固体矿床定向钻探技术与应用用LZ型连续造斜器定向孔施工技术与工艺

固体矿床定向钻探技术与应用用LZ型连续造斜器定向孔施工技术与工艺中国地质科学院探矿工艺研究所 张文英第一部分 LZ型连续造斜器及使用方法20世纪80年代，原地矿部把定向钻探技术研究列为“六五”科技攻关项目，探矿工艺研究所主要承担LZ-73连续造斜器及配套器具的研究任务，经过两年多的努力，研究工作获得成功。1985年通过技术鉴定，1986年获原地矿部科技成果一等奖，在LZ-73造斜器的基础上又先后研制成功了LZ-54、LZ-89造斜器及SQ-73随钻取心造斜器，并在国内固体矿床勘查中大面积推广使用，取得了显著的社会效益和经济效益。一、LZ型造斜器结构及工作原理LZ型连续造斜器分为定子和转子两部分，其基本结构见图1所示。定子部分包括单动外壳、工作弹簧、定子外壳、定位套、上半楔、楔形滑块和下半楔。转子部分包括主动轴、定位接头、花键轴、被动轴、短管和钻头。造斜器工作时定子不转动，只是随钻孔沿深度方向向下滑动。当造斜器处于自由状态时，楔形滑块处于回收位置，定位套与定位接头互锁，定子与转子不能相对转动，见图1右。当造斜器加有钻压时，钻压P通过主轴凸肩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钻头。一方面当工作弹簧被压缩时，主动轴同步下移，定位接头与定位套解锁，转子可以转动。另一方面，楔形滑块在钻压作用下产生横向位移，接触孔壁，孔壁对滑块的侧压力Q将造斜器推向孔壁另一侧，因钻头直径大于外壳直径，于是钻头先接触孔壁并对其产生一个侧压力造斜力A。钻进过程中钻头不断在固定方向上铣削孔壁，造成孔斜，见图1左。图1 LZ73连续造斜器结构及工作原理示意图二、LZ型造斜器的主要用途1、地质勘探钻孔纠斜（纠方位角和顶角）；2、施工单底定向孔、多孔底分枝定向孔；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、工作原理独特造斜器的核心部件是上下半楔和滑块。滑块有2个重要作用：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；楔形滑块对孔壁有一个比较大的侧压力，通过滑块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25KN28KN，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：主动轴选用高强度合金钢制造；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。国外同类工具采用的是锁齿左螺旋端面机构，造斜器下入孔内后必须扭转钻杆才能定位。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。本定位机构已获实用新型专利。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与常规钻具有许多不同之处，它有严格的操作规程，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，用垫叉卡在孔口进行定向（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那样开车扫孔，实在下不去时，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、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，千万不要猛合离合器。若造斜钻进无异常情况，可把转速适当提高。若是斜孔，钻具应先称重。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1.22.0m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，然后钻具逐渐加长并及时测斜，根据测斜数据计算钻孔空间位置。8、必须注意：造斜器不能当扫孔钻具使用；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、造斜钻头的选择图2 天然表镶金刚石钻头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金刚石电镀钻头；中硬地层用金刚石天然表镶钻头；偏软地层用硬质合金钻头。天然金刚石表镶钻头钻进效率高、造斜强度高、对地层适应性强，但价格较高。