应把造斜器提出地表，将钻孔扫通后再下。3、造斜器定向完毕，开泵通水，待冲洗液返出孔口后，再把造斜器缓慢下到孔底，孔底不能有过多的岩粉或残留岩心。4、
10、先加压后开车。按规程加够额定钻压（含钻具重量）后，用最低速缓慢开车，不要猛合离合器。若造斜钻进无异常情况，可把转速适当提高。5、立轴倒杆。先关车后倒杆，有两种情况要注意：孔深大于200m 时可直接松卡盘倒杆；孔深较浅时，要先回油后倒杆。把油缸里的油回完，依靠钻柱弹性变形和工作弹簧被压缩积聚的能量顶卡盘上行，上行停止、能量释放完毕再松卡盘倒杆，重新加压后继续造斜钻进。如果浅孔直接松卡盘，会因钻具重量轻，可能引起钻具弹跳，破坏定向方位。6、造斜进尺长度以 1.01.5m 为宜，如果进尺太多，钻孔形成的“狗腿”弯度太大，不利于下一步安全钻进。7、回次造斜完毕，用长约 1.0m 的短钻具钻进 2 次，
11、然后钻具逐渐加长钻进 45m 后测斜，根据测斜数据计算钻孔空间位置。8、必须注意：（1）造斜器不能当扫孔钻具使用；（2）任何时候不加够额定钻压都不允许开车。9、造斜钻进开始进尺较快，然后钻进速度逐渐降低，最后基本不进尺，说明钻孔已发生弯曲，阻力较大，应当立即提钻，造斜回次结束。10、造斜钻头的选择与造斜器配套使用的是全面钻进不取心钻头，根据不同地层选用不同的钻头。建议坚硬打滑地层用孕镶金刚石钻头；中硬地层用金刚石天然表镶钻头（图 1-4） ；偏软地层用硬质合金钻头或复合片钻头。图 1-4 天然表镶金刚石钻头611、造斜钻进过程中，如果出现不正常情况，决不允许把钻具提离孔底，必须先关车，把油门松
12、开，分析原因，然后重新加压钻进。12、钻孔孔径不能过大，如果因钻孔结构原因或孔壁坍塌导致孔径过大，钻杆在高钻压下将产生波浪形交变弯曲，容易出现钻杆断裂事故。13、如果使用绳索取心钻杆或 60mm 钻杆，造斜器上部应加长度为 4.0m5.0m 的 50mm 钻杆单根与上部钻杆连接。14、连续造斜器主要技术指标见表 1-1 所示。表 1-1 LZ 连续造斜器主要技术指标造斜器型号技术性能LZ-73 LZ-89适用孔径(mm) 7588 91110滑块径向最大伸长(mm) 25 35允许钻孔超径(mm) 15 20造斜强度(/m) 0.31.8 0.61.6钻压(KN) 2530 2830转速(r/
13、min) 90200 90200钻进规程钻井液量(L/min) 5070 5070钻具外径(mm) 73 89钻具长度(mm) 2300 2400钻具重量(kg) 45 50五、提高造斜器造斜强度的主要途径造斜强度是 LZ 型连续造斜器重要技术指标，提高造斜强度的途径如下：（一）改变钻头短管长度如图 1-5 所示，滑块楔角为 45，造斜力简化为：可以看出，造斜力 A（直接影响造斜强度）随钻压增加而增大。随21LPA7滑块中点至钻头距离 L1减小而增大。而滑块中点至外管与孔壁切点距离L2同时出现在分子分母上，对造斜力的影响情况不十分明确，通过进一步分析可以发现：造斜力 A 随 L2的加长而增大。
