定向钻探是一种能提高钻探工程质量、加快勘探施工速度、降低生产成本、提供精确地质资料、减少自然环境破坏的很有发展前途的钻探方法;在地质找矿领域及其他工程项目上得到了越来越广泛的应用。
通常设计施工的每一个钻孔(垂直孔或斜直孔)实际上都有方向要求,都是广义上的定向孔。
而利用各种造斜机具和工艺措施,使钻孔轴线能沿设计的轨迹延伸的钻探方法,称为定向钻探。
(一)定向钻探特点
定向钻探首先应用于石油钻井;由于它能满足多种施工的特殊要求,应用范围越来越广。定向钻探所具有的特点如下:
1)既能造斜又能纠斜,满足特殊钻进需要,提高钻探工程施工质量。
2)一基多孔钻进可节约平地基及搬迁费用。
3)多孔底施工可避免多次穿过复杂地层,节省钻探工作量。
4)纠正孔斜和进行岩矿心补采。
(二)定向钻探定向、造斜原理
1.初级定向孔定向、造斜原理
钻进中不需要采取特殊工具与特殊工艺措施,而是利用地层自然弯曲规律,“以斜就斜”或通过移动孔位、改变开孔顶角、方位角等方法来实现定向钻进的。
初级定向孔也称为自然弯曲定向孔。
2.受控定向孔定向、造斜原理
即单纯采用人工造斜手段或综合利用人工造斜手段与地层造斜规律来实现定向钻进的。自然造斜和人工造斜,可在某一孔段同时使用,也可在不同孔段分别使用。
受控定向孔也称为人工弯曲定向孔或高级定向孔。
(三)定向钻探机具
实现定向钻进,除利用自然弯曲规律以外,还常常采用各种技术手段。这些技术手段工作的实质在于人为地使钻具轴线与钻孔轴线一致,保持原来钻孔的方向;或者人为地使钻具轴线偏离钻孔轴线,改变原来钻孔的顶角和方位角。
1.偏心楔
偏心楔又称偏斜楔或造斜楔。其结构简单,加工方便。可分为固定式和可取式。前者只使用一次,后者可使用多次。从楔子顶部的结构来看,偏心楔有开口式和闭口式的区别。开口式不带导向管,而闭口式则带导向管,有时导向管甚至接到孔口。闭口式偏心楔常用于换径造斜。
偏心楔的主要参数是楔顶角和导斜槽直径。楔顶角不宜过大,一般在3°左右。岩石可钻性级别越高,楔顶角应越小,否则侧钻困难。导斜槽直径应比导斜钻头直径大1～3mm。
偏心楔由圆钢铣制、钢材浇铸或套管切制而成。钢制实体偏心楔常用于硬岩;管材加工的偏心楔常用于软岩。
固定式偏心楔为固定在孔内,导斜钻进后不再取出的导斜装置称固定式导斜器。它分为开口式与闭口式两种。闭口式导斜器是连接套管下人孔内,在导出的新孔完工后,仍随套管取出,但习惯上仍称它为固定式导斜器。
这类导斜器通常用于补取岩矿心,绕开事故钻具或施工分支定向钻孔。
(1)开口式偏心楔
上部为敞开的凹形导斜槽,下部为完整管体,底部有岩心管螺纹,可连续固定装置或加长管。导斜槽的顶角根据设计要求而定,一般为3°～7°,其长度依管径与顶角计算确定开口式偏心楔(图2-77)。
(2)闭口式偏心楔
用一根完整的管子加工而成,上下两端均有螺纹,上端与套管或定向装置连接,下端与加长管连接。管子中上部割去一半成为敞开段,便于导斜钻具能够顺利通过,敞开段的下部便是导斜槽。整个管体长约4.5～5.5m,敞开段长约2.5～3m,导斜槽的长度和顶角与开口式导斜器相同。闭口式偏心楔结构见图2-78所示。
图2-77 开口式偏心楔
图2-78 闭口式偏心楔
2.机械连续造斜器
此种连续造斜器又称无楔体连续造斜器,是一种较新的造斜工具。它利用专门机构产生偏斜力实现定向造斜。造斜周期是从下钻开始,到由于钻头磨损需要更换或由于某些不正常情况要求提钻检查为止。该造斜器是同径造斜,一次成孔。造斜后孔身呈平滑曲线状,无“狗腿”急弯。
(1)LZ型连续造斜器的结构
