前述保直防斜措施並非萬能。當巖層各向異性及結構構造影響嚴重,傳統防斜技術很難奏效時,必須采用特殊機具人為使鉆孔沿設計軌跡向目標延伸。
(壹)受控定向鉆進工藝技術
1.定向鉆孔軌跡控制流程
受控定向鉆孔軌跡可以設計成單孔底、多孔底、羽狀、傘形、“U”形、“S”形等不同類型,各類定向鉆孔的軌跡控制工藝流程基本相同,如圖7-22所示。
2.鉆孔軌跡控制機具
目前人工控制鉆孔軌跡的機具主要有:液動螺桿鉆、渦輪鉆、機械式連續造斜器等。其中液動螺桿鉆在受控定向鉆孔中使用最廣泛,下面主要以螺桿鉆為例進行介紹。
3.鉆孔軌跡彎曲強度的控制
鉆孔軌跡彎曲強度包括單位長度頂角變化率和方位角變化率。頂角和方位角變化率合成稱為鉆孔全彎曲強度。其表達式是:
圖7-22 定向鉆孔軌跡控制工藝流程
i=γ/ΔL (7-39)
cosγ=cosθAcosθB+sinθAsinθBcos(αB-αA)(7-40)
式中:i為鉆孔全彎曲強度;γ為鉆孔全彎曲角;ΔL為孔段長度;θA、θB、αA、αB分別為ΔL孔段上下測點頂角和方位角。
軌跡控制過程中,在同壹條件下糾偏機具彎曲角度越大,鉆孔糾偏全彎曲強度就越大;同壹角度的糾偏機具,彎曲點越靠近鉆頭,糾偏強度就越大。液動螺桿鉆糾偏鉆具常使用彎外管(萬向節外直管處設計成不同角度的彎管)形式的糾偏件。彎外管角度分別有0.5°、1°、1.2°、1.5°、2°等幾種。彎外管角度的大小應根據設計鉆孔軌跡控制強度來選擇,其選擇原則是:
1)鉆孔初始分支點要選較大角度彎外管(常用1.5°)以增加鉆具的側向力。
2)軟巖層糾偏選擇較小角度的彎外管,反之選擇較大角度的。
3)鉆孔同徑糾偏時選擇較大角度彎外管,小壹級口徑糾偏時選擇較小角度的彎外殼。
4)連續糾偏進尺長時選擇小角度彎外管,連續糾偏進尺少時,選擇較大角度的彎外管。
5)根據不同鉆進方法選擇彎外管角度。常規鉆桿鉆進時選用角度稍大的彎外管,繩索取心鉆進選用較小角度的彎外管。壹般情況下,普通小口徑金剛石鉆進鉆孔軌跡曲率半徑控制在≥300m,可以保證鉆孔安全鉆進。
實際應用舉例:
1)華南於都—贛縣礦集區科學鉆探選址預研究NLSD-1孔中采用螺桿鉆彎外管糾偏鉆具,在1700m孔段糾偏85次,累計糾偏進尺138.13m。選擇1°彎外管,平均糾偏強度為0.1°～0.15°/m,鉆孔的曲率半徑控制在286～573m之間。采用H、N系列口徑繩索取心金剛石鉆進,對鉆具的回轉阻力及內管打撈影響不大,孔內鉆桿折斷事故較少。
2)霍邱重新集鐵礦ZK44孔設計為定向鉆孔,糾偏孔段選擇1.25°彎外管,糾偏強度為0.3°～0.35°/m,最大強度可達0.5°/m,平均曲率半徑為156.2m,最小為114.6m。鉆孔終孔口徑為Φ76mm,用Φ50mm外絲普通鉆桿鉆進,糾偏孔段采用交替鉆進方法(用螺桿鉆糾偏2～3m,再用常規鉆進3～5m)。鉆孔軌跡在其曲率半徑下,鉆桿極少有折斷現象發生,能滿足施工要求。
由此可以得出結論:為保證受控定向鉆進的經濟性和安全性,H、N口徑系列繩索取心鉆進的鉆孔彎曲強度應控制在0.2°/m以內,鉆孔曲率半徑應不小於300m;而常規鉆進應分別控制在0.4°/m以內和不小於150m。
4.糾偏機具面向角與鉆孔頂角、方位角的變化關系
鉆孔軌跡控制往往出現三種情況:壹是鉆孔頂角變化,方位角不變;二是鉆孔方位角變化,頂角不變;三是鉆孔頂角、方位角同時變化。鉆孔頂角、方位角的控制與糾偏機具的工具面向角(安裝角)有關,其關系如圖7-23所示。
圖7-23 工具面向角與鉆孔彎曲角的變化關系
圖中工具的面向角按順時針方向旋轉;β為工具面向角,Δθ為鉆孔頂角增量,Δα為鉆孔方位角增量;↑↓分別表示增加與減小的變化趨勢;max、-max分別表示增斜和降斜的最大量。
由圖7-23可以看出,糾偏工具面向角(β)在不同象限內對應的鉆孔頂角(θ)和方位角(α)是不同的。定向鉆進應根據糾偏參數快速定出糾偏工具的面向角。
糾偏工具的面向角可采用下式計算:
深部巖心鉆探技術與管理
式中:β為工具面向角;Δα為糾偏後鉆孔方位角增量;θ1、θ2分別為糾偏前後的頂角。
液動螺桿鉆工作時產生的反扭矩會使鉆桿柱發生扭轉變形,產生的扭轉角稱為反扭轉角。反扭轉角的大小與螺桿鉆的工作扭矩、孔深、鉆桿剛性、鉆壓大小等因素相關,對工具面向角有壹定影響,在定向鉆進中應設法消除。想通過理論計算來確定反扭轉角十分困難。實際施工中,可根據經驗估測或用隨鉆定向儀檢測反扭轉角的大小。如華南於都—贛縣礦集區科學鉆探選址預研究NLSD-1孔在1700m孔深用Φ63mm螺桿鉆具糾偏,估測反扭轉角約為30°～40°,則應預先使工具面向角增加這個度數。
(二)鉆孔軌跡繞障技術的應用實例
鉆探施工(尤其是深部鉆探)發生孔內事故在所難免。出現不便處理的事故或難以逾越的局部復雜地層、需要鉆孔補心時,必須借助繞障技術改變鉆孔軌跡。鉆孔繞障技術與分支定向孔工藝流程基本相似。
例如,汶川地震斷裂帶科學鉆探WFSD-3孔,因地層破碎、縮徑發生兩起吸附卡埋鉆事故,無法處理孔內鉆鋌及套管,分別在孔深788m、1096m處進行繞障側鉆(圖7-24),使鉆孔軌跡按要求延伸至目的孔深1502.30m。
圖7-24 WFSD-3孔鉆孔軌跡繞障圖
圖7-25 NLSD-1孔鉆孔側鉆糾偏圖
華南於都—贛縣礦集區科學鉆探選址預研究NLSD-1孔,在950～1070m孔段鉆孔頂角上漂5.3°/100m,若在原孔底糾偏,鉆孔會出現狗腿彎,不利於下步繩索取心鉆進。所以,用水泥封孔至孔深940m處進行定向側鉆,使鉆孔軌跡控制在設計要求範圍內,繼續延伸鉆進,如圖7-25所示。