5级以下地层用硬质合金钻头造斜也能取得好的效果。图2就是天然金刚石表镶钻头。11、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、连续造斜器主要技术指标见表1所示。表1 LZ连续造斜器主要技术指标技术性能造斜器型号LZ-54LZ-73LZ-89适用孔径(mm)5660758891110滑块径向最大伸长(mm)252535允许钻孔超径(mm)151520造斜强度(/m)0.31.50.320.61.6钻进规程(配不取心金刚石钻头时)钻压(KN)121825282528转速(r/min)300500100300100200钻井液量(L/min)4060609070150钻具外径(mm)547389钻具长度(mm)185023002400钻具重量(kg)234550寿命(h)808080五、影响造斜器造斜强度的主要因素造斜强度是LZ型连续造斜器重要技术指标，有必要对影响造斜强度的几个主要因素进行分析研究，以便指导施工。（一）结构因素图3 LZ73受力状态示意图Q为孔壁对滑块的侧压力；L1为滑块中点至钻头底部的距离；L2为滑块中点至工具外壳与孔壁切点B的距离；L3为钻头底部至B点的距离；D为钻头直径；d为B点处工具外壳直径如图3所示，滑块楔角为45，在忽略与孔壁摩擦情况下，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。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，通过减小钻头及短管长度来降低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3。表2 不同L1长度的造斜力测定值L1=550mm钻压(N)103601338015600206902375024500造斜力A(N)191021702270243025002580L1=400mm钻压(N)751010070169701800020320228802500026360造斜力A(N)23203700413041704260444045504620L1=350mm钻压(N)5570736012910166202303028430造斜力A(N)218029004800531054905800表3 不同L1长度的造斜强度生产试验值L1=390mm造斜孔深(米)217.38-218.40221.86-223.41227.19-228.84232.64-233.64239.13-240.63265.17-266.17232.52-325.02328.42-330.12累计进尺长度(米)1.021.551.651.01.501.01.501.7010.92钻孔顶角增量1.52312.170.671.171.8313.34平均造斜强度i=1.22/mL1=440mm造斜孔深(米)243.44246.73248.99累计进尺长度(米)1.191.171.513.87钻孔顶角增量0.131.171.833.83平均造斜强度i=0.99/m（二）工艺因素对同一尺寸的造斜器和同一地层而言，提高钻压可以提高造斜强度，但这不是唯一因素，还有工艺因素，因此提出切削速度比概念，如图4所示。造斜器在造斜钻进过程中，钻头既轴向切削孔底又侧向切削孔壁，就是说既有轴向进尺速度V1又有横向切削速度V2，造斜孔段是一条弧线，图4 切削速度比示意图合速度V与弧线相切，tgV2/V1，V2越大,顶角增量越大，造斜强度越高。所以要想提高造斜强度就必须提高切削速度比值，这一点在进尺较快的软地层和水泥孔底上进行无楔分枝均十分重要。1984年在贵州4级泥岩白云岩中试验：钻机转速265r/min，进尺速度1.5m/h，造斜强度0.22/m；钻机转速110r/min，进尺1.04m/h，造斜强度0.53/m。实验证明，岩石越硬，进尺越慢，造斜强度也越高。提高切削速度比的主要途径：1、用低速钻进限制轴向进尺速度，给钻头侧向切削孔壁更多的时间和机会。2、用侧刃锋利钻头，提高侧向切削能力。3、在允许范围内尽量提高钻压。第二部分 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KDJ1磁性定向仪、BD14摆锤定向仪和SZ型水压自动定向仪，其主要技术指标见表4所示，根据不同情况选用不同的定向仪。