孔底動力機械造斜鑽具有哪些優點

Ⅰ 定向工具及儀器的應用現狀

1.液動螺桿鑽具的應用

液動螺桿是目前施工定向井中造斜段、穩斜段、水平鑽進段的常用鑽具。液動螺桿以鑽井液作為動力介質，底部輸出動力，推動鑽頭工作，這種方法的優點是鑽具可以不轉動，減少了井下鑽具磨損及鑽桿折斷事故，可精確控制井眼軌跡。

螺桿鑽具分為直螺桿、彎螺桿和可調螺桿3種，水平定向鑽進一般採用單彎螺桿鑽具鑽進，其角度有1°，1.25°，1.5°，1.75°等多種，可依據具體情況選用，並配合無磁鑽鋌和測斜儀器組成定向鑽具組合。通過液動鑽進方式實現增斜、降斜，通過復合鑽進方式穩斜，即達到連續鑽井目的，又可隨時調整井眼軌跡。

2.定向測斜儀的應用

定向鑽進主要控制的井身軌跡參數包括：井斜角、方位角、工具面和斜深。在鑽進過程中必須及時測得井眼軌跡參數。應用單點照相測斜儀，有線隨鑽測斜儀和無線隨鑽測斜儀可確定上述參數，水平對接井連通時，還需強磁連通工具。

（1）單點照相測斜儀

這類儀器在國內應用已很普遍，這類儀器在螺桿鑽具上部工作面方面設有定位座，單點照相測斜儀下到定位座位置時，在設定的時間內膠片曝光，膠片上留有該點的井斜角、方位角。適當轉動鑽具可實現工作面的調整，按設定井身軌跡鑽進。單點照相測斜儀操作簡單、性能穩定，但每次測量時需停鑽靜止等待，測出的軌跡不連續，適用於傾斜角不太大的定向井、叢式井施工。

（2）有線隨鑽測斜儀

此測斜儀通過電纜將信號從孔底輸到地表，此種方法傳輸信號衰減小，數據可靠，但需把測量探管的電纜從鑽桿中送入井底，在回次終了需提升儀器，需要專門的水龍頭和電纜絞車。有線隨鑽測斜儀實現了井身軌跡在鑽進時的連續測量，進而隨時控制鑽進軌跡。有線隨鑽儀器使用缺點在於每次加尺時需將探管提升和下放，影響作業時間，在水平段鑽進時，有時依靠鑽井液的沖力使探管下到井底。有線隨鑽適合於井斜較大、井身軌跡要求精度高的井，在地層穩定情況下，在水平段也有應用，但由於煤層的不穩定性，不適合在煤層中水平鑽進。

（3）泥漿脈沖無線隨鑽測斜儀———PMWD

PMWD系統（圖2－1）可將測量的井斜、方位、工具面、井深等數據通過泥漿脈沖介質傳遞到地面，還可在PMWD系統中按放伽馬探管進行隨鑽判層，這點在煤層氣水平鑽井中非常重要。

圖2－2 EM－MWD結構圖

兩井連通過程中採用的技術為近鑽頭電磁測距法———RMRS。RMRS技術的硬體構成報包括強磁短節和強磁探管。強磁短節的長度約為40cm，由橫行排列的多個強磁體組成。它主要用來提供一個恆定的待測磁場，電磁信號的有效傳播距離為40m。探管由3部分組成：扶正器、感測器組件、加重桿，其長度約為3m。當旋轉的強磁短節通過另一井洞穴附近區域時，洞穴中的探管可採集強磁短節產生的磁場強度信號，最後通過採集軟體可准確計算兩井間的距離及當前鑽頭的位置。RMRS必須與 MWD和螺桿馬達等配合使用，鑽具組合通常為：鑽頭＋強磁短節＋馬達＋無磁鑽鋌＋MWD＋鑽桿。目前強磁連通儀器國內無生產，依靠國外引進或國外提供租賃服務。