LZ型连续造斜器的结构见图2-79所示,由内转动件(转子)和外固定件(定子)组成。转子部分的主动轴下部连接有花键轴,被动轴上部连接有花键套。钻具呈自由状态时,由于回位弹簧的作用,主动轴与被动轴彼此脱开。被动轴的下端连接短管和钻头。主动轴上的定位接头与外壳的定位套啮合,使钻具定向时主动轴与外壳固紧成一体。
钻具的支撑止动机构由上半楔、下半楔、上下两半楔之间的滑块和滑块上的滚轮组成。
(2)工作原理
当钻具下到孔底施加轴向压力P时,钻具呈工作状态。主动轴克服工作弹簧和回位弹簧的弹力,向下移动,花键轴与花键套啮合。此时上半楔和外壳受工作弹簧的压力作用,向下半楔移动,滑块被推出。滚轮压向孔壁,对孔壁产生比较大的侧压力Q,与此同时,上、下半楔连同钻头向滑块移动的反方向偏移,在钻头上也产生造斜力A。侧压力使外壳与孔壁固定,不能在圆周方向转动。但是,外壳能在轴向压力作用下随滚轮的向下滚动而沿轴向移动。
图2-79 LZ型造斜器结构图
1—主动轴;2—单动外管;3—工作弹簧;4—定子外壳;5—定位套;6—定位接头;7—花键轴;8—回位弹簧;9—花键套;10—上半楔;11—被动轴;12—滚轮;13—滑块;14—下半楔;15—连接短管;16—钻头
在造斜力作用下,钻头侧向切削孔壁,实现人工造斜。显然,支撑机构离钻头越近,造斜力越大,造斜强度越高。
卸去轴向压力,钻具提离孔底时,复位弹簧使上、下轴分离,滑块缩回,从而可把钻具提到地表。
3.孔底动力机械造斜钻具
(1)孔底动力机械造斜钻具的特点与分类
孔底动力机有很多优点,首先在于充分利用功率,有利于发挥钻头的切削性能;同时钻杆不转动,可以减少钻杆的磨损和折断,以及钻杆碰撞孔壁引起的坍塌掉块卡钻事故;用孔底动力机配合专门造斜件进行人工造斜,可以实行随钻测量,精确控制钻进方向;造斜件结构简单,使用方便;用孔底动力机造斜钻具打定向孔,孔身平滑,造斜时孔径不减。
孔底动力机有涡轮钻、螺杆钻和电钻等三类。
(2)YL型液动螺杆钻具
1)结构原理。YL型液动螺杆钻具的结构见图2-80所示。YL-54螺杆钻具由旁通阀、螺杆马达、万向联轴节、轴承总成和传动轴组成。轴承总成由硬质合金耐磨径向轴承组成。用总流量5%～10%的冲洗液对轴承各部位进行冷却和润滑。传动轴是钻具出露在外部的唯一旋转部件。旁通阀的作用是:在正常钻进时,高压液体迫使活阀封闭溢流孔,使液体全部进入马达,推动螺杆转子旋转;在停泵提钻时,弹簧顶起活阀,使钻杆内液体从溢流孔排出,不致在拧卸钻杆时喷溅出来,污染机台。另外,在下钻过程中,还可防止孔内液体由钻头底部来推动马达,使转子反转而引起脱扣事故。螺杆马达转子外层为钢壳,其内腔衬有耐油、耐磨、耐温橡胶。橡胶硬度为邵氏75°～80°。转子用经热处理的优质钢制造,为了增加转子表面的耐磨性,表面镀以硬铬。镀层厚度为0.15～0.25mm。转子和定子采用过盈配合,其值为0.2～0.6mm。万向联轴节采用鼓形齿内花键结构,它的径向密封性好,传递扭矩大,旋转灵活,使用寿命长。
图2-80 YL型液动螺杆钻具结构图
1—旁通阀;2—螺杆马达;3—万向联轴节;4—轴承总成;5—传动轴
2)YL系列液动螺杆钻具的规格和性能。YL系列液动螺杆钻具的规格和技术性能见表2-34所示。
表2-34 YL系列螺杆钻具技术性能表
(四)定向钻探施工工艺
定向钻孔施工中,多孔底钻孔施工比较复杂。一般单孔底定向钻孔施工所采取的工艺措施,在多孔底分枝孔施工中都必须采用。因此,以下介绍多孔底定向钻孔的施工工艺。
1.“从下往上”施工定向钻孔
主孔尽量按普通方法设计和施工,不设计专门的造斜孔段。一般选用垂直角度或小顶角开孔,而后利用地层自然造斜规律钻进,能够达到设计目的。如果在施工中孔身偏离设计轨迹,有可能达不到地质要求的靶区时,可采用连续造斜器或其他人工措施纠斜。
