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.docx
《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.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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。
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：
⑴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；⑵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25KN～28KN，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：
⑴主动轴选用高强度合金钢制造；⑵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0.5°～2°/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：
⑴孔深大于200m时可直接松卡盘倒杆；⑵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1.2～2.0m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：
⑴造斜器不能当扫孔钻具使用；⑵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1LZ连续造斜器主要技术指标
技术性能
造斜器型号
LZ-54
LZ-73
LZ-89
适用孔径（mm）
56～60
75～88
91～110
滑块径向最大伸长（mm）
25
25
35
允许钻孔超径（mm）
15
15
20
造斜强度（°/m）
0.3～1.5
0.3～2
0.6～1.6
钻进规程（配不取心金刚石钻头时）
钻压（KN）
12～18
25～28
25～28
转速（r/min）
300～500
100～300
100～200
钻井液量（L/min）
40～60
60～90
70～150
钻具外径（mm）
54
73
89
钻具长度（mm）
1850
2300
2400
钻具重量（kg）
23
45
50
寿命（h）
>80
>80
>80
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
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）
10360
13380
15600
20690
23750
24500
造斜力A（N）
1910
2170
2270
2430
2500
2580
L1=400mm
钻压（N）
7510
10070
16970
18000
20320
22880
25000
26360
造斜力A（N）
2320
3700
4130
4170
4260
4440
4550
4620
L1=350mm
钻压（N）
5570
7360
12910
16620
23030
28430
造斜力A（N）
2180
2900
4800
5310
5490
5800
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
-218.40
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°/m
L1=440mm
造斜孔深（米）
243.44
246.73
248.99
累计
进尺长度（米）
1.19
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）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，
合速度V与弧线相切，tgΔα＝V2/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KDJ－1磁性定向仪、BD－14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
KDJ－1
BD－14
SZ－73
适用钻孔顶角（°）
0～60
>3
>5
安装角定向精度（°）
±7
±7
±10
一次定向所需时间（min）
>30
>30
<10
仪器长度（mm）
2700
780
1300
重量（kg）
12
0.7
20
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）
38
14
73
1、KDJ－1磁性定向仪
KDJ－1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、BD－14摆锤定向仪
BD－14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。
3、SZ型水压自动定向仪
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）：
⑴当造斜器滑块安装在钻孔上帮时，钻孔向下弯曲，顶角下垂。
⑵当滑块安装在钻孔下帮时，钻孔向上弯曲，顶角上漂。
⑶当滑块安装在左侧帮时，钻孔顺时针弯曲，方位增大。
⑷当滑块安装在右侧帮时，钻孔逆时针弯曲，方位减小。
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Φ就是造斜器安装角，γ就是楔顶角，从图中可以量出Φ=100°，γ=2.5°。
造斜器是无楔造斜，γ角称为相当楔顶角，相当楔顶角γ=造斜强度×造斜进尺。
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Φ=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
如图9所示，已知开孔顶角θ0，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γ，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γ（°）（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θ0=4.6°,造斜点孔深L1=231m。
求解曲线段顶角增量γ，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：
（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θ0，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γ，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Φ50mm钻杆时,i=0.15°～0.2°/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θ0=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γ，曲线段长度L2，靶点孔深L。
求γ：
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。
β—钻孔倾角
Δа—实际方位与设计方位夹角
ΔX—L在设计方向水平投影长度
ΔY—L在水平面上偏离勘探线长度
ΔZ—L的垂直投影长度
利用三角形关系可以算出以上数值。
各测斜点所得出的ΔX、ΔY、ΔZ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β，方位差Δа，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Δа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。
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=Lcosβcos△α
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△α
控制点偏离勘探线累计长度
L在剖面上垂直投影长度
△Z=Lsinβ
垂直投影累计长度
备注
M
L
α
β
△α
△X
Σ△X
△Y
Σ△Y
△Z
Σ△Z
0
5
230.75
80.0
0
0.87
0.87
0.00
0.00
4.92
4.92
10
10
226.6
79.5
-4.15
1.82
2.69
-0.13
-0.13
9.83
14.76
20
10
230.2
79.2
-0.55
1.87
4.56
-0.02
-0.15
9.82
24.58
30
10
230.3
79.0
-0.45
1.91
6.47
-0.01
-0.16
9.82
34.40
40
10
227.6
79.1
-3.15
1.89
8.36
-0.10
-0.27
9.82
44.22
50
10
224.9
79.0
-5.85
1.90
10.25
-0.19
-0.46
9.82
54.03
60
10
223.6
778.8
-7.15
1.93
12.18
-0.24
-0.71
9.81
63.84
70
10
215.7
79.7
-15.05
1.73
13.91
-0.46
-1.17
9.84
73.68
80
10
215.5
79.6
-15.25
1.74
15.66
-0.47
-1.64
9.84
83.52
90
10
219.8
79.1
-10.95
1.86
17.51
-0.36
-2.00
9.82
93.34
100
22.5
221.4
79.9
-9.35
3.89
21.40
-0.64
-2.64
22.15
115.49
135
22.5
220.1
77.7
-10.65
4.71
26.11
-0.89
-3.53
21.98
137.47
145
10
216.8
77.4
-13.95
2.12
28.23
-0.53
-4.06
9.76
147.23
155
10
216.7
77.5
-14.05
2.10
30.33
-0.53
-4.58
9.76
156.99
165
10
217
77.3
-13.75
2.14
32.46
-0.52
-5.10
9.76
166.75
175
27.5
215.2
76.9
-15.55
6.00
38.47
-1.67
-6.77
26.78
193.53
220
27.5
216.3
76.4
-14.45
6.26
44.73
-1.61
-8.39
26.73
220.26
230
10
230.75
75
0
2.59
47.32
0
-8.39
9.66
229.92
240
10
240.75
76
10
2.38
49.7
0.42
-7.97
9.70
239.62
250
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L
升级会员 