Ⅱ 受控定向鑽探方法

（一）受控定向鑽探方法概述

受控定向鑽探是用專用的鑽探造斜工具及相應的鑽探工藝，按設計軌跡進行人工控制 鑽孔方向，使鑽孔按最終設計的空間坐標鑽到預定目的層的鑽探方法，是鑽探工程技術中 先進而復雜的一項高新技術。用這種方法完成的定向鑽孔，按鑽孔的空間形態可分為單定 向孔、分支孔、垂直平面羽狀孔和集束孔，如圖6-11所示^{［51，52］}。

圖6-11 定向孔空間形態類型示意圖

定向鑽探技術主要包括定向鑽孔設計、造斜和定向器具、隨鑽測量和施工技術等。其技術核心是造斜工具、定向器具和隨鑽測量系統。

國內造斜工具主要有偏心楔、連續造斜器、有孔底動力機配合的造斜工具3種。在固體礦產鑽探中應用較多的是LZ系列（圖6-12）、CK系列（圖6-13）連續造斜器和YL系列螺桿鑽（圖6-14）。

圖6-12 LZ-54連續造斜器

圖6-13 CK型連續造斜器

圖6-14 勘探技術研究所研製的YL型螺桿鑽具

定向器具常用儀器有BD-14、DD-1和GZ-18等。隨鑽測量系統國際上廣泛應用的有 DOT、EYE、BJ-休斯系統等，國內常用的有ZS-1型、YS-1型兩種。

20世紀80年代至90年代初，定向鑽探在國內固體礦產鑽探中得到了較廣泛的應用。據不完全統計，地礦系統已在12個省局中19個隊的24個礦區和冶金、有色、煤田系統中 5個隊的8個礦區得到應用，施工定向鑽孔177個，累計工作量85326.29 m，節約進尺約 27203.93 m，節省生產費用近400萬元，地質效果和經濟效益顯著^［52］。

在深部找礦鑽探中，當受到某些特殊環境、復雜地層和礦體形態等條件的制約時，采 用常規鑽探方法和技術就很難達到地質目的。譬如，地表建築、江河、湖泊等地下埋藏的 礦體；深部隱伏陡斜礦體、異形礦體（如「U」、「S」形）；強致斜地層下部的礦體；發生 嚴重孔內事故遇阻及嚴重孔斜等。在這種情況下，就應採用定向鑽探技術來解決。因為這 不僅能夠節省鑽探場地和鑽探工作量，節約鑽探成本，而且能夠解決常規鑽探方法無法完 成的勘探任務，達到地質找礦目的。這對深部找礦具有特別重要的意義。

受控定向鑽探的主要優點：

（1）能確保鑽探工作質量，取得更好的地質效果。與普通鑽孔相比，定向孔的控制見礦精度（目標點精度）高，地質資料更加准確、可靠；可控制穿礦遇層角，使之處在比較 理論的數值范圍內，更好地揭露礦體形態、層數。如安徽李樓鏡鐵礦區定向鑽探施工。

（2）能解決常規鑽探很難解決或無法解決的施工難題。當因地表條件限制，如地勢險峻或地表有建築、江河、湖泊等限制或上部地層鑽進極為困難等，可設計採用定向鑽探技 術，避開上述困難，完成鑽探施工任務。如江蘇迂里銀鉛鋅礦、四川唐家金銀鉛鋅礦定向 鑽探等^［51］。

（3）能節約大量鑽探工作量和鑽探費用。採用定向鑽探，除單孔底定向孔外，採用多孔底分支孔可節約分支點以上主孔段工作量，分支孔數量越多，節省工作量越多，從而節 約鑽探費用越多。如安徽冬瓜山銅礦利用多孔底定向鑽探技術節約鑽探工作量9144m，節 約鑽探費用115元^［17］。20世紀80年代至90年代初，我國僅地礦系統施工177個定向孔，節 約進尺27203.93m，占累計工作量的31.9％，節約鑽探費用近400萬元^［52］。深孔鑽探，分支 點以上孔段鑽進困難時，採用定向鑽探節省的工作量和鑽探費用會更加可觀。

