孔底动力机械造斜钻具有哪些优点

Ⅰ 定向工具及仪器的应用现状

1.液动螺杆钻具的应用

液动螺杆是目前施工定向井中造斜段、稳斜段、水平钻进段的常用钻具。液动螺杆以钻井液作为动力介质，底部输出动力，推动钻头工作，这种方法的优点是钻具可以不转动，减少了井下钻具磨损及钻杆折断事故，可精确控制井眼轨迹。

螺杆钻具分为直螺杆、弯螺杆和可调螺杆3种，水平定向钻进一般采用单弯螺杆钻具钻进，其角度有1°，1.25°，1.5°，1.75°等多种，可依据具体情况选用，并配合无磁钻铤和测斜仪器组成定向钻具组合。通过液动钻进方式实现增斜、降斜，通过复合钻进方式稳斜，即达到连续钻井目的，又可随时调整井眼轨迹。

2.定向测斜仪的应用

定向钻进主要控制的井身轨迹参数包括：井斜角、方位角、工具面和斜深。在钻进过程中必须及时测得井眼轨迹参数。应用单点照相测斜仪，有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪可确定上述参数，水平对接井连通时，还需强磁连通工具。

（1）单点照相测斜仪

这类仪器在国内应用已很普遍，这类仪器在螺杆钻具上部工作面方面设有定位座，单点照相测斜仪下到定位座位置时，在设定的时间内胶片曝光，胶片上留有该点的井斜角、方位角。适当转动钻具可实现工作面的调整，按设定井身轨迹钻进。单点照相测斜仪操作简单、性能稳定，但每次测量时需停钻静止等待，测出的轨迹不连续，适用于倾斜角不太大的定向井、丛式井施工。

（2）有线随钻测斜仪

此测斜仪通过电缆将信号从孔底输到地表，此种方法传输信号衰减小，数据可靠，但需把测量探管的电缆从钻杆中送入井底，在回次终了需提升仪器，需要专门的水龙头和电缆绞车。有线随钻测斜仪实现了井身轨迹在钻进时的连续测量，进而随时控制钻进轨迹。有线随钻仪器使用缺点在于每次加尺时需将探管提升和下放，影响作业时间，在水平段钻进时，有时依靠钻井液的冲力使探管下到井底。有线随钻适合于井斜较大、井身轨迹要求精度高的井，在地层稳定情况下，在水平段也有应用，但由于煤层的不稳定性，不适合在煤层中水平钻进。

（3）泥浆脉冲无线随钻测斜仪———PMWD

PMWD系统（图2－1）可将测量的井斜、方位、工具面、井深等数据通过泥浆脉冲介质传递到地面，还可在PMWD系统中按放伽马探管进行随钻判层，这点在煤层气水平钻井中非常重要。

图2－2 EM－MWD结构图

两井连通过程中采用的技术为近钻头电磁测距法———RMRS。RMRS技术的硬件构成报包括强磁短节和强磁探管。强磁短节的长度约为40cm，由横行排列的多个强磁体组成。它主要用来提供一个恒定的待测磁场，电磁信号的有效传播距离为40m。探管由3部分组成：扶正器、传感器组件、加重杆，其长度约为3m。当旋转的强磁短节通过另一井洞穴附近区域时，洞穴中的探管可采集强磁短节产生的磁场强度信号，最后通过采集软件可准确计算两井间的距离及当前钻头的位置。RMRS必须与 MWD和螺杆马达等配合使用，钻具组合通常为：钻头＋强磁短节＋马达＋无磁钻铤＋MWD＋钻杆。目前强磁连通仪器国内无生产，依靠国外引进或国外提供租赁服务。

Ⅱ 受控定向钻探方法

（一）受控定向钻探方法概述

受控定向钻探是用专用的钻探造斜工具及相应的钻探工艺，按设计轨迹进行人工控制 钻孔方向，使钻孔按最终设计的空间坐标钻到预定目的层的钻探方法，是钻探工程技术中 先进而复杂的一项高新技术。用这种方法完成的定向钻孔，按钻孔的空间形态可分为单定 向孔、分支孔、垂直平面羽状孔和集束孔，如图6-11所示^{［51，52］}。

图6-11 定向孔空间形态类型示意图

定向钻探技术主要包括定向钻孔设计、造斜和定向器具、随钻测量和施工技术等。其技术核心是造斜工具、定向器具和随钻测量系统。

国内造斜工具主要有偏心楔、连续造斜器、有孔底动力机配合的造斜工具3种。在固体矿产钻探中应用较多的是LZ系列（图6-12）、CK系列（图6-13）连续造斜器和YL系列螺杆钻（图6-14）。