分枝孔施工可分两种情况:一种是分岔点处岩石坚硬,采用下楔分岔;另一种是分岔点处岩石为中硬,则采用不下偏心楔而直接分岔。这样可大大简化打分枝孔的工序。
一般施工工序如下:
(1)“架桥”建立人工孔底
在选定的分岔点“架桥”,建立人工孔底,目的是堵塞下部孔段,以便在钻孔中部永久性地安装固定式偏心楔,或者临时性地安装可取式偏心楔,或者给连续造斜器及螺杆钻造斜钻具的定向造斜,提供一个坚固的基础。
常用的“架桥”方法有两种:一种是下木塞堵孔,然后填以碎石或灌注水泥等胶结材料,建立“水泥桥”;另一种是下金属塞,建立“金属桥”。
不下楔分岔时,多采用“水泥桥”。水泥桥的质量,对分枝孔的造斜钻进有决定性的作用。胶结材料应与孔壁岩石面有良好的黏结性和较高的冲击韧性。胶结材料的强度最好大于或接近于孔壁岩石的强度。一般可采用早强水泥、高标号普通水泥加三乙醇胺和食盐,甚至采用以环氧树脂为基础的快硬混合物。
灌注水泥桥的工艺是:洗刷孔壁→下木塞到预定部位→往木塞上灌注20～30m水泥→待凝24～48h→下钻试探灰面并钻取水泥样。
下楔分岔时,可采用水泥桥,也可采用金属桥。用金属孔底塞架桥,操作简单,可直接在“金属桥”上安装偏心楔。只要“架桥”孔段岩石较完整,不软,不超径,下放位置准确,按要求进行操作,就能保证“架桥”质量。
(2)定向下连续造斜器或定向下楔
这是最关键的工序。定向准确与否直接关系到分枝孔的延伸方向。计算的安装角不能有错。
不下楔分岔时,将组合好的造斜钻具下到预定孔深处,用定向仪给弯接头母线定向,确认定向正确,拧紧抗反扭矩器的螺钉后,即可开泵钻进。
下楔分岔时,用接有定向接头的钻杆,将偏心楔下到预定位置,在顶角小于3°的钻孔和垂直孔中,可用KDJ-1磁性定向仪等定向;在顶角大于3°的钻孔中可用其他定向仪定向。地表调整定向仪母线位置时,要经过复算,避免差错;要采用耐磨和固定牢靠的实体偏心楔。如果下入部位的岩层不很完整,可以考虑再灌注少量水泥浆。中硬岩层楔顶角3°,硬岩层楔顶角小于30°。
不下楔分岔时,给连续造斜器定向后,即转人造斜钻进;下楔分岔时,还须进行打导向眼、扩孔、扫“狗腿”、导斜延伸钻进等补充工序。
(3)沿楔面分岔的补充工序
1)打导向眼在5级以上岩层,特别是在硬岩层,沿楔面分岔打分枝孔时,一般要两次完成。先打小一级导向孔至楔面以下1m左右,再扩孔钻孔全尺寸。打导向眼的钻头应呈锥形。5～7级岩石可用锥形硬质合金钻头,7级以上岩石则用锥形金刚石钻头。打导向眼的钻具,应连接万向节或连接小一级的柔性较好的钻杆。粗径部分长1.1m左右,可以随钻进逐渐加长。钻进时,压力不要大,转速要低,泵量可大些。
2)扩孔沿楔面扩孔可采用厚壁金刚石钻头或不取心金刚石钻头、牙轮钻头或不取心硬质合金钻头。钻具组成为:导向杆→厚壁钻头→特制接头→岩心管(小一级)→接头→万向节(或柔性钻杆)。粗径长度为1.1m左右,可以随钻进逐渐加长。钻进时,仍用小压力、慢转速和大泵量。如果岩石不硬,沿楔面打导向眼和扩孔两个工序,可以合二为一。采用与钻孔同径的锥形钻头(或牙轮钻头)加接头、加钻杆的钻具沿楔面钻进,必要时,加以万向节。
3)扫“狗腿”沿楔面扩孔钻进后,与偏心楔顶部相对的一侧形成狗腿状急弯,必须及时修整孔壁和将“狗腿”扫掉,以利分枝孔钻进。在中硬岩层中,修整孔壁和扫“狗腿”可以采用“狼牙棒”式组合钻具,开始长度为1.5m,以后可逐渐加长。扫“狗腿”时的钻进规程参数与扩孔相同,并来回在“狗腿”处缓慢上下窜动。扫“狗腿”结束后,要用打捞器将碎合金打捞干净。在硬岩层中,修整孔壁和扫“狗腿”,可采用带上、下金刚石扩孔器的组合钻具。随组合钻具的加长,可以增加扩孔器数量。钻具下部可以连接旧金刚石钻头。