（4）能避免或減少因各種原因造成的報廢工作量。當因地層或鑽探技術操作等原因造成鑽孔軸線嚴重偏離設計軸線，或因設計不準造成鑽孔偏離礦體達不到地質目的時，鑽孔 瀕臨報廢，採用定向鑽探可進行糾斜或打分支孔，控制鑽孔軸線按設計要求穿過礦體，避 免鑽孔報廢。如山西中條山銅礦、黑龍江多寶山銅礦等部分鑽孔的處理^［17］。

（5）能使復雜孔內事故簡單化，節約成本，加速進度。當發生嚴重孔內事故，處理非常困難或代價很高時，採用定向鑽探分支孔繞過事故鑽具（或孔段），使嚴重事故簡單化，避免生產停滯的被動局面，節約成本，確保施工進度。如黑龍江多寶山銅礦防治孔斜、處 理多個惡性事故，避免了1123.06m鑽探工作量報廢，節約鑽探費用36.8萬元^［17］。

（二）受控定向鑽探技術應用條件

由於受地質構造的影響，地層會發生斷裂、破碎、褶皺而變得復雜，同時礦體的形態 也會多種多樣、千變萬化，有的陡斜，有的異形（圖6-15），有的埋藏在地表建築、江河、湖泊之下。在這些情況下，採用常規的鑽探技術方法難以達到地質目的，即使能達到，也 要付出更大的代價。另外，找礦鑽探過程中，有時會因為地層復雜等發生嚴重的孔內事故 或鑽孔嚴重偏斜。解決上述難題，受控定向鑽探技術將發揮其獨特的作用。在深部找礦鑽 探中，以WL鑽探技術為基礎，在適合條件下組合應用受控定向鑽探技術，對節約鑽探工 作量和鑽探成本、提高地質找礦質量、縮短勘探周期有著特別重要的意義。

對深部找礦鑽探，受控定向鑽探具體可在以下條件下應用：

（1）若礦體產狀陡且向下延長較深，通常需要用數個斜孔來控制的情況下，可設計分支定向鑽孔，並根據具體情況設計成一級或多級分支孔。

圖6-15 「異形」礦體示意圖

（2）對勘探網度密的深部盲礦體、透鏡狀礦體以及其他異形礦體等，可設計採用多方位分支孔或多級分支孔定向鑽探。

（3）深部礦體產狀較平緩，礦層厚度不大，勘探網度中等或較密的礦區，可採用定向鑽探技術設計多方位分支孔。

（4）在深孔上部孔段為鑽進困難地層，如有很厚的流沙卵石層、堅硬地層、強致斜地層等，鑽進與護孔十分困難，為避免重復穿過此類困難地層，可設計採用分支定向孔。

（5）當地表地勢險峻，築路平地基工作量很大或地表有建築、江河、湖泊不能直接安裝鑽機時，可設計採用單孔定向鑽孔或分支定向鑽孔。

（6）在鑽孔彎曲嚴重或發生嚴重孔內事故以及需要補取礦心時，可設計採用分支定向孔糾正鑽孔偏斜或繞過事故鑽具或補取所需礦心，以達到預期目的。

（三）受控定向鑽探技術組合應用技術經濟分析

1.技術效果

受控定向鑽探技術效果主要表現在兩個方面，一是地質效果，以中靶點的偏靶數據來 衡量，這也是評價定向孔地質效果的專項質量指標，它基本反映了定向孔採用受控定向鑽 探技術的總體技術水平，因而是評價定向鑽探技術效果的一個重要方面。二是台月效率，這是定向鑽探技術效果綜合評價的重要指標，這一指標與普通鑽孔有可比性。

評價定向孔鑽探技術效果，應區別進行分析。對整個定向孔評價，與普通孔一樣，通過實際台效衡量。

深部找礦鑽探技術與實踐

式中：E_d——定向孔實際台效；

L_d——定向孔實際進尺；

q_d——定向孔實際台月數。

由於受控定向孔造斜孔段的機械鑽速比普通鑽進低，而輔助時間一般比普通鑽進長，因此，同一礦區施工的整個定向孔的台效一般要低於普通單孔身鑽孔。當然，當採用單孔 受控定向施工躲開了鑽進極為困難的復雜岩層或其他復雜情況，抑或是採用初級定向孔（不糾斜時），其實際台效才有可能高於原普通單孔身鑽孔的台效。