表4 定向仪主要技术指标技术性能定向仪型号KDJ1BD14SZ73适用钻孔顶角()06035安装角定向精度()7710一次定向所需时间(min)303010仪器长度(mm)27007801300重量(kg)120.720寻找定向位置方式孔口转钻杆孔口转钻杆水压自动仪器外径(mm)3814731、KDJ1磁性定向仪KDJ1磁性定向仪也称直孔定向仪，主要在钻孔顶角小于3的非磁性钻孔中使用。它是利用大地磁场罗盘定向原理逐步寻找定向方向，使用条件是钻杆内径大于38mm，并配有一定长度的无磁钻杆。此种定向仪只在特殊情况下使用。2、BD14摆锤定向仪BD14摆锤定向仪（如图5所示）属于偏重原理定向仪，必须在钻孔顶角大于3的情况下使用。传感器用导线从钻杆中心下入孔内，孔口转动钻杆，摆锤与金属片接触，毫安表指针左右摆动；当摆锤与金属片脱离，指针停在中间零的位置不动，继续转动钻杆，如果零的位置持续时间很短（又称为短零），该位置即是造斜器定向位置。当泥浆比重较大、钻孔斜度较大时，传感器下入很困难。图5 BD14摆锤定向仪结构a孔内传感器；b地表仪器线路1导线；2导线帽；3母线接头；4定向母线；5安装架；6外壳；7二极管；8触片；9摆锤；10密封圈；11连接杆；12调节螺母；13斜口引鞋；14引鞋母线；15定位槽3、SZ型水压自动定向仪图6 SZ型水压自动定向仪1上缸体；2、5纵向通水孔；3压缩弹簧；4上活塞；6外壳；7花键套；8花键；9轴承；10偏重体；11水孔；12双螺旋套；13定向键；14活塞轴；15、17侧水孔；16钢球；18定向标记；19锁母；20弹簧垫圈；21锁接头当钻孔斜度大、泥浆比重大时，有缆式定向仪都很难下入孔内，这种情况下可用水压自动定向仪（如图6所示）。它是利用液压螺旋自动归位原理定向，使用条件是钻孔顶角大于5。定向仪与造斜器在地表联接好，下入孔内，开泵通水，活塞轴上行，与双螺旋套接触时拉动造斜器做上升旋转运动，泵压降低时说明水路全部打开，定向完毕，整个定向过程不超过10分钟。水压自动定向仪在山西中条山深孔纠斜时使用非常成功。4、当孔钻孔较浅而又不具备直孔定向仪使用条件时，可用钻杆划线定向，也能取得较好定向效果。二、造斜器在孔底安装角（面向角）计算造斜器在孔底安装方位不同，所产生的纠、造斜效果也不同，其基本原理如下（如图7所示，图中的上下左右代表钻孔的上下左右侧帮）：当造斜器滑块安装在钻孔上帮时，钻孔向下弯曲，顶角下垂。当滑块安装在钻孔下帮时，钻孔向上弯曲，顶角上漂。当滑块安装在左侧帮时，钻孔顺时针弯曲，方位增大。当滑块安装在右侧帮时，钻孔逆时针弯曲，方位减小。图7 造斜器孔内安装示意图根据不同的纠、造斜目的计算出相应的安装角，造斜器的安装角与钻孔的顶角、方位角及楔顶角有关。安装角计算实际上是球面三角问题，用球面三角公式计算较为精确，但公式过于复杂，不适合在生产现场使用，现推荐作图法，见图8所示。OA为原孔实际方位,其上的5、10代表钻孔顶角，5mm代表1，若钻孔顶角为8（点C）,要求增加方位15，而顶角不变，求安装角及楔顶角。作图方法为：从O点用量角器量出15夹角并画射线OB，用与OA相同的比例尺在OB上截取顶角8点D，并连接CD，角就是造斜器安装角，就是楔顶角，从图中可以量出=100，=2.5。造斜器是无楔造斜，角称为相当楔顶角，相当楔顶角=造斜强度造斜进尺。图8 作图法计算安装角如果要求既有方位角变化又有顶角变化，可根据变化量来确定安装角和楔顶角。应当说明的是：安装角就是以钻孔最下帮为起点，造斜器定向母线所转动的角度。如前面所说的安装角=100，就是以钻孔最下帮为起点，定向母线顺时针旋转100。实际工作中安装角都是在定向仪上直接调出，不必扭转钻杆。这种作图方法是在原钻孔所需顶角、方位角增量基础上作出的，具有简捷明快的特点。作图法实际上是把球面三角问题简化为用平面三角计算，只要钻孔顶角不大于60，计算精确度可以满足生产要求。第三部分 定向孔孔身轨迹设计及钻孔空间位置计算一、定向孔孔身轨迹设计设计定向孔孔身轨迹的目的是便于对钻孔实际轨迹进行控制，指导施工。施工过程中，定向孔的垂直孔深、水平位移和偏离勘探线距离3个重要数据都应当基本与设计数值吻合，偏差过大则不能满足穿靶要求。就岩心钻探而言，一般都把孔身轨迹设计在垂直平面内，即只有顶角变化而无方位变化，这也符合生产实际。孔身轨迹有多种形式，最常用的有直线曲线型和直线曲线直线型两种。（一）直线曲线型孔身轨迹图9 受控定向孔直线曲型孔身轨迹计算图如图9所示，已知开孔顶角0，造斜点孔深L1，靶点垂深H，水平位移S，求解曲线段顶角增量，平均造斜强度i，曲线段弧长L2，中靶孔深L。1、曲线段顶角增量()(公式推导从略)2、曲线段平均造斜强度i(/m)3、曲线段弧长L2（m）4、曲率半径R(m)5、钻孔中靶孔深L（m）例1：某钻孔靶点垂深H=330m，孔口至靶点水平位移S=40m，开孔顶角0=4.6,造斜点孔深L1=231m。