图6-12 LZ-54连续造斜器

图6-13 CK型连续造斜器

图6-14 勘探技术研究所研制的YL型螺杆钻具

定向器具常用仪器有BD-14、DD-1和GZ-18等。随钻测量系统国际上广泛应用的有 DOT、EYE、BJ-休斯系统等，国内常用的有ZS-1型、YS-1型两种。

20世纪80年代至90年代初，定向钻探在国内固体矿产钻探中得到了较广泛的应用。据不完全统计，地矿系统已在12个省局中19个队的24个矿区和冶金、有色、煤田系统中 5个队的8个矿区得到应用，施工定向钻孔177个，累计工作量85326.29 m，节约进尺约 27203.93 m，节省生产费用近400万元，地质效果和经济效益显著^［52］。

在深部找矿钻探中，当受到某些特殊环境、复杂地层和矿体形态等条件的制约时，采 用常规钻探方法和技术就很难达到地质目的。譬如，地表建筑、江河、湖泊等地下埋藏的 矿体；深部隐伏陡斜矿体、异形矿体（如“U”、“S”形）；强致斜地层下部的矿体；发生 严重孔内事故遇阻及严重孔斜等。在这种情况下，就应采用定向钻探技术来解决。因为这 不仅能够节省钻探场地和钻探工作量，节约钻探成本，而且能够解决常规钻探方法无法完 成的勘探任务，达到地质找矿目的。这对深部找矿具有特别重要的意义。

受控定向钻探的主要优点：

（1）能确保钻探工作质量，取得更好的地质效果。与普通钻孔相比，定向孔的控制见矿精度（目标点精度）高，地质资料更加准确、可靠；可控制穿矿遇层角，使之处在比较 理论的数值范围内，更好地揭露矿体形态、层数。如安徽李楼镜铁矿区定向钻探施工。

（2）能解决常规钻探很难解决或无法解决的施工难题。当因地表条件限制，如地势险峻或地表有建筑、江河、湖泊等限制或上部地层钻进极为困难等，可设计采用定向钻探技 术，避开上述困难，完成钻探施工任务。如江苏迂里银铅锌矿、四川唐家金银铅锌矿定向 钻探等^［51］。

（3）能节约大量钻探工作量和钻探费用。采用定向钻探，除单孔底定向孔外，采用多孔底分支孔可节约分支点以上主孔段工作量，分支孔数量越多，节省工作量越多，从而节 约钻探费用越多。如安徽冬瓜山铜矿利用多孔底定向钻探技术节约钻探工作量9144m，节 约钻探费用115元^［17］。20世纪80年代至90年代初，我国仅地矿系统施工177个定向孔，节 约进尺27203.93m，占累计工作量的31.9％，节约钻探费用近400万元^［52］。深孔钻探，分支 点以上孔段钻进困难时，采用定向钻探节省的工作量和钻探费用会更加可观。

（4）能避免或减少因各种原因造成的报废工作量。当因地层或钻探技术操作等原因造成钻孔轴线严重偏离设计轴线，或因设计不准造成钻孔偏离矿体达不到地质目的时，钻孔 濒临报废，采用定向钻探可进行纠斜或打分支孔，控制钻孔轴线按设计要求穿过矿体，避 免钻孔报废。如山西中条山铜矿、黑龙江多宝山铜矿等部分钻孔的处理^［17］。

（5）能使复杂孔内事故简单化，节约成本，加速进度。当发生严重孔内事故，处理非常困难或代价很高时，采用定向钻探分支孔绕过事故钻具（或孔段），使严重事故简单化，避免生产停滞的被动局面，节约成本，确保施工进度。如黑龙江多宝山铜矿防治孔斜、处 理多个恶性事故，避免了1123.06m钻探工作量报废，节约钻探费用36.8万元^［17］。

（二）受控定向钻探技术应用条件

由于受地质构造的影响，地层会发生断裂、破碎、褶皱而变得复杂，同时矿体的形态 也会多种多样、千变万化，有的陡斜，有的异形（图6-15），有的埋藏在地表建筑、江河、湖泊之下。在这些情况下，采用常规的钻探技术方法难以达到地质目的，即使能达到，也 要付出更大的代价。另外，找矿钻探过程中，有时会因为地层复杂等发生严重的孔内事故 或钻孔严重偏斜。解决上述难题，受控定向钻探技术将发挥其独特的作用。在深部找矿钻 探中，以WL钻探技术为基础，在适合条件下组合应用受控定向钻探技术，对节约钻探工 作量和钻探成本、提高地质找矿质量、缩短勘探周期有着特别重要的意义。