對於多孔底鑽孔的分支孔評價，不應與普通孔一樣用實際台月效率衡量，而應用摺合台效。

深部找礦鑽探技術與實踐

式中：E_f—定向分支孔摺合台效；

L_f——分支孔實際進尺；

L_j——分支孔節約進尺；

q_f——分支孔實際台月數。

從式6-2中不難看出，定向分支孔摺合台效E不一定比普通單孔身鑽孔低。因為分支孔摺合台效與其節約進尺多少有關，節約進尺越多，其摺合台效則越高。

當L_j＞q_f·L_p/q_p-L_f，

則E_f＞E_p。

式中：L_p——普通單孔身鑽孔實際進尺

q_p——普通單孔身鑽孔實際台月數

對深孔鑽探，採用受控定向鑽探技術施工分支孔，一般可從更深的孔段進行分支，這就是說節約的進尺（L_j）較多，因而分支孔摺合台效通常情況下較高。故在深孔鑽探中條 件適宜的情況下，採用受控定向鑽探技術會取得更好的技術、經濟效果。

2.深孔受控定向鑽探經濟性分析

地質找礦鑽探，最終成果主要體現在地質效果和經濟效益兩個方面，要在保證地質效果的前提下提高經濟效益。

一般單孔底定向孔，由於增加了專用造斜工具等的投入費用以及輔助工作時間等，通 常總成本比普通鑽孔高，經濟效益不好。但是在某些情況下，如鑽孔形態（包括頂角、方 位角）超差，不能達到地質目的，或地表有障礙物不宜安裝鑽機或安裝鑽機所需投入很大 時，為達到地質效果，還是應該採用受控定向鑽探技術。這種情況下，其經濟效益就不能 與普通鑽孔相比，而應該主要看其產生的地質效果。若考慮到實施定向鑽探可挽回鑽孔報 廢帶來的經濟損失，減少人力和時間的浪費，或者與克服嚴重不利條件進行的投入相比，其經濟效果還是非常可觀的。

對多孔底定向孔，由於分支孔代替普通單孔施工後可節約分支點以上的工作量和設備 安裝、拆卸、搬運以及平地基、修路等費用，當節約的費用超過專用造斜工具的攤銷費和 因輔助工作時間增加而附加的台班費時，分支孔就可取得好的經濟效益。實踐證明，在過 去較淺孔鑽探時，當條件適合，設計採用受控定向鑽探，尚能取得良好的地質效果和巨大 的經濟效益，對深部找礦鑽探，顯然同樣數量的分支孔，可節約更多的工作量，其經濟效 益會更加顯著。

假設某礦採用直線—曲線—直線型孔身設計（圖6-16），已知靶點垂直孔深H，水平位移S，開孔頂角θ₀，曲線段平均造斜強度i，造斜點孔深L₁，求解曲線段頂角增量γ，曲線 段弧長L₂和靶點孔身L。其公式如下：

圖6-16 受控定向孔直線—曲線—直線型孔身軌跡計算圖

深部找礦鑽探技術與實踐

式中：

深部找礦鑽探技術與實踐

深部找礦鑽探技術與實踐

曲線段弧長：

深部找礦鑽探技術與實踐

深部找礦鑽探技術與實踐

式中：θ_t＝θ₀＋γ

靶點孔深：

深部找礦鑽探技術與實踐

在選擇平均造斜強度時要考慮鑽桿的安全性。用φ50mm鑽桿時，i＝0.15°～0.2°/m為宜，用WL鑽桿時建議i＝0.1°/m。

若將鑽孔垂深（H）設計為1500m或2000m，要求水平位移S為200m，分別計算出對應不同造斜點孔深的各孔段長度和靶點孔深（表6-5），由表6-5可明顯看出：隨著造斜點孔 深L1的增加，直線段L₃長度逐漸減少。為使所設計的鑽孔能滿足穿過地下礦層的要求，L₃ 的長度需滿足一定的要求，即大於所穿礦層厚度。通過計算可知，當H＝1500m時，L₁的最 大距離為1293.4m；當H＝2000m時，L₁的最大距離為1874m。