求解曲线段顶角增量，平均造斜强度i，曲线段弧长L2及靶点孔深L。把已知数据代入前面公式：如果开孔顶角为0，则上述公式变为：图10 受控定向孔直线曲线直线型孔身轨迹计算图（二）直线曲线直线型孔身轨迹如图10：已知靶点垂直孔深H，水平位移S，开孔顶角0，曲线段平均造斜强度i，造斜点孔深L1，求解曲线段顶角增量，曲线段长度L2和靶点孔深L。其计算公式如下（推导从略）：式中:曲线段长度：其中：靶点孔深:应当说明一点,在选择平均造斜强度时要考虑钻杆的安全性。用50mm钻杆时,i=0.150.2/m为宜，用绳索取心钻杆时建议i=0.1/m。例2：某钻孔开孔顶角0=5,靶点垂深H=500m，水平位移S=80m,曲线段平均造斜强度i=0.3/m，造斜点孔深L1=300m，求解曲线段顶角增量，曲线段长度L2，靶点孔深L。求：靶点孔深二、定向孔空间位置计算定向孔施工过程中，必须随时对钻孔的空间位置进行计算或作图，以便动态掌握孔身轨迹的变化情况并和设计轨迹比照，当实际轨迹和设计轨迹相差较大时，应及时采取纠、造斜措施并最终满足中靶要求。某控制孔段L的空间形态如图11所示。钻孔倾角实际方位与设计方位夹角X L在设计方向水平投影长度Y L在水平面上偏离勘探线长度Z L的垂直投影长度利用三角形关系可以算出以上数值。图11 钻孔空间状态图各测斜点所得出的X、Y、Z数值累加就可以计算出整个钻孔空间形态并作出三维空间曲线图。目前地质单位最常用的计算方法有均角全距法和全角半距法，这两种方法计算误差比较小，基本与钻孔的实际形态相符合。现以全角半距计算方法说明如下：A、B、C为相邻三个测斜点，A、B二点相距L1，B、C二点相距L2，B点倾角，方位差，依据上述公式可得：应当注意两点：1、造斜孔段倾角、方位角变化频繁，应加密测斜，以减少钻孔空间曲线计算误差。2、注意正负值的变化，当实际方位角减设计方位角等于负值时，也应当为负值。钻孔空间位置计算实例见表5。33表5 钻孔弯曲计算表孔号：XXX 设计倾角：80 设计方位：230.75测量深度(m)控制长度(m)实测方位角(度)实测倾斜角(度)钻孔实测方位角与剖面线方位角之差角L在剖面上水平投影长度X=Lcoscos水平投影结果累计长度L在水平面上偏离勘探线长度Y=Xtg控制点偏离勘探线累计长度L在剖面上垂直投影长度Z=Lsin垂直投影累计长度备 注MLXXYYZZ05230.7580.000.870.870.000.004.924.921010226.679.5-4.151.822.69-0.13-0.139.8314.762010230.279.2-0.551.874.56-0.02-0.159.8224.583010230.379.0-0.451.916.47-0.01-0.169.8234.404010227.679.1-3.151.898.36-0.10-0.279.8244.225010224.979.0-5.851.9010.25-0.19-0.469.8254.036010223.6778.8-7.151.9312.18-0.24-0.719.8163.847010215.779.7-15.051.7313.91-0.46-1.179.8473.688010215.579.6-15.251.7415.66-0.47-1.649.8483.529010219.879.1-10.951.8617.51-0.36-2.009.8293.3410022.5221.479.9-9.353.8921.40-0.64-2.64 22.15115.4913522.5220.177.7-10.654.7126.11-0.89-3.5321.98137.4714510216.877.4-13.952.1228.23-0.53-4.069.76147.2315510216.777.5-14.052.1030.33-0.53-4.589.76156.991651021777.3-13.752.1432.46-0.52-5.109.76166.7517527.5215.276.9-15.556.0038.47-1.67-6.7726.78193.5322027.5216.376.4-14.456.2644.73-1.61-8.3926.73220.2623010230.757502.5947.320-8.399.66229.9224010240.7576102.3849.70.42-7.979.70239.62250第四部分 定向钻探案例分析一、易斜矿区深孔定向钻探技术易斜矿区深孔定向钻探主要难点在于钻孔深、靶点深，造斜器定向困难，钻孔轨迹控制困难，准确中靶难度大，不采取特殊措施不能满足地质设计要求。