14、因为造斜器外壳尺寸不可能再改变，提高造斜力的途径是在允许范围内提高钻压，通过减小钻头短管长度来降低 L1。造斜力随钻压及 L1变化情况已在试验台上得到验证（如表 1-2 所示） ，造斜强度变化情况也已在生产试验中得到证实, 在贵州某矿区生产试验情况见表 1-3。表 1-2 不同 L1长度的造斜力测定值钻压(KN) 10.36 13.38 15.60 20.69 23.75 24.50L1=550mm 造斜力 A(KN) 1.91 2.17 2.27 2.43 2.50 2.58钻压(KN) 7.51 10.07 16.97 18.00 20.32 22.88 25.00 26.36L1=400
15、mm 造斜力 A(KN) 2.32 3.70 4.13 4.17 4.26 4.44 4.55 4.62钻压(KN) 5.57 7.36 12.91 16.62 23.03 28.43L1=350mm 造斜力 A(KN) 2.18 2.90 4.80 5.31 5.49 5.80表 1-3 不同 L1长度的造斜强度生产试验值L1=390mm造 斜 孔 深 (米 ) 217.38-218.40 221.86-223.41 227.19-228.84 232.64-233.64 239.13-240.63 265.17-266.17 232.52-325.02 328.42-330.12 累计进
16、尺 长 度 (米 ) 1.02 1.55 1.65 1.0 1.50 1.0 1.50 1.70 10.92钻 孔 顶 角 增 量 1.5 2 3 1 2.17 0.67 1.17 1.83 13.34平 均 造 斜 强 度 i=1.22/mL1=440mm造 斜 孔 深 (米 ) 243.44 246.73 248.99 累计图 1-5 LZ-73 受力状态示意图Q 为孔壁对滑块的侧压力；L 1为滑块中点至钻头底部的距离；L 2为滑块中点至工具外壳与孔壁切点 B 的距离；L 3为钻头底部至 B 点的距离；D 为钻头直径；d 为 B 点处工具外壳直径钻头短管8进 尺 长 度 (米 ) 1.19
17、 1.17 1.51 3.87钻 孔 顶 角 增 量 0.13 1.17 1.83 3.83平 均 造 斜 强 度 i=0.99/m（二）提高钻头侧向切削力缩短钻头短管长度不是提高造斜强度唯一途径，还应当提高钻头的侧向切削能力，以提高钻头侧向切削速度对轴向进尺速度比值，这将在后面进一步分析。9第二章 LZ 型造斜器孔内定向方法及安装角计算一、造斜器的孔内定向方法与连续造斜器配套使用的定向仪主要有 DX-2 定向仪和 SZ 型水压自动定向仪，其主要技术指标见表 2-1 所示，根据不同情况选用不同的定向仪。表 2-1 定向仪主要技术指标定向仪型号技术性能DX2 SZ73适用钻孔顶角() 3 8安装
18、角定向精度() 3 10一次定向所需时间(min) 30 20 钻孔平均上漂 8.5/100m根据这个规律在纠斜孔段尽量把钻孔顶角控制在 20以内，每纠斜一次就可维持一个较长孔段不纠斜，起到事半功倍的效果。如果顶角达到20以后再纠斜就比较困难，纠斜后又急剧上漂，费时费力，事倍功半。5、以控制钻孔孔间位置作为基本出发点钻孔纠顶角、纠方位的目的是控制钻孔空间形态并最终穿靶。纠斜过程中不单纯关注顶角和方位角，而是时刻审视钻孔曲线变化情况并与设计曲线相比照，以此来决定纠斜或不纠斜以及何时纠斜。如图 4-2 所示，ZK0001 孔 500m 时顶角 19，超出设计顶角 4，我们并没有纠斜，因上部实际顶角