对深部找矿钻探，受控定向钻探具体可在以下条件下应用：

（1）若矿体产状陡且向下延长较深，通常需要用数个斜孔来控制的情况下，可设计分支定向钻孔，并根据具体情况设计成一级或多级分支孔。

图6-15 “异形”矿体示意图

（2）对勘探网度密的深部盲矿体、透镜状矿体以及其他异形矿体等，可设计采用多方位分支孔或多级分支孔定向钻探。

（3）深部矿体产状较平缓，矿层厚度不大，勘探网度中等或较密的矿区，可采用定向钻探技术设计多方位分支孔。

（4）在深孔上部孔段为钻进困难地层，如有很厚的流沙卵石层、坚硬地层、强致斜地层等，钻进与护孔十分困难，为避免重复穿过此类困难地层，可设计采用分支定向孔。

（5）当地表地势险峻，筑路平地基工作量很大或地表有建筑、江河、湖泊不能直接安装钻机时，可设计采用单孔定向钻孔或分支定向钻孔。

（6）在钻孔弯曲严重或发生严重孔内事故以及需要补取矿心时，可设计采用分支定向孔纠正钻孔偏斜或绕过事故钻具或补取所需矿心，以达到预期目的。

（三）受控定向钻探技术组合应用技术经济分析

1.技术效果

受控定向钻探技术效果主要表现在两个方面，一是地质效果，以中靶点的偏靶数据来 衡量，这也是评价定向孔地质效果的专项质量指标，它基本反映了定向孔采用受控定向钻 探技术的总体技术水平，因而是评价定向钻探技术效果的一个重要方面。二是台月效率，这是定向钻探技术效果综合评价的重要指标，这一指标与普通钻孔有可比性。

评价定向孔钻探技术效果，应区别进行分析。对整个定向孔评价，与普通孔一样，通过实际台效衡量。

深部找矿钻探技术与实践

式中：E_d——定向孔实际台效；

L_d——定向孔实际进尺；

q_d——定向孔实际台月数。

由于受控定向孔造斜孔段的机械钻速比普通钻进低，而辅助时间一般比普通钻进长，因此，同一矿区施工的整个定向孔的台效一般要低于普通单孔身钻孔。当然，当采用单孔 受控定向施工躲开了钻进极为困难的复杂岩层或其他复杂情况，抑或是采用初级定向孔（不纠斜时），其实际台效才有可能高于原普通单孔身钻孔的台效。

对于多孔底钻孔的分支孔评价，不应与普通孔一样用实际台月效率衡量，而应用折合台效。

深部找矿钻探技术与实践

式中：E_f—定向分支孔折合台效；

L_f——分支孔实际进尺；

L_j——分支孔节约进尺；

q_f——分支孔实际台月数。

从式6-2中不难看出，定向分支孔折合台效E不一定比普通单孔身钻孔低。因为分支孔折合台效与其节约进尺多少有关，节约进尺越多，其折合台效则越高。

当L_j＞q_f·L_p/q_p-L_f，

则E_f＞E_p。

式中：L_p——普通单孔身钻孔实际进尺

q_p——普通单孔身钻孔实际台月数

对深孔钻探，采用受控定向钻探技术施工分支孔，一般可从更深的孔段进行分支，这就是说节约的进尺（L_j）较多，因而分支孔折合台效通常情况下较高。故在深孔钻探中条 件适宜的情况下，采用受控定向钻探技术会取得更好的技术、经济效果。

2.深孔受控定向钻探经济性分析

地质找矿钻探，最终成果主要体现在地质效果和经济效益两个方面，要在保证地质效果的前提下提高经济效益。

一般单孔底定向孔，由于增加了专用造斜工具等的投入费用以及辅助工作时间等，通 常总成本比普通钻孔高，经济效益不好。但是在某些情况下，如钻孔形态（包括顶角、方 位角）超差，不能达到地质目的，或地表有障碍物不宜安装钻机或安装钻机所需投入很大 时，为达到地质效果，还是应该采用受控定向钻探技术。这种情况下，其经济效益就不能 与普通钻孔相比，而应该主要看其产生的地质效果。若考虑到实施定向钻探可挽回钻孔报 废带来的经济损失，减少人力和时间的浪费，或者与克服严重不利条件进行的投入相比，其经济效果还是非常可观的。

对多孔底定向孔，由于分支孔代替普通单孔施工后可节约分支点以上的工作量和设备 安装、拆卸、搬运以及平地基、修路等费用，当节约的费用超过专用造斜工具的摊销费和 因辅助工作时间增加而附加的台班费时，分支孔就可取得好的经济效益。实践证明，在过 去较浅孔钻探时，当条件适合，设计采用受控定向钻探，尚能取得良好的地质效果和巨大 的经济效益，对深部找矿钻探，显然同样数量的分支孔，可节约更多的工作量，其经济效 益会更加显著。