现以山西中条山4个深孔为例，对其技术要点进行分析。山西中条山铜矿峪是大型斑岩铜矿床，地层产状陡,软硬变化大。20世纪50年代、70年代两次进行大规模钻探，但孔斜超差、优质孔率低的问题一直没有解决。孔斜规律是顶角上漂，平均上漂幅度8/100m以上，最大上漂幅度16/100m以上。“七五”后两年，山西地矿局为向国家提交13万吨铜储量，1989年3月，在矿区布置了ZK0001、ZK1002、ZK3001和ZK5001四个深孔，平均孔深815m，以期完成储量任务。地质设计均为顶角上漂3/100m的斜孔。4台钻机5月中旬相继开钻，虽然采取了常规防斜措施，但收效甚微，孔斜超差严重，至8月中旬有2台钻机被迫停钻，生产任务和储量任务受到严重威胁。1989年9月1990年9月，山西214队与探矿工艺研究所合作，开展以LZ73连续造斜器为主体的孔斜防治工作，获得成功。4个钻孔累计纠斜67次，均按设计靶区中靶，如期完成了生产任务和储量任务，挽救濒于报废工作量844m。1996年该项目被原地矿部直管局评为优秀定向科研成果一等奖。山西中条山铜矿峪4个钻孔曲线见图12。图12 中条山4个钻孔曲线图深孔定向钻探技术要点如下：1、造斜器深孔定向技术以ZK1002孔为例，设计孔深900m,靶点孔深825m,孔深500m时已纠斜10次，钻孔多处出现急弯，钻杆回转阻力很大，用缆线式定向仪孔口扭转钻杆寻找定向位置已十分困难，该孔750m才开始见矿，500m700m孔段纠斜工作量还很大，造斜器定向问题不解决，纠斜工作无从谈起。自孔深510m开始使用SZ-73水压自动定向仪定向纠斜15次，定向准确，钻孔轨迹得到控制。全孔共纠斜23次，累计纠斜进尺47.59m,终孔孔深947.69m,靶点孔深825m,中靶误差9.68m,在设计范围内，各项指标符合要求，被评为优质孔，水压自动定向仪为ZK1002孔顺利完工起到了关键性作用。2、先期控制，留有余地铜矿峪矿体埋藏深，矿体厚，最大厚度达200多米，钻孔靶点为矿层厚度中点（计算储量基准点），钻孔进入矿层还要再打一段较长进尺才能到达靶点，矿体围岩为花岗闪长斑岩，矿层内钻孔自然上漂率为612/100m,而矿层内又不允许纠斜，为确保准确穿靶，采用先期控制，留有余地的纠斜方案。所谓先期控制、留有余地，就是进入矿层前最后一次纠斜时钻孔实际顶角小于设计顶角，比如孔深500m，地质设计顶角应为15，实际上应纠成10，留有5的上漂储备。进入矿层钻孔超量上漂与储备量互相抵消，可使钻孔落点控制在靶区范围内，储备量多少要依地层自然弯曲规律而定。铜矿峪的4个钻孔都按先期控制、留有余地方案施工，结果都准确穿靶。3、在小顶角情况下纠斜铜矿峪地层倾角约60，孔斜规律顶层上漂，钻孔与地层夹角越大上漂幅度也越大。以75mm金刚石在绢英岩地层钻进为例：顶角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。4、破碎易斜地层加密纠斜铜矿峪地层另一个特点是软硬换层频繁，层间破碎带分布极广，在较软的绢英片岩及破碎带中孔斜十分突出，25m孔段可上漂940，在这类孔段要加密纠斜次数。ZK1002孔490m575m是急斜孔段，自然上漂率为16/100m,连续纠斜7次，顶角从1728降至1220，抑制了顶角大幅度上漂。5、以控制钻孔孔间形态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。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。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、水泥孔底无楔分枝绕过事故钻具在孔内建造水泥人工孔底，用连续造斜器在水泥孔底上造斜分枝绕过事故钻具是处理孔内事故的好方法，特点是安全、可靠、省力、不留隐患。铜矿峪3个钻孔共出现了4次孔内事故，最浅事故孔深491.5m,最深635.7m,4次事故均按水泥孔底无楔分枝方法处理，顺利绕过事故钻具转入正常钻进，如图13所示。图13水泥孔底分枝示意图水泥孔底无楔分枝技术要求：1、用425525硅酸盐新鲜水泥，水灰比0.40.5，并加速凝剂，72小时后扫孔取出完整灰心，即可造斜分枝，水泥灌注高度以10m为宜。2、水泥灌注前要先清洗钻孔，如果泥浆里含有CMC等高聚物处理剂，就更应用清水反复清洗，否则将影响水泥凝固，达不到造斜所要求强度。3、造斜钻头侧刃要锋利，最好用天然表镶金刚石钻头。4、大压力、低转速。