表6-5 直線—曲線—直線型孔身基本參數與軌跡計算

假設H＝1500m，若從1200m開始分支，可節約工作量約1180m。對於一個設計分支孔為10個的礦區，可節約工作量11800m，若每米價格按450元計算，扣除因採用定 向鑽探增加的費用（每個分支孔按15萬元），則可節約直接成本：11800×0.045- 15×10＝381萬元。

假設H＝2000m，若從1700m開始分支，可節約工作量約1690m。對於一個設計分支孔為10個的礦區，可節約工作量16900m，若每米價格按500元計算，扣除因採用 定向鑽探增加的費用（每個分支孔按15萬元），則可節約直接成本：16900×0.05- 15×10＝695萬元。

Ⅲ 全液壓水井鑽機優點。

全液水壓井鑽機的優缺點
1優點與轉盤鑽機相比，全液壓水井鑽機具有無法比擬的優點。
（1）液壓傳動的動力頭可實現無級調速，可滿足不同的鑽進工藝要求；
（2）不需要使用方鑽桿，在升降鑽具時可以節省大量輔助時間，從而提高純鑽時間；（3）通過液壓控制，可實現鑽具的液壓給進加壓及減壓鑽進；
（4）可以邊回轉邊起下鑽具，方便處理孔內塌方，減少孔內事故；
（5）動力頭鑽機都是長行程給進方式，滿足了多工藝鑽進機械轉速高的要求； （6）機械化程度比較高，降低勞動強度；
（7）部件間連接只是用管路連接，所以液壓傳動的鑽機便於改裝，可以按使用要求方便地增設不同機構；
（8）由於回轉給進及鑽具起下可同時操作，且配置了液壓動力系統，因此鑽機可在需要時快速變換不同的鑽進工藝；
（9）由於鑽具配置了動力頭給進功能，可實現下述作業：
①深孔鑽進時，可採用鑽具陀螺式重力張力結構減壓鑽進，以提高鑽孔的垂直精度；
②利用鑽桿的正壓給進與壓漿塞，可在套管內向孔壁進行水泥砂漿壓注，使水泥砂漿壓向孔壁四邊，產生壓滲填充孔壁間的空隙，滿足密封要求，不需使用水泥砂漿壓漿泵；
③在下置套管有困難時，可利用動力頭的給進力把套管壓入孔內，如壓入仍有困難時，在動力頭回轉軸端，可接上氣動潛孔錘，經過木板塊墊壓，利用潛孔錘的氣動沖擊能量對套管沖擊敲打，壓入孔內，以完成套管的下放工序。
2缺點：全液壓水井鑽機與機械轉盤鑽機相比也有以下不足的地方。
（1）成本相對較高：由於全液壓鑽機多採用車載形式，鑽機須實現不同鑽進工藝的需求，操作須方便快捷，所以使得設備復雜龐大，而且由於全液壓動力頭鑽機採用液壓驅動，鑽機的液壓元件繁多且對液壓元件的質量要求很高，這就使得鑽機的成本較普通的轉盤鑽機高很多；
（2）維修困難：轉盤鑽機通常以機械傳動為主，一般不容易發生機械方面的故障，即使發生故障也很容易檢修，而對於全液壓鑽機，液壓系統往往有幾百根液壓管線和幾十個工作閥組構成，在鑽機使用中，有時會出現一系列由於液壓系統發生故障而導致鑽機不能正常工作的問題，則需要在幾百根液壓管線和幾十個工作閥組中尋找問題根源，設備出現問題確診困難，維修困難；
（3）起下鑽效率較低：車裝水井鑽機桅桿高度有限，起下鑽立根較短，起下鑽次數變多，與散裝鑽機鑽塔相比較起下鑽效率較低，隨著孔深的不斷增加，立根長度對施工時間的影響逐漸明顯。