4)导斜延伸钻进。用逐渐加长的短粗径钻具(1m,1.5m,2m)过楔面延伸钻进10m左右测斜。视岩层情况的不同,可采用不取心金刚石钻头、牙轮钻头、不取心硬合金钻头,也可采用取心金刚石钻头或取心硬合金钻头。延伸钻进结束后,可用长粗径钻具试探能否通过,如通不过或通过时阻力较小,还需补充扫“狗腿”和修整孔壁。
(4)造斜钻进
用螺杆钻造斜钻进时,确信定向准确后,即开泵钻进。钻进中严禁提动钻具,钻速应控制在0.5m/h左右,钻进时,随时观察返到地表的岩粉的情况。如采用带弯接头的螺杆钻造斜钻进,因造斜强度一般为(1.0°～1.5°)/10m,施工中不必改用其他钻进方法;如采用弯外壳螺杆钻造斜钻进,因造斜强度较大,每造斜钻进2m左右,最好改用常规钻进方法钻2m左右,以防钻孔轴线产生急弯。
用机械式连续造斜器造斜钻进时,下降钻具速度应慢放,特别是在可能被卡阻的孔段(坍塌、空洞、缩径、孔内留有偏心楔)和深孔段时,速度应更放慢一些。造斜器下到孔底,大泵量冲孔后,应先加压(钻头所需压力的70%左右),后开车慢转钻进,约5min后,再用较大压力、泵量和中等转速的正常规程钻进。
用连续造斜器进行造斜钻进时,压力的掌握特别重要。一方面要保证钻头轴向破碎岩石;另一方面又要保证在该压力下有适当的侧向卡固力和足以进行侧向克取岩石的造斜力。当孔壁不太硬时,卡固力过大,会使钻具产生悬挂现象。
倒杆时,应先停车使立轴不回转,再卸去轴向压力。若先卸压,后停车,会使造斜器定向方位变动。
连续造斜器定向钻进中,一旦定向破坏,应立即停止造斜钻进。造顶角时,回次进尺控制在1～2m,在钻杆强度允许的情况下,可适当提高造斜强度和加长回次进尺。
回次进尺结束后,提升钻具前,应增加泵量冲孔,连续造斜器造斜钻进转人普通方法钻进前,必须修整人工弯曲孔段的孔壁,用专门钻具扩扫钻孔,以使之后稳斜钻进的钻具能顺利过孔。
如造斜钻进后孔身急剧偏离原定方向,可灌注水泥,然后用长粗径钻具(3.5～5.0m)钻进,使孔身回到原来的方向。
(5)稳斜钻进或自然造斜钻进
造斜钻进达到预计要求、用长粗径能通过人工弯曲孔段后,即可用稳斜钻具或普通钻具继续钻进。只有在钻进中发生钻孔方向偏离设计轨迹较大,影响中靶精度或有可能脱靶时,才考虑用组合钻具或连续造斜器纠正。
2.“从上往下”施工定向钻孔
也有下偏心楔与不下偏心楔两种方法。以下介绍不下偏心楔的施工方法。
主孔应设计有急剧人工弯曲孔段,连续定向造斜的工艺同上。
分枝孔的施工工序如下:
(1)在分岔点导直钻进
由于分岔点一般选在主孔急剧人工弯曲的起始部位,分枝孔开时可用4.5～5.0m长、刚性好的粗径导直钻具。根据岩层情况和地质要求,可以选用取心及不取心合金钻头、金刚石钻头或者牙轮钻头。开孔时,应采取较小压力,使钻头能全直径地进入岩石,形成新孔。
分枝孔开孔前,也可以在主孔分岔点以下一定深度上用木塞“架桥”然后灌注水泥或其他合成树脂,直到略高于分枝孔开孔的部位。待灌注的胶结材料凝固后,再导直钻进。分枝孔开孔直径小于主孔直径,有利于导直分岔。
(2)保直钻进
用加长的粗径钻具导直钻进5～10m后,即可改用常规钻具。为使分枝孔开孔后在长的孔段能保持其保直度,可以采用液动冲击器钻进,以取得较好的稳斜效果。
(3)造斜钻进
稳斜钻进到设计深度后,根据要求可采用连续造斜器或螺杆钻造斜钻具进行定向造斜钻进。其造斜工艺同前述。
(4)稳斜钻进或自然造斜钻进
该工序与“从下往上”施工多孔底孔的第五个工序同。
最后应当指出:为使主孔和分枝孔都能够达到地质要求的靶区,进入施工阶段后,必须随时根据测斜资料作图,将实际孔身轨迹与设计孔身轨迹进行对比。如果偏离原定方向,则应按顶角和方位角偏离的程度进行纠斜计算。