19、小于设计顶角，实际曲线落后于设计曲线。靶点孔深618m,虽然 500m 后没再纠斜也准确穿靶。如图 4-3 所示，ZK3001 钻孔经过 5 次纠斜，孔深 425m 处顶角已降至9，比设计顶角小 345，似乎不必再纠斜了，但是上部孔斜超差太多，实际曲线已超出设计曲线 12m,只有进一步纠斜降顶角才能向设计曲线靠拢，于是又第 6 次纠斜，顶角进一步降至 812，满足中靶要求。6、深孔设计建议目前深部钻探很多钻孔都设计成直孔，勘探网度比较密，对孔斜要求也比图 4-2 ZK0001 钻孔弯曲曲线示意图图 4-3 ZK3001 钻孔弯曲曲线示意图24较高，以勘探线距 100m 为例，地质设计允许偏离勘
20、探线 1/41/3，即25m33.3m,如果孔深 1000m，允许最大顶角误差为 0.1，否则钻孔脱靶影响地质评价。目前国内 1000m 以上的深孔很多都不能满足地质设计要求，成为影响钻探效率的主要障碍之一，如果在小顶角条件下纠斜，还存在一些技术难点：（1）在小顶角情况下，钻孔所测得的方位值不能反映真实孔斜方位，纠斜无依据；（2）国内现有的小直径定向仪在顶角小于 3情况下，不能解决造斜工具的孔内定向问题，纠斜工作无法进行。针对以上技术难点，建议在勘探网度比较密的矿区把直孔设计成顶角45的斜孔，一旦发生方位漂移比较容易纠斜，最终达到地质设计要求。二、用零顶角回避法施工垂直定向孔在矿山工程中往往要
21、施工一些垂直定向孔，如竖井冻结孔、坑道通风孔、溜井导向孔和止水注浆孔等。这些钻孔要求垂直度较高，施工难度较大，特别在易斜地层用常规防斜保直方法施工，很难达到设计要求。这种情况下运用零顶角回避法就可以顺利完成施工任务。所谓零顶角是指钻孔小于 2的顶角。垂直定向孔由于工程需要，它所允许的靶点偏离孔位的距离很小，换算成顶角一般都小于 1，目前很多测斜仪在顶角小于 2情况下所测得的孔斜方位都不准确，使纠斜工作无从下手。为了克服小顶角给施工带来的困难，在施工过程中设法避开小顶角（零顶角） ，在局部最大偏孔距不超过允许值的条件下有意识地把顶角增至 3左右，以满足测斜仪正常工作的最低要求。在钻孔平面弯曲情况
22、下，钻孔顶角增加，偏孔距也必然增大，为了限制偏孔距在某一固定方向累加，就必须不断地改变钻孔弯曲方向，把平面弯曲变为空间弯曲，原理如图 4-4 所示。25同心圆代表钻孔顶角，放射线代表方位。假定原钻孔顶角为 2,方位角为45,如图中 A 点，第一次纠斜到 B 点时，顶角增至 3，方位角增至 90，第二次纠斜到 C 点，第三次到 D 点,第四次到 E 点，方位角纠至 225。从图可看到，从 A 到 E 的过程是迂回前进的，如果直接从 A 到 E 反向纠斜不可能一次完成，必须经过小顶角区域过渡，给测斜、造斜器定向和钻孔空间位置计算带来不利后果。从ABCDE 的纠斜过程是在顶角基本不变条件下，不断改变
23、方位的过程，显然钻孔轨迹是一条绕钻孔垂直轴线变化的螺旋线。这种有意避开小顶角的施工方法称为零顶角回避法，这种施工方法已在工程中成功运用。1985 年 ,甘 肃 镜 铁 山 矿 设 计 了 No9 主 溜 井 导 向 孔 （ 如 图 4-5 所 示 ） ， 其 垂直 孔 深 240m， 允 许 终 孔 最 大 偏 距 3.6m， 换 算成 顶 角 为 0.86,矿区地层为千枚岩，倾角6070，钻孔自然弯曲率平均每百米5。甘肃探矿一队承担施工任务，开始施工时用 S-75 绳索取心钻具轻压慢转钻进以防止孔斜，但收效甚微，至孔深 63m 时，顶角达到 1.6，孔斜超差被迫停钻。自孔深 63m 开始用零