假设某矿采用直线—曲线—直线型孔身设计（图6-16），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 段弧长L₂和靶点孔身L。其公式如下：

图6-16 受控定向孔直线—曲线—直线型孔身轨迹计算图

深部找矿钻探技术与实践

式中：

深部找矿钻探技术与实践

深部找矿钻探技术与实践

曲线段弧长：

深部找矿钻探技术与实践

深部找矿钻探技术与实践

式中：θ_t＝θ₀＋γ

靶点孔深：

深部找矿钻探技术与实践

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WL钻杆时建议i＝0.1°/m。

若将钻孔垂深（H）设计为1500m或2000m，要求水平位移S为200m，分别计算出对应不同造斜点孔深的各孔段长度和靶点孔深（表6-5），由表6-5可明显看出：随着造斜点孔 深L1的增加，直线段L₃长度逐渐减少。为使所设计的钻孔能满足穿过地下矿层的要求，L₃ 的长度需满足一定的要求，即大于所穿矿层厚度。通过计算可知，当H＝1500m时，L₁的最 大距离为1293.4m；当H＝2000m时，L₁的最大距离为1874m。

表6-5 直线—曲线—直线型孔身基本参数与轨迹计算

假设H＝1500m，若从1200m开始分支，可节约工作量约1180m。对于一个设计分支孔为10个的矿区，可节约工作量11800m，若每米价格按450元计算，扣除因采用定 向钻探增加的费用（每个分支孔按15万元），则可节约直接成本：11800×0.045- 15×10＝381万元。

假设H＝2000m，若从1700m开始分支，可节约工作量约1690m。对于一个设计分支孔为10个的矿区，可节约工作量16900m，若每米价格按500元计算，扣除因采用 定向钻探增加的费用（每个分支孔按15万元），则可节约直接成本：16900×0.05- 15×10＝695万元。

Ⅲ 全液压水井钻机优点。

全液水压井钻机的优缺点
1优点与转盘钻机相比，全液压水井钻机具有无法比拟的优点。
（1）液压传动的动力头可实现无级调速，可满足不同的钻进工艺要求；
（2）不需要使用方钻杆，在升降钻具时可以节省大量辅助时间，从而提高纯钻时间；（3）通过液压控制，可实现钻具的液压给进加压及减压钻进；
（4）可以边回转边起下钻具，方便处理孔内塌方，减少孔内事故；
（5）动力头钻机都是长行程给进方式，满足了多工艺钻进机械转速高的要求； （6）机械化程度比较高，降低劳动强度；
（7）部件间连接只是用管路连接，所以液压传动的钻机便于改装，可以按使用要求方便地增设不同机构；
（8）由于回转给进及钻具起下可同时操作，且配置了液压动力系统，因此钻机可在需要时快速变换不同的钻进工艺；
（9）由于钻具配置了动力头给进功能，可实现下述作业：
①深孔钻进时，可采用钻具陀螺式重力张力结构减压钻进，以提高钻孔的垂直精度；
②利用钻杆的正压给进与压浆塞，可在套管内向孔壁进行水泥砂浆压注，使水泥砂浆压向孔壁四边，产生压渗填充孔壁间的空隙，满足密封要求，不需使用水泥砂浆压浆泵；
③在下置套管有困难时，可利用动力头的给进力把套管压入孔内，如压入仍有困难时，在动力头回转轴端，可接上气动潜孔锤，经过木板块垫压，利用潜孔锤的气动冲击能量对套管冲击敲打，压入孔内，以完成套管的下放工序。
2缺点：全液压水井钻机与机械转盘钻机相比也有以下不足的地方。
（1）成本相对较高：由于全液压钻机多采用车载形式，钻机须实现不同钻进工艺的需求，操作须方便快捷，所以使得设备复杂庞大，而且由于全液压动力头钻机采用液压驱动，钻机的液压元件繁多且对液压元件的质量要求很高，这就使得钻机的成本较普通的转盘钻机高很多；
（2）维修困难：转盘钻机通常以机械传动为主，一般不容易发生机械方面的故障，即使发生故障也很容易检修，而对于全液压钻机，液压系统往往有几百根液压管线和几十个工作阀组构成，在钻机使用中，有时会出现一系列由于液压系统发生故障而导致钻机不能正常工作的问题，则需要在几百根液压管线和几十个工作阀组中寻找问题根源，设备出现问题确诊困难，维修困难；
（3）起下钻效率较低：车装水井钻机桅杆高度有限，起下钻立根较短，起下钻次数变多，与散装钻机钻塔相比较起下钻效率较低，随着孔深的不断增加，立根长度对施工时间的影响逐渐明显。