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靶域钻孔技术在冻结凿井工程中的应用

靶域钻孔技术在冻结凿井工程中的应用 2011年12月09日 来源： 金桥煤矿第四系表土厚383．1 m，是国内目前冻结凿井表土层最厚的井筒，地层含水丰富，主、副井筒均采用冻结法施工，冻结深度412m。该矿冻结孔钻进工程量大，主副井共设计105个孔，钻孔总进尺37 926．5m。地层0～160m段含砂礓较多，最大直径为110mm；下部有多层强膨胀性粘土层（占60％以上），膨胀量大，最大自由膨胀率达135％。这些均给冻结凿井工程的施工带来诸多技术难题，为此，在方案设计中对冻结孔的钻进提出了一些较高的技术要求：　　（1）钻孔位置。偏离井口为0，切向为0～25mm；　　（2）下管深度与设计深度相差不大于0．5m；　　（3）钻孔偏向井心距离。辅助孔小于0．6m，深孔小于0．5m；　　（4）冲积层钻孔偏斜率0．25％，终孔间距小于等于2．8m。　　设计钻孔偏斜率与国家规范对比见表1。表1　设计钻孔偏斜率与国家规范对比项目冻结孔偏斜率/%冻结孔终孔间距冲积层基层冲积层基层国家规范≤0.3≤0.5≤3.0(合格)≤2.8(优良)≤5.0(合格)≤4.5(优良)工程设计≤0.25≤0.4≤2.8≤2.8　　为确保金桥煤矿冻结钻孔工程的进度和质量，采用高精度靶域定向钻进技术控制钻孔偏斜率，使终孔点位于设计的靶域，为后续冻结工程实施创造有利条件。1　靶域定向钻进特点　　定向钻进（图1）一般是开孔点与终孔点有水平距离，终孔点及其容许范围称作靶区。钻孔选择合理的造斜点，造斜点以上是直孔段，从造斜点开始造斜直至造到预定的孔斜角，然后斜钻进，使终孔点位于靶域内。图1　定向钻进示意AB—直孔段；B—造斜点；BC—造斜段；CD—稳斜段　　定向纠偏（图2）是定向钻进的一种形式，是把钻孔垂直方向在孔底水平的投影及允许偏差值为半径的圆作为靶区，钻头当前所处位置为起始位置，B为起始造斜点，选头初始位置为参数，采用斜向器造斜和稳斜，确保终孔点位于靶域内。图2　定向纠偏示意AB—钻孔偏斜段；B—造斜点；BC—造斜段；CD—稳斜段　　井下动力钻具加斜向器实施定向钻进，可较好地满足靶域钻进的要求。其特点是钻进时只有钻头旋转，整个钻具系统不转；钻头动力不是通过转盘－钻杆系统传递，而是由泥浆直接给钻头提供动力进行旋转钻进。这种方式的定向钻进效率高，配合JDT－3A陀螺仪测斜，钻进中可方便地调节钻孔轨迹实施纠偏，达到钻孔终点位于靶域目的，且成孔精度高、光滑，有利于钻孔下步作业。2　靶域钻孔的技术措施　　针对金桥煤矿钻孔工程难度大、精度要求高、工期紧的情况，靶域钻孔采取以下技术措施：　　（1）选用准确性较高的JDT－3A型陀螺测斜仪，配合JJX－3磁性单点仪进行钻孔测斜。　　（2）开发1套专供纠偏用的软件，配备便携式计算机，可在得到测斜资料几分钟后提出最佳纠偏方案。　　（3）分析研究以往定向钻孔的技术资料，提出各种纠偏应急技术方案，为定向钻成高精度的深冻结孔提供技术储备。　　（4）采用先进的“戴纳”井下动力钻具5LZ120×7．0配备0．5°，1°，1．5°，2°斜向器及各种特殊接头的配套组件。　　（5）钻机在160m以上采用TXB－1000A型，160m以下采用DZJ－500－1000型。钻具组合如下：160 m以上取芯钻进采用φ91mm钻头、φ89mm岩芯管、φ83mm钻铤、φ63．5mm钻杆、主动钻杆；辅助孔160m以上钻进采用φ200mm四翼钻头、φ197mm防斜器、φ177．8mm钻铤、φ63．5mm钻杆、主动钻杆，160m以下采用φ200mm三牙轮钻头（或φ200mm四翼钻头）、φ197mm防斜器、φ177．8 mm钻铤、φ127mm钻杆、主动钻杆。3　靶域钻孔的纠偏工艺　　采用两套5LZ120×7．0井下动力钻具配合专门的斜向器进行高精度的定向纠偏，其定向纠偏的一般工艺过程为：　　（1）钻进一定深度后，用JDT－3A陀螺测斜仪测出顶角值、方位角、水平X和Y偏值（直角坐标系）、偏率。　　（2）当测值超过允许值时，则需要纠偏。将初始顶角值、原点方位、新点方位、欲选用的斜向器度数、反扭矩取值作为参数，并预设几个纠偏长度进行试算比较后选定斜向器型号、反扭矩值和纠偏长度。　　（3）将选出来的合适的纠偏长度、斜向器度数及反扭矩值作为纠偏参数进行纠偏。　　（4）将配以斜向器的钻具送至井下并转到设计方位，井口用专门装置锁定钻杆使其不能转动，泥浆泵用规定压力启动，“戴纳”钻具开始钻进（加杆进尺时，注意不要让锁定方位变动）。　　（5）钻至设计的纠偏长度停钻，起钻杆，再将JDT－3A陀螺测斜仪送至井下纠偏段测斜。方位、顶角均合格后开始正常钻进；不合格则将此次测得的数据作为参数，再次进行上述纠

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