24、顶角回避法施工。第一步先增加顶角，93m 时顶角增至 3，以满足测斜需要。第二步纠方位，孔深2880采 掘 平 巷2640地 平 主 运 输 巷 道No9245.17m罐 笼 井图 4-5 No9 孔示意图1234135ABDE C90225315 4518050270图 4-4 零顶角回避法原理图2693.5m204.25m 共纠方位 6 次，方位平均变化率 46.5/m，纠斜成功。终孔最大偏孔距 2.4m，满足设计要求。三、水下定向钻探1995 年中国水勘院 915 队承揽了重庆长江过江隧道工程，为保证工程安全必须对江底地质情况进行勘查。如果用钻探船进行水上钻探，则面临着 2 个问题：一是
25、费用高，二是正值长江枯水期航道窄，设置钻探船必然影响船舶航行，航道管理部门不允许。1996 年 1 月 915 队在江心小岛安装钻机向江底打大斜度钻孔，如图 4-6 所示，虽然开孔顶角 50，但钻孔水平位移仍偏小不能打到目的层，需要在钻进过程中进一步增加顶角，使钻孔轨迹向上弯曲。自孔深 50m 开始用 LZ-89 造斜器造斜增顶角，取得显著效果并最终钻至目的层。主要难点是造斜器定向，因钻孔顶角大，有缆式定向仪传感器很难下到定向位置（50mm 外丝钻杆丝扣部分内径小有台阶，传感器在台阶处遇阻） ，我们采用 SZ-73 水压自动定向仪定向，完成了造斜任务。四、复杂地层深孔定向分支孔施工技术若尔盖铀
26、矿区是国内十大铀矿田之一，储量丰富，地层复杂，钻孔孔斜问题十分突出，严重影响了钻探生产进度和地质找矿效果，多年来，孔斜问题一直未能得到解决。2008 年，采用以 LZ 型连续造斜器为主体的定向钻探技术进行钻孔施工，使矿区的孔斜问题得到了有效解决。图 4-6 长江水下定向钻探示意图50江 心 小 岛长 江27以 ZK27-6-1 钻孔为例（图 4-7 所示） ，ZK27-6-1 钻孔是 2007 年施工的钻孔，终孔孔深 773.73m，设计方位190，施工过程中钻孔方位大幅度漂移，至孔深 740m 时，方位达到 282.3，方位差 92.3，钻孔与矿体走向平行并顺时针上弯，未能达到穿矿目的。ZK
27、27-6-2 钻孔是 2008 年施工的钻孔，在孔深 270m 处的水泥孔底开始造斜分支，偏出新孔，而后又连续 10 次纠斜、造斜，使钻孔顶角和方位角始终保持与地质设计一致。该孔终孔深度 954.58m，见矿孔深810m，见矿点偏离勘探线 10.5m,约为勘探线距的 1/10，是一个高水平的分支定向孔，创造了矿区定向钻探历史。ZK27-6-2 分支钻孔的成功具有重要的经济、环境意义，并为矿区下一步勘探提供了有力技术支撑。五、侧钻技术在钻孔事故处理中的应用钻探生产过程中，孔内事故时有发生，若是钻孔较浅或事故不太复杂，用传统方法比较容易处理，一旦钻孔较深或事故比较复杂时，用传统方法处理就很困难，费时费力，稍有不慎就会使事故进一步复杂化。因孔内事故无法处理导致钻孔报废的现象屡见不鲜，不但延缓了工程进度也造成了经济损失。作者根据以往工作实践并结合实例,介绍侧钻技术绕过孔内事故钻具的应用，供同行参考。1 侧钻技术原理ZK27-6-1ZK27-6-20190剖剖ZK27-6-2剖 剖270mZK27-6-1773.73m954.58m图 4-7 复杂地层深孔定向分支孔