LZ-73、LZ-89造斜器钻压2830KN，钻机转速越低越好。5、造斜完毕，用总长约1.0m的短钻具，配以单管金刚石钻头加大压力钻进，取出半边岩心后，继续短管钻进；取出完整岩心后再逐渐加长岩心管。6、为防止与老孔交叉，造斜器安装方向应与老孔错开。二、用零顶角回避法施工垂直定向孔在矿山工程中往往要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。图14 零顶角回避法原理图在钻孔平面弯曲情况下，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14所示。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。图15 No9孔示意图1985年,甘肃镜铁山矿设计了No9主溜井导向孔（如图15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93.5m204.25m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、钻孔纠方位图16 钻孔纠方位示意图理论和实践都已证明，纠顶角容易纠方位角难，大顶角时纠方位角则更难。如图16所示：OA为原孔实际方位180，现需要使方位增加。假设钻孔顶角为5，偏心楔楔角=3，安装角=90，一次纠方位可增加30，如OC。如果钻孔顶角15，按同样的方法安装，一次纠方位只增加10，如OB。如果用连续造斜器纠斜，一个纠斜回次=1.52.0，方位变化约45。可以看出，钻孔顶角越大，纠方位越困难。凡是打斜孔的矿区，岩矿层产状都比较陡，地质部门为了满足穿矿要求，一般都把钻孔顶角设计得比较大，一旦发生方位漂移，纠斜就十分困难，这种情况下可以和地质部门沟通，运用定向钻探技术改变地质设计。图17 钻机移位示意图如图17所示，原孔位在A点，开孔顶角1=10，可以把孔位移至B点，开孔顶角2=5，边钻进边纠方位边增加顶角，最终按设计部位穿越矿层，不但满足了地质要求，也给钻探施工带来方便。要求钻孔有5顶角开孔，是为造斜器定向方便，现用的定向仪基本是偏重原理，需要5以上顶角才定向可靠；另外也是为了减少造斜工作量，提高效率。四、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18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。图18 长江水下定向钻探示意图第五部分 国内固体矿床定向钻探技术发展途径20世纪80年代初以来，我国固体矿床定向钻探技术取得突破性进展，以LZ型连续造斜器和YL型螺杆钻为代表的孔底造斜工具已经达到国际先进水平，在推广应用中取得了一大批具有代表性的突出成果，为地质勘探事业作出了重要贡献。从20世纪60年代开始，前苏联的科学家大力研究固体矿床定向钻探的基本理论和实践问题。1965年外贝加尔科学研究所研制成功了先进的型连续造斜器（与LZ型造斜器相似），而后又研制成功了更先进的工作更可靠的双支撑和造斜器。80年代后期又研制了定向、造斜一体化造斜器,它不但可以节省定向辅助时间，还可以在孔内多次重复定向。70年代以来，前苏联已经研制出近100种造斜器和数十种定向仪。据统计，1971年1975年前苏联完成了人工受控定向孔7350个，最深定向孔1721m,在一个试验孔中打出19个分枝孔，节约了50%的钻探工作量。随着国民经济的发展，能源和矿物原料的需求量不断增加，国内埋藏较浅的固体矿产资源已逐渐查清，今后的主要目标是深部隐伏矿体勘查，钻探难度越来越大，费用越来越高。如果在有条件矿区施工定向分枝孔，不但可以节省投资，也可以提高地质找矿效果。国内固体矿床定向钻探技术虽然有了突破性进展，但与国外先进水平相比还有较大差距，主要表现在以下几个方面：1、定向钻探工作量较少，高难度定向孔更少。以往施工的多为单底定向孔、一次分枝定向孔，施工工艺比较简单，还缺少复杂高级定向孔施工经验。2、以LZ型为代表的机械式连续造斜器虽然是一种先进造斜工具，但也有它的缺点和不足之处：定子部分依靠楔形滑块对孔壁单点支撑限制其角位移并不十分可靠，影响造斜方位稳定性；造斜钻进阻力大；钻压过大钻杆磨损严重。3、定向仪、测斜仪种类少，更缺少小顶角定向仪、测斜仪。为了适应深孔定向钻探需要，当务之急应加强以下几方面工作：研制更加先进可靠的机械式连续造斜器。研制适合钻孔顶角2的方便可靠的定向仪、测斜仪。研究复杂高级定向孔施工技术与工艺。研究深水平定向孔施工技术与工艺。参考文献1 吴光琳.定向钻进工艺原理.成都科技大学出版社，1991