固体矿床定向钻探技术与应用张文英Word文档格式.docx
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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
35
允许钻孔超径(mm)
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
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
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
7510
10070
16970
18000
20320
22880
25000
26360
2320
3700
4130
4170
4260
4440
4550
4620
L1=350mm
5570
7360
12910
16620
23030
28430
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
1.70
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
243.44
246.73
248.99
1.19
1.17
1.51
3.87
0.13°
3.83°
平均造斜强度i=0.99°
(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°
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
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
10
一次定向所需时间(min)
30
<
仪器长度(mm)
2700
780
1300
重量(kg)
12
0.7
寻找定向位置方式
孔口转钻杆
水压自动
仪器外径(mm)
38
14
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(°
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°
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
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
230.75
80.0
0.87
0.00
4.92
226.6
79.5
-4.15
1.82
2.69
-0.13
9.83
14.76
230.2
79.2
-0.55
1.87
4.56
-0.02
-0.15
9.82
24.58
230.3
79.0
-0.45
1.91
6.47
-0.01
-0.16
34.40
40
227.6
79.1
-3.15
1.89
8.36
-0.10
-0.27
44.22
224.9
-5.85
1.90
10.25
-0.19
-0.46
54.03
60
223.6
778.8
-7.15
1.93
12.18
-0.24
-0.71
9.81
63.84
70
215.7
79.7
-15.05
1.73
13.91
-1.17
9.84
73.68
215.5
79.6
-15.25
1.74
15.66
-0.47
-1.64
83.52
90
219.8
-10.95
1.86
17.51
-0.36
-2.00
93.34
100
22.5
221.4
79.9
-9.35
3.89
21.40
-0.64
-2.64
22.15
115.49
135
220.1
77.7
-10.65
4.71
26.11
-0.89
-3.53
21.98
137.47
145
216.8
77.4
-13.95
2.12
28.23
-0.53
-4.06
9.76
147.23
155
216.7
77.5
-14.05
2.10
30.33
-4.58
156.99
165
217
77.3
-13.75
2.14
32.46
-0.52
-5.10
166.75
175
27.5
215.2
76.9
-15.55
6.00
38.47
-1.67
-6.77
26.78
193.53
220
216.3
76.4
-14.45
6.26
44.73
-1.61
-8.39
26.73
220.26
230
75
2.59
47.32
9.66
229.92
240
240.75
76
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LZ-73连续造斜器为主体